溫室效應模擬實驗裝置

阿斯婭·克里木,堀雅宏

(1.新疆師范大學化學化工學院,新疆烏魯木齊830054;2.橫浜國立大學教育人間科學部,日本橫濱240-8501)

1 引 言

大氣層的溫室氣體所導致的溫室效應是全球性環境問題的典型例子之一.目前連小學生都知道溫室效應是很重要的環境問題[1-2].但是在地球大氣層中所發生的溫室效應現象,其發生的原理對一般學生來說難以理解.在一些教輔書和期刊文獻上已有研究人員設計的簡單“溫室效應模擬實驗”[3-8],但這些實驗沒有在溫室效應發生原理的基礎上設計或有些技術問題沒能妥善解決,而引起了學生和其他研究人員的質疑[9].為了使學生通過實驗來驗證、理解和掌握溫室效應環境問題的發生原理,我們通過研究設計制作了溫室效應模擬實驗裝置,就其實驗方法進行了較深入的研究.

2 實 驗

2.1 裝置的制作

2.1.1 材料、配件及試劑

不銹鋼板(厚度為1 mm),熒光燈(15 W,T8一體化超級光熒光燈,產地為廣東佛山),透明亞克力板(3#,5#,8#,10#,15#,20#等,實際厚度為2～16 mm),白色亞克力板(3#),透明亞克力管(直徑為8 mm,10 mm等),黑卡紙,苯板(聚苯乙烯板,厚度30 mm),數字溫度計(SWJ-Ⅲ型,帶2個探頭,精確度為0.1℃,南京桑力電子設備廠生產),水泵(AP-2000L型,深州市希騰電器有限公司生產),軟管,止水夾,定量加氟器(浙江省溫嶺市三金機電廠生產),冷媒閥門和加液管,冰柜或冰箱,制冰盒,水桶(15 L),HFC-134a(四氟乙烷CH2FCF3).

2.1.2 制作方法

實驗裝置共由4個部分組成,其結構和制作方法分述如下:

1)溫室部分.用5#透明亞克力板制作成2個相同溫室(325 mm×255 mm×310 mm),見圖1.從溫室的長邊上下打2個小孔,小孔內分別固定直徑為8 mm、長為50 mm的亞克力管,下面的孔為進氣口,上面的孔為出氣口.溫室屋頂正中間打1個小孔,用作數字溫度計探頭的插入口.溫室屋頂粘1層黑卡紙.

圖1 溫室示意圖

2)底座和照明部分.底座用不銹鋼材料制作,其長520 mm、寬 330 mm,前后高 80 mm、兩側高100 mm.兩側內有下沉10 mm、寬25 mm的L型槽.前后內側中間位置槽上固定有長80 mm、寬25 mm的不銹鋼L型鐵塊,其高度與兩側內L型槽一樣高.底座下方固定3#白色亞克力板,亞克力板上面并排固定8支熒光燈.底座下面用不銹鋼制成的25 mm×18 mm×18 mm的4個腿.底座和照明部分結構如圖2所示.

圖2 底座和照明部分示意圖

3)隔熱部分.隔熱部分用透明亞克力板制作,叫隔熱水槽.隔熱水槽各部分大小尺度如圖3所示,其下面為5#透明亞克力板,四邊為10#透明亞克力板.上面分別由3片3#透明亞克力板制作,為了便于清洗留出了2個空隙.從前后各打2個小孔,孔內固定直徑為10 mm的亞克力管,分別用作進水口和出水口.

圖3 隔熱水槽示意圖

4)保溫部分.保溫部分用苯板(聚苯乙烯板,用于電器的內包裝材料和房屋的保溫材料)制作.苯板按適當大小切成備用.

裝置各部分的組合:底座內的L型槽上面放置隔熱水槽,水槽上面并排2個溫室,溫室的進氣口和排氣口要朝2個側面,2個溫室屋頂的小孔分別插入數字溫度計的2個探頭,用苯板把溫室四周和屋頂包起來.組合后的裝置正面圖如圖4所示.

