积雪反射效应：高纬度城市人群中雪覆盖增加光照暴露、抑制褪黑激素并提升警觉性

《Chronobiology International》：The Snowball Effect: Snow cover increases light exposure, suppresses melatonin, and improves alertness in an urban population at northern latitudes

本研究揭示了高纬度地区冬季积雪通过高反射率（albedo）增加晨间光照暴露，显著抑制褪黑激素（melatonin）水平并提升日间警觉性，为季节性情感障碍（SAD）的光照干预策略提供了关键环境依据。

　　

引言

人类在进化过程中适应了自然光-暗循环，该循环调节着昼夜节律（circadian rhythm）。人类生物学的早晨始于日出，而生物学夜晚则在日落后不久开始。光照暴露是昼夜节律适应的关键因素，影响睡眠-觉醒周期以及生物和心智过程。电照明的出现将每日活动时间延长至自然日光时段之外，降低了对阳光的依赖。尽管电照明在一定程度上可补充自然光，但长时间的光照暴露可能破坏24小时昼夜周期。

多项研究表明，室内照明的心理和生理效应通过三个因素介导：窗户、光照暴露剂量和建筑美学，这些均影响健康与福祉。然而，随着城市扩张以容纳不断增长的人口，建造的开窗不足或没有开口的建筑限制了室内日光渗透并阻碍了望向自然光照户外环境的视野。

个体健康与福祉的下降也在时间生物学中得到了探讨，特别是与光-暗循环改变等环境变化相关。研究显示，工作中日光暴露最少的个体整体睡眠质量较差，并可能遭受睡眠剥夺。同样，在瑞典高纬度地区的一项大型纵向研究表明，在黑暗季节每天日光暴露不足1小时的工人中，抑郁和睡眠障碍更为常见。冬季常见的昼夜相位延迟表现为睡眠-觉醒模式推迟，在高纬度地区的人类福祉研究中常见。激素水平的季节性变化也反映了这些效应，在极地环境中的户外工作者中，冬季褪黑激素分泌比夏季高出一倍。

在日光下户外活动时间与重度抑郁障碍发生率降低、抗抑郁药物需求减少、幸福感增强、情绪改善以及神经质降低相关。户外空间受到各种可改变自然光-暗循环的环境因素影响。其中一个因素是积雪覆盖，这在较高纬度常见，并已被证明可增强来自太阳和人工光源的光照水平。新鲜雪的反射率高达95%，而非雪覆盖地面的反射率约为15%，具体取决于材料特性。此外，雪的深度和新鲜度影响其反射性。先前对雪覆盖地区户外光环境的研究表明，根据一天中的时间，对不同物种的福祉有不同的影响。有趣的是，研究发现反照率（阳光从地面反射的辐照度）与褪黑激素分泌的减少呈负相关。另一项研究报告称，雪和多云天空的联合效应可将水平照度放大至月光的两倍，这可能进而导致夜行物种的circalunar节律 disruption。

环境改变也可能影响日光渗透到室内的程度，从而潜在影响居民的福祉。这些考虑对于高纬度定居点尤其相关，那里大雪和有限的日光时数是普遍的冬季条件。

尽管雪对户外活动的影响已有记录，但我们对雪覆盖对人类健康影响的理解仍然有限。气候变化带来降雪逐渐减少的风险，以及北纬地区持续的云层覆盖，从公共卫生角度强调了需要更深入的理解以制定有效的缓解策略。有鉴于此，本研究侧重于评估黑暗季节（11月至2月）雪覆盖环境对人类健康的影响。北欧国家的光照条件表现出强烈的季节性变化，自然光照暴露在黑暗季节显著减少。除了光周期，冬季自然光照暴露还由太阳在地平线上的角度、遮荫程度和云层过滤决定。在瑞典，冬季（12月至2月）太阳的年总全球辐射仅占年总量的3.7%，而秋季（9月至11月）占11.5%，春夏明亮季节占84.8%。在研究进行地瑞典乌普萨拉市，光周期在夏季18.8小时和冬季5.9小时之间变化。我们设计了一项多方法研究来调查雪覆盖地面的反射率如何影响人类生物学和行为。参与者使用活动记录仪（光和运动记录仪）进行监测，以评估睡眠/觉醒周期和褪黑激素水平。褪黑激素水平通过唾液样本测量，样本在为期1周有雪覆盖和另1周无雪覆盖期间收集。结果结合气象数据进行分析，包括全球辐射和光周期长度。

方法与程序

该研究获得瑞典伦理审查局批准（2022–03692-01）。每位参与者获得1000瑞典克朗的经济补偿和个性化的睡眠模式分析。所有程序均按照伦理指南进行，所有参与者均提供了书面知情同意。

研究人群与选择

研究邀请通过邮政邮件发送给瑞典乌普萨拉（59.8°N）南部郊区的1500名随机选择的居民。邀请包括一份印刷问卷以及参与实地研究的额外邀请。问卷包含有关参与者如何看待有雪日与无雪日以及是否经历过季节性心理差异的问题。

居民可以选择通过邮件返回表格，提供其电子邮件地址表示愿意参与研究。在受访者中，共有45人被选中参与本研究，同意参与一项基于活动记录仪、褪黑激素和日记的研究。研究团队联系了每位参与者，以在预定的研究周内确认其参与。

研究团队与参与者之间的会议主要在当地社区中心进行。每位参与者收到关于研究测量程序的个别指导，该程序包含多个数据集。提供了关于使用活动记录仪设备、褪黑激素采样和日记记录的详细指导。研究团队在每研究周结束时收集活动记录仪设备、褪黑激素样本和日记。

研究组包括13名男性（29%）和32名女性（71%），平均年龄51.4岁（SD=15.4），范围18至80岁，总共45名参与者。他们居住在地面附近，要么是独立房屋（40%），要么是低层公寓楼（60%）。大多数参与者与另外一名（60%）或两到三名（29%）成年人同住，而11%独居。大多数人（62%）没有孩子在身边，而20%有一个孩子，18%有两个或更多孩子需要照顾。关于自报健康状况，18%认为自己的健康“一般”，55%为“好”，22%为“很好”。两名参与者认为自己的健康“相当差”或“差”。

研究周与统计分析

研究团队在计划的研究周前1周通过电子邮件联系参与者，与天气预报协调，以确保研究设计能够适应有雪和无雪条件。由于活动记录仪的可用性限制以及需要与每位参与者安排个别会议，研究期限从11月29日延长至3月3日。

总共有45名参与者预计贡献90个研究周。参与者报告没有正在进行的睡眠障碍治疗，并且在日记报告中记录了任何可能影响睡眠的偶尔用药或疾病。总共21天因报告疾病被排除。数据收集，包括日记和活动记录仪，遵循标准化程序，通常于周二或周四开始，一周后结束，产生连续7夜的记录数据，包括至少2天休息日。

在最终分析中，10名参与者仅贡献了一个研究周，导致总共80周被纳入最终分析。由于降雪的不规律性导致重叠；因此，有雪周的平均雪深为M=0.40±0.1厘米（对于有雪周，M=6.25±0.22厘米）。我们没有将周作为条件，而是在主要分析中选择了混合模型方法，将天（有雪 vs. 无雪）作为因子，同时控制个体差异。

活动记录仪

活动记录仪（运动记录仪）用于记录参与者的活动和光照暴露，在一分钟时段内以照度（lx）测量白光水平。活动记录仪（Actiwatch Spectrum [Philips Respironics]）戴在非优势手腕上，并配有可扩展腕带，允许在外衣上使用。活动-休息数据导出至Philips Respironics软件（Respironics Actiware, Bend, OR, USA, version 5.71.0）进行睡眠评分。睡眠分析使用自动化灵敏度设置，并根据睡眠日记记录的就寝时间和醒来时间进行评分调整。

分析识别了睡眠开始（定义为10分钟连续不间断睡眠）、睡眠结束、睡眠持续时间、睡眠开始后的清醒时间（WASO）和睡眠效率（睡眠持续时间与在床时间的比率）。中睡眠时间通过将睡眠开始时间和最终醒来时间之间的一半时间差加到睡眠开始时间来计算。每位参与者贡献14天的数据；然而，6.9%的睡眠期被视为缺失或不完整。没有参与者缺失超过两天。