圖4 組合后的實驗裝置正面示意圖

2.2 實驗操作方法

1)把溫室氣體即罐裝 HFC-134a通過冷媒閥門和加液管移入定量加氟器內備用.

2)溫室的進氣、排氣口連接長約50 mm的軟管,一個溫室內通過定量加氟器注入一定量的溫室氣體HCF-134a,另一個溫室內只有空氣.2個溫室的進氣、排氣口的軟管用止水夾夾住.

3)隔熱水槽前面的2個進水口分別連接長約300 mm的軟管,用 Y型玻璃管合并這2個軟管,再用適當長度的軟管把 Y型玻璃管的另一端與抽水泵相連.水泵放入體積約為15 L的水桶內.隔熱水槽后面的2個出水口分別連接適當長度的軟管,軟管的另一端也放進入水桶內.水桶內加入約8～10 L的水,再放入事先準備好的冰塊,要使水桶水溫始終保持2～3℃內.

4)啟動水泵,使水桶內的水通過軟管和水槽進水口進入隔熱水槽中,再通過出水口返回水桶.

5)打開數字溫度計開關,分別記錄2個溫室同一時刻的溫度.

6)打開熒光燈開關,熒光燈開始照明,同時啟動計時秒表.在一定時間間隔內分別記錄2個溫室溫度的變化值.

7)熒光燈連續照明一定時間,在2個溫室溫度出現明顯溫差之后結束實驗.

2.3 亞克力透光率的測定

將3#,5#,8#,10#,15#,20#等不同厚度的亞克力切成10 mm×30 mm的小塊,使用UV-3300型紫外可見分光光度計分別測定波長為200～800 nm范圍的透光率.

3 結果與討論

3.1 亞克力的透光性

亞克力透光率的測定結果如圖5所示.從圖5可以知道,3#～20#的亞克力在波長為400～800 nm范圍的透光率可達85%～90%;對于280～400 nm的紫外光具有半透性;在280 nm以下的紫外光完全被亞克力吸收.

圖5 不同厚度亞克力板的紫外可見光譜圖

3.2 溫室效應模擬實驗原理

熒光燈的輻射光譜與太陽光輻射的可見光區光譜相似,其主要輻射波長在400～700 nm范圍.因此,裝置底座內的熒光燈可當作模擬太陽;溫室內裝有溫室氣體,可當作模擬大氣層;溫室屋頂的黑色卡紙可吸收來自熒光燈的可見光,因此可當作模擬地面.當熒光燈照明時,光通過透明亞克力板和溫室內氣體層到達溫室的屋頂,被黑色屋頂所吸收.屋頂吸收可見光后溫度升高,同時輻射波長更長的紅外光.紅外光被溫室內的溫室氣體所吸收變為熱量而以熱的形式被散發,就引起溫室內溫度的升高.但熒光燈照明時輻射光的同時,向周圍環境散發熱量.實驗證明,熒光燈照明后燈管表面溫度逐漸升高,經過約30 min后,燈管表面溫度達到了50℃左右.如果不消除此熱量的影響,使熒光燈直接照射溫室,則如文獻[9]指出的比熱容小的氣體溫度升高得快.這顯然不是溫室效應的發生原理.因此,熒光燈和溫室之間必須安裝一個能夠透光、又能消除熒光燈熱量影響的隔熱設施.隔熱水槽就起到此作用.因為亞克力板和水是能透過可見光的,而水槽內不停循環的低溫水則起到隔熱作用.

3.3 天然大氣的溫室效應

2個溫室內置換新鮮空氣后,按上述實驗步驟測定了熒光燈照射溫室內空氣時,2個溫室溫度的變化情況.當熒光燈照明時,經過40 min后2個溫室的溫度都升高了1.3℃.這是由天然大氣成分所含的水蒸氣、二氧化碳、甲烷等溫室氣體所導致的.