原始数据从1分钟区间聚合到1小时区间，以使用记录的光照暴露（ln lx）和活动的平均水平产生更平滑的昼夜节律曲线。在08:00至17:00之间，所有光照暴露低于10 lx的时段被省略，因为这些被认为代表光传感器无意中被衣物覆盖的时期。

日记

使用卡罗林斯卡嗜睡量表（KSS）报告了7天的嗜睡情况。KSS是一个类似Likert的量表，假定分数之间间隔相等。范围从1（非常警觉）到9（非常困倦，努力保持清醒）。在本研究中，参与者在每个研究日的八个时间间隔提供平均KSS评分：醒来时、06:00–10:00、10:00–14:00、14:00–18:00、18:00–22:00、22:00–02:00、02:00–06:00以及就寝时。参与者被指示每天完成两次日记。

醒来时，参与者填写了一份睡眠日记，包含五个源自卡罗林斯卡睡眠日记的项目。这些包括睡眠潜伏期（分钟）、觉醒次数和清醒时间。另外三个项目，按5分制评分（1=非常好，5=非常差），评估“你睡得如何？”、“醒来时感觉精神焕发”和“起床难易度”。

就寝时，参与者回答了七个问题。第一个问题“你今天过得怎么样？”，按5分制评分（1=非常好，5=非常差）。一个类似的问题“你今天有多累？”，使用相同的量表（1=非常多，5=一点也不）。其他问题评估参与者是否在工作、摄入的含咖啡因饮料数量（分升）、在户外度过的时间（分钟），包括在窗户附近的时间（例如，乘汽车或公交车旅行时），以及在日光或黑暗中对当地绿地的访问时间。

褪黑激素与皮质醇

在每个研究周的一天，参与者被指示提供唾液样本用于褪黑激素和皮质醇分析，最常见是在休息日。样本由参与者自己通过将唾液滴入开放管（Sarstedt）收集，遵循详细说明。参与者在采样前30分钟不允许进食或吸烟。总共三个样本在早晨07:00至09:00之间以一小时间隔采集。参与者被要求在日记中记录如果采样时间偏离预定时间。每个样本请求至少2毫升唾液。管子立即在参与者家中的约-20摄氏度冷冻保存，直到研究团队收集并转移到斯德哥尔摩大学心理学系存储。研究结束时，样本冷冻运输并存储在分析实验室的冷冻柜中。

唾液中的褪黑激素和皮质醇在瑞典隆德的职业与环境医学中进行分析。简而言之，将褪黑激素和皮质醇的内标添加到唾液样本中，然后使用固液萃取在SLE板（Biotage Sweden AB, Uppsala, Sweden）上进行纯化和预浓缩。使用液相色谱-三重四极杆质谱（LC-MS/MS; QTRAP 6500+; AB Sciex, Framingham, MA, USA）对褪黑激素和皮质醇进行定量分析。褪黑激素和皮质醇的浓度通过分析物与相应内标之间的峰面积比确定。质量控制（QC）样本通过汇集唾液样本内部制备。两个QC样本以三重形式包含，连同每个样本批次中的六个化学空白和校准标准。检测限（LOD）确定为化学空白样本浓度标准偏差三倍对应的浓度，褪黑激素为0.3 pmol/ml，皮质醇为0.1 ng/ml。控制的精密度在10%至15%之间。

统计学

使用Stata 18进行统计分析。采用混合模型重复测量设计，包括因子天和id，在表格中使用。额外分析将工作日与休息日分开。输出产生边际线性预测对比的卡方统计量。选择混合模型重复测量方法是因为它允许在参与者内部存在缺失观察。

光照暴露数据是偏态的，因此在统计分析前进行对数转换。活动和光照暴露的分钟时段被聚合以计算一天中小时的平均和中位水平。参与者有时必须移除活动记录仪，或者设备可能意外被衣物覆盖。因此，小时平均活动水平为零的被丢弃。如果在白天小时（08:00–17:00）平均lx水平未达到10 lx，则应用类似程序。

结果

物理环境

几个研究条件因多种因素而不同。平均雪覆盖达到7.8厘米，范围1至11厘米，存在于274天，而无雪条件研究了319天。至冬至的距离影响全球辐射，这些因素无法在研究设计中关于有雪覆盖的天数上平衡。因此，分析必须按月份分开。

在分析中，测试了雪覆盖在12月至1月黑暗时期的影响，包括319天无雪条件（70%）和134天有雪（30%）。在2月，仅报告有雪条件作为参考（140天），因为无雪条件无数据可用。表格1呈现了在有雪和无雪条件下获得的背景光度测量数据，以及12月和1月观察到的统计差异。

从物理环境预测光照暴露

由于在物理环境中观察到条件之间的显著差异，似乎这可能也影响光照暴露。在双变量分析中，冬至、光周期和全球辐射都被发现强烈相关（R>0.8；p<0.001）。然而，在控制雪覆盖的回归分析中，至冬至的距离、光周期或全球辐射都不能显著预测12月至1月黑暗月份的光照暴露。当2月被包括在回归中，同时仍控制雪和个体差异时，至冬至的距离（R2=0.08；t=3.25；p=0.001）和光周期（R2=0.09；t=4.10；p<0.001）预测光照暴露，但全球辐射没有。

光照暴露与活动水平

每小时记录的平均光照暴露如图所示。光传感器值在12月至1月无雪条件下10:00至13:00之间达到峰值，范围从5.08到5.34±0.10 ln lx，对应286–323±40中位lx。在有雪条件下，相应暴露范围从5.15到5.34±0.10 ln lx（361–404±55中位lx）。在两种条件下，水平在08:00左右超过100中位lx，但从15:00 onwards降至该阈值以下，持续到当天其余时间和晚上（一天中的时间：p<0.001）。在12月至1月期间发现条件之间存在显著差异（p=0.033），效应在09:00至12:00之间最为明显。2月的光照暴露曲线在所有白天小时显示出更强的光照暴露，在10:00至15:00之间超过1000中位lx（6.28–6.52±0.22 ln lx；1018–1626中位lx）。

活动水平显示每小时平均值在2月有雪条件下10:00至17:00之间高于200计数每分钟（范围：215–235±24）。在类似小时的无雪条件下，活动水平范围在180和211±14之间，而在1月至2月有雪条件下，范围在198和230±17之间。当比较12月至1月数据时，发现显著的时间-of-day效应（p=0.0029）和条件效应（p=0.0030），效应在早晨小时（09:00–11:00）最为明显。

褪黑激素与皮质醇

唾液褪黑激素和皮质醇在早晨07:00、08:00和09:00测量。数据显示，在有雪和无雪条件下，褪黑激素水平随时间下降（p<0.001）。此外，褪黑激素水平在有雪条件下似乎较低（平均褪黑激素-有雪=5.3±0.76 pg/ml；平均褪黑激素-无雪=9.3±0.96 pg/ml；p=0.0150）。未观察到显著交互作用（p=0.0895）。皮质醇随时间显示类似下降（p<0.001），但未发现雪效应（平均皮质醇-有雪=3.26±0.19 pg/ml；平均皮质醇-无雪=3.24±0.19 pg/ml；p=0.1928）。

活动记录仪睡眠

基于活动记录仪记录的客观睡眠值显示条件之间无显著差异。研究组通常在12月至1月两种条件下于23:30 h开始睡眠，在2月早约30分钟。睡眠在黑暗时期约07:20 h结束，在2月早约10分钟。睡眠持续时间在黑暗时期范围从7.15到7.2小时，在2月增加至7.4小时。睡眠效率在整个冬季保持在90%。

睡眠与清醒日记

参与者在研究周期间每天评估他们的睡眠和清醒的各个方面。觉醒次数在有雪条件下增加（p=0.0014）。其他措施，包括睡眠潜伏期、睡眠开始后清醒时间（WASO）以及睡眠质量、睡眠后感觉休息和起床难易度的评估，在黑暗月份中未随雪覆盖改变。白天警觉性和疲倦的感知不受雪覆盖、咖啡因摄入或在日光下、当地绿地或夜间户外时间的影响。报告的户外时间显示参与者在日光下花费超过一小时（68–88分钟），无雪覆盖的显著效应。所有清醒日记评估在2月更有利，除了增加的咖啡因摄入。