3.4 溫室氣體的選擇

熒光燈只輻射可見光,其輻射強度比太陽輻射強度弱得多.因此,黑卡紙吸收來自熒光燈的可見光后所輻射紅外光的強度也不會大,不能引起天然大氣或純二氧化碳溫度的較大幅度的升高.所以,在該裝置中二氧化碳不能作為與空氣對比的溫室氣體,而只能選用對紅外光的吸收能力較強的溫室氣體.CFC-12(二氯二氟甲烷)、HCFC-22(一氯二氟甲烷)、HFC-134a(四氟乙烷)等都屬于 GW P值(全球變暖潛能值)較高的溫室氣體.將它們當作與空氣對比的溫室氣體時,在經過30～40 min后都能引起了0.5～0.6℃的溫差.其中 CFC-12和 HCFC-22等溫室氣體的ODP值(消耗臭氧層潛能值)較高,作為環境教育的模擬實驗,更需要考慮裝置對環境的影響.而HFC-134a的 GWP值為 0.29,具有無毒、不可燃、ODP值為零等特點,所以選用了 HFC-134a.

3.5 溫室氣體的溫室效應

按上述實驗步驟測定各溫室內溫度變化情況,其結果如圖6所示.從圖6可以看出,當熒光燈照明時,溫室內溫度升高.溫室氣體室的溫度升高值高于空氣室的溫度升高值.在25～30 min內出現了0.5～0.6℃的溫差,在1 h出現了約1℃的溫差.這是由于 HFC-134a吸收紅外光的強度大于天然大氣中溫室氣體組分的吸收紅外光強度的緣故.

圖6 空氣室和溫室氣體室溫度的變化情況

3.6 影響溫室溫度的因素

實驗裝置中影響溫室溫度的因素有熒光燈的照射強度、照射時間,溫室內溫室氣體的性質、濃度,循環水的溫度,裝置保溫層的保溫性能,等等.該裝置中熒光燈的輻射強度可以認為保持恒定.從理論上講,如果體系(溫室箱)是絕熱體系即溫室和實驗室空氣和隔熱水槽之間沒有熱交換,則體系的溫度將會隨照射時間持續升高.但由于裝置保溫層的保溫性能不理想,溫室和實驗室空氣之間有熱交換存在;由于溫室與隔熱水槽直接接觸,因此,溫室與隔熱水槽之間也有熱交換,因此,溫室溫度升高速度將會變慢.作為該裝置與空氣對比的溫室氣體應該為對紅外光的吸收強度較大,而其濃度越大實驗現象越明顯.因此,溫室內注入溫室氣體時,開放其排氣口,盡量使溫室內的空氣全部被溫室氣體所置換.為很好地起到隔熱作用,循環水的溫度要調低一些為好.

實驗證明,平時溫室溫度與實驗室溫度達成平衡時,溫室溫度比室溫低于1～2℃.隨熒光燈的照射時間的延長,溫室溫度升高,但最多比室溫高1～2℃.這里的2～4℃的溫度變化值就是溫室氣體的溫室效應引起的.還有低溫循環水也會導致溫室溫度的降低,如果不照明熒光燈,而只循環低溫水,則溫室溫度不斷降低.只要照射熒光燈,溫室溫度就開始升高,這就正能說明溫室效應現象.

4 結束語

依據溫室效應的產生原理,設計制作了溫室效應模擬實驗裝置.該裝置具有使用方便、實驗操作簡單、實驗現象明顯等特點,能夠較好地展示溫室效應現象.眾所周知,實驗是理解抽象概念的最有效的方法,是激發學生學習興趣的重要源泉,更是培養和發展學生思維能力和創新能力的重要方法和手段.通過實驗直接觀測“溫室效應”現象,不僅有利于深化學生對自然現象的認識和理解,而且還能提高他們的環境保護意識.

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