日记还包括嗜睡和情绪的评估。发现所有维度存在强烈的昼夜节律（p<0.001），在一天开始和结束时一致增加嗜睡和降低情绪。参与者在所有条件下在一天中间（10:00–18:00）最不困倦。当仅分析12月至1月期间时，嗜睡显示雪覆盖的主效应，有雪条件下观察到较少嗜睡（平均KSS-有雪=5.11±0.05；KSS-无雪=5.21±0.07；p=0.0196）。交互效应表明嗜睡差异在傍晚更为明显（p=0.0357）。情绪评估显示无根据雪覆盖的差异（平均降低情绪-有雪=3.92±0.04；无雪=3.67±0.03；p=0.3068）。

工作日与休息日

我们知道睡眠行为在周末与工作日相比经常变化。因此，我们决定对工作日与非工作日的光照暴露进行单独分析。该分析包括研究周期间就业的36名参与者。在工作日（60%的天数），光照暴露与12月至1月的非工作日相比增加，既有雪（p=0.020）也无雪（p=0.038）。在2月，光照暴露比黑暗月份更高，并在工作日进一步增加（p<0.003）。

讨论

雪覆盖与光照暴露增加

本研究表明，雪覆盖增加城市环境中的光照暴露，特别是在一年中最黑暗时期12月至1月的早晨小时。然而，光照暴露仍然主要取决于至冬至的距离和全球辐射水平。有雪条件下光照暴露的增加也反映在早晨活动水平的相应上升中。似乎雪覆盖也影响褪黑激素水平，导致早晨抑制。

然而，活动记录仪睡眠记录未显示条件之间的一致差异。嗜睡在无雪条件下傍晚更为明显，而情绪似乎对雪不太敏感。总的来说，光照暴露、活动水平、警觉性和情绪在2月比12月和1月的黑暗月份显著更高。总之，对于主要室内生活方式的个体，即使在光周期短的月份，雪覆盖似乎提供可能的健康益处 compared to 无雪条件。

一项大型瑞典纵向研究表明，冬季低日光暴露（<1小时）导致抑郁症状增加。一项基于英国的研究使用横断面和纵向方法发现，日光暴露与更好的情绪和较低的抑郁障碍几率相关。我们数据中显示由于雪覆盖导致的光照暴露轻微增加可能改善警觉性，尽管情绪未受影响。这表明大脑的警觉系统比情绪调节区域对光照暴露更敏感。此外，考虑到在冬至附近北纬地区观察到的光照暴露水平普遍较低，自然日光可能通常不足以增强情绪。因此，改善情绪的策略可能包括用电照明补充日光暴露，例如光疗盒或全光谱光源。

有趣的是，我们的数据表明活动水平随雪覆盖增加。与此一致，雪覆盖可能促进户外活动，尽管日记评估未强烈支持这一点。问卷数据询问了参与者的看法和态度，并未表明运动水平因雪覆盖而改变。然而，与无覆盖日相比，对雪覆盖日的看法显著更积极，有利于雪覆盖。参与者将雪覆盖日与增加的福祉、警觉性、情绪、享受、努力水平和更强烈的户外时间欲望相关联。

先前的实验研究表明，日光本身不一定比电光增加活动。然而，在现场条件下发现光照暴露增加可增强活动水平，表明活动与光照暴露之间存在强相关性。这可能部分是由于光照暴露的 energizing 效应。在本研究中，活动计数在白天小时与光照暴露高度相关（p<0.001）。

观察到警觉性的“雪球效应”，与褪黑激素水平一致。然而，无法将褪黑激素变化与昼夜相位提前相关联。黎明破晓可能是增加光照暴露的一个贡献因素，但在12月和1月的黑暗月份，日出从未在早晨08:00之前发生。由于在07:00 h已经观察到对褪黑激素的影响，黎明对褪黑激素抑制的直接影响将是最小的。更可能的是，在有雪条件下发生了昼夜相位提前。然而，这不受睡眠/觉醒节律数据的支持，该节律保持不变——可能是由于外周社会时钟的强烈影响。其他环境因素，如接近冬至和全球辐射的日常变化，可能影响褪黑激素水平。然而，反照率似乎是比全球辐射更强的褪黑激素水平预测因子。

已知光照暴露通过多种机制减少全天的嗜睡。急性唤醒效应可在光照暴露增加后几分钟内观察到。在本研究中，较低的早晨褪黑激素水平可能有助于减少有雪条件下的嗜睡。未来的研究将受益于进一步调查光行为如何受昼夜相位提前驱动影响以及光的 energizing 效应如何影响活动水平。

“雪球”效应

尽管本研究强调了由于雪辉光增加光照暴露的生物效应，但其他因素也可能影响冬季期间的健康相关结果，例如与通勤相关的行为转变和增加的屏幕时间。在本文中，我们证明了工作日光照暴露水平升高，效应在光周期较长的条件下更为明显。这一发现与之前对其他工作组的研究一致。

尽管65%参与者根据问卷数据报告冬季悲伤和疲劳增加，但只有10名参与者表示他们经历显著困难。然而，大部分对雪覆盖表达了积极态度。大多数（78%）参与者认同雪显著增加光照水平的看法。当被要求比较有雪和无雪覆盖日时，参与者同意雪覆盖改善情绪、增加警觉性和福祉，并增强户外时间欲望，同时使户外活动更愉快（单样本t检验；p<0.001）。

先前的研究表明，季节性福祉受心态和冬季期望影响，特别是在日光暴露有限的环境中。雪可能具有类似于亲近自然的效果，促进更大的身体积极性。

局限性

本研究呈现了几个选择偏差。参与者在被邀请参与问卷调查后同意参与研究。响应率低，并且那些选择参与的人可能对研究目的和亲近自然有特殊兴趣——调查不同光照条件和季节下当地绿地的使用。问卷数据表明，参与者的观点和日常行为强烈倾向于自然导向而非城市导向，这已被证明影响对雪的感知。这表明样本可能不能完全代表研究地区城市人口的观点。

还应注意，参与者报告在日光下户外花费略多于1小时。Raza等人的一项人口研究发现，在瑞典工人中，只有42%在冬季每天在日光下户外花费1小时或更多。这表明社区中光照暴露最少的群体可能未得到充分代表。此外，研究组主要由中年参与者组成，他们可能与年轻年龄组有不同的生活方式、户外习惯和光照暴露行为。最后，我们的数据表明群体在其他因素上不同，例如就业条件。

由于预测有雪/无雪条件的挑战，研究设计无法与显著影响光照暴露的光度因素完全对齐，例如至冬至的距离、光周期和全球辐射。2月无无雪条件限制了比较和评估光照暴露和活动水平与12月和1月无雪条件差异的能力。

由于12月和1月的有雪条件在冬至附近测量，报告的健康积极效应可能有些低估。然而，研究设计也限制了实现严格受试者间比较，因为参与者无法在两个最黑暗月份安排在两种条件下。如所示，光照暴露在2月（仍被视为冬季月份）显著增加，但光度因素表现为增加的日光小时数阻止了该数据被纳入最终统计分析。

总体结论

高纬度不仅 characterized by 与一年中太阳小时数对齐的 changing 光度条件，而且还有 due to 全球变暖的 dramatic shifts。正如我们研究结果表明，雪覆盖通过增加光照暴露和活动水平在加强人类昼夜节律中扮演关键角色。除了气候变化的广泛后果，雪深从1951年到2017年每十年下降约12%，最 visible 效应发生在较低纬度。这表明雪覆盖的进一步减少将对北纬地区产生 significant implications，那里北极雪覆盖的快速减少（尽管不均匀）是 evident。这些变化以较早的春季融化（每十年20%）和较晚的雪覆盖开始形式显现。

鉴于未来可能带来额外的环境挑战并 diminish 雪覆盖景观的潜在季节性福祉益处，城市规划策略应纳入促进室内昼夜节律 entrainment 所需的日光阈值。这强调了国家建筑法规中日光要求的重要性，确保计算模型考虑足够的开口以允许直接和间接日光进入内部空间。在较高纬度，冬季日光小时已经有限， access to 较低水平的密集建筑结构进一步受限。因此，城市规划实践应将建筑设计与附近绿色结构整合，以增强自然光暴露并加强人类与日光的互动。