“二氧化碳溫室效應(yīng)”模擬實驗

高中地理必修1“大氣的溫室效應(yīng)和保溫作用”是學(xué)習(xí)的重難點，如今公眾關(guān)注的全球變暖，基本歸因為二氧化碳等溫室氣體的過度排放，導(dǎo)致溫室效應(yīng)和保溫作用加劇。所謂的溫室效應(yīng)是指太陽短波輻射絕大部分能穿透大氣層直接加熱地面，而大氣卻能吸收幾乎全部的地面長波輻射，并向地面發(fā)射長波輻射（稱大氣逆輻射），這種輻射具易進(jìn)而不易失的效應(yīng)，稱溫室效應(yīng)，也稱花房效應(yīng)。大氣中有此選擇吸收能力的氣體很多，如水汽、二氧化碳等能強(qiáng)烈吸收地面長波輻射，將熱量儲存于大氣中，再通過大氣逆輻射將熱量還給地面，從而起到保溫作用。然而，二氧化碳真的是溫室氣體嗎？它是怎樣產(chǎn)生溫室效應(yīng)的？產(chǎn)生的效應(yīng)究竟有多強(qiáng)？這引起了我們的好奇和思考，想通過實驗一探究竟。

一、實驗方案設(shè)計

比熱容是熱力學(xué)中常用的一個物理量，用它表示物體吸熱或散熱能力。二氧化碳的比熱容比空氣小，在相同的熱能條件下，溫度升高或下降1℃或1K吸收或放出的二氧化碳要比空氣少。假定二氧化碳是一種溫室氣體，它能吸收來自太陽和地面的長波輻射，將熱量截留在大氣中，然后通過大氣逆輻射將熱量歸還給地面，從而起到保溫作用。那么高濃度的二氧化碳?xì)怏w與正常大氣相比，在升溫過程中，理應(yīng)表現(xiàn)為溫度較高;而在降溫過程中，溫度也應(yīng)高于正常大氣。

通過小組討論分析，初步形成實驗構(gòu)想：想要證明二氧化碳是不是溫室氣體，能不能起到保溫作用，首先要改變二氧化碳的濃度來進(jìn)行對比實驗，考慮在實驗室制取，因化學(xué)反應(yīng)本身伴隨有吸熱、放熱等過程，這會對溫度的精準(zhǔn)測量產(chǎn)生干擾，所以無法在制取二氧化碳的實驗過程中進(jìn)行對比測量。即用2個玻璃瓶分別灌裝空氣和二氧化碳，在太陽光的照射下、取暖器的加熱下，對比測量2個瓶內(nèi)升溫變化的差異，以及在陰涼處（無太陽光直接照射）對比測量2個瓶內(nèi)降溫變化的差異。具體實驗方案設(shè)計如下。

（1）目標(biāo)：驗證二氧化碳是否是溫室氣體、模擬溫室效應(yīng)的產(chǎn)生。

（2）材料：1個500ml的空玻璃瓶、1瓶二氧化碳?xì)怏w、2個帶孔的瓶塞、3支傳感溫度計（多備幾支以確保測量的起始溫度相同）、1個計時器。

（3）實驗過程：①將2個玻璃瓶都放置在有陽光直接照射的桌面上;②將空玻璃瓶加上瓶塞并插入溫度傳感器，標(biāo)識為A，將充滿二氧化碳的玻璃瓶加上瓶塞，插入溫度傳感器，標(biāo)識為B，將第3支溫度傳感器裸露在外;③將3支傳感溫度計通過USB接口連接電腦，打開溫度傳感計專用軟件，讀取3支溫度計的數(shù)值，確保其初始讀數(shù)相同之后開始記錄;④每隔4分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。

在實驗操作過程中，我們對該方案進(jìn)行了多次調(diào)整與修改。第一次調(diào)整是因為考慮該實驗所使用的是玻璃瓶，其介質(zhì)的特性是短波（太陽輻射能）能穿透，而長波（取暖器輻射能）難以穿透，它僅能起到熱傳導(dǎo)加熱的作用，所以設(shè)置太陽光和取暖器這兩個對照組沒有必要。同時，實驗中采用的是500ml的玻璃瓶，瓶中二氧化碳?xì)怏w的量太少，且二氧化碳的濃度不夠純，外界的干擾因素稍有變化，其溫度的變化就非常明顯。所以對實驗方案進(jìn)行修改，改用直徑為2.3米的氣球，分別用二氧化碳和空氣將兩氣球充滿，再進(jìn)行升溫與降溫的測量對比。第二次方案調(diào)整是在降溫的對比測量中，發(fā)現(xiàn)2個氣體球在陰影下的降溫過程，因起始溫度不同，導(dǎo)致2個氣球內(nèi)的溫度降低趨勢是一致的，16分鐘以后，二氧化碳?xì)怏w球內(nèi)的溫度比空氣球內(nèi)的溫度始終要高出1℃左右，而且隨著時間的推移，該差值基本保持穩(wěn)定，很難說明問題。故而對實驗方案又作第二次調(diào)整與完善，即在相同環(huán)境下，起始溫度相同的條件下，對2個氣球再進(jìn)行升溫與降溫的對比測量。

二、實驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)修改完善后的實驗方案，測得如圖1所示數(shù)據(jù)。

在太陽光的照射下，開始后的每個4分鐘時間段內(nèi)，二氧化碳?xì)怏w球升溫比空氣球快，溫度高，即在容器、容積、光照、瓶外空氣流動等因素相同的情況下，在相同的時間內(nèi)，由于二氧化碳的比熱容小于空氣，導(dǎo)致二氧化碳?xì)怏w瓶在吸收了相同的熱量時，升溫更高。但是，在二氧化碳?xì)怏w球和空氣球達(dá)到相同溫度后，將它們放置在室內(nèi)陰影下進(jìn)行降溫觀測，發(fā)現(xiàn)二氧化碳?xì)怏w球的溫度略高于空氣球的溫度。根據(jù)比熱容，理應(yīng)二氧化碳?xì)怏w球降溫更快，溫度更低，為什么測得的溫度反而高？這樣的實驗數(shù)據(jù)并不能說明二氧化碳是溫室氣體，尤其是在降溫過程中并沒有體現(xiàn)出保溫作用，也難以模擬“溫室效應(yīng)”，只能表明不同物質(zhì)因比熱容不同，而造成吸收或放出熱量的多少存在差異。

我們邀請了物理、化學(xué)老師參與討論，因為二氧化碳的比熱容小于空氣，所以當(dāng)兩個氣球的溫度值一樣時，理論上此時空氣球中所儲存的總熱量應(yīng)大于二氧化碳?xì)馇颉５蛉莘e相同，而兩個氣體球內(nèi)的密度不同，所以兩個球中的氣體質(zhì)量不同，最終所儲存的熱量究竟存在多大差異就很難測算。我們推測，在降溫過程中，二氧化碳因比熱容較小，同樣下降1℃時，比空氣所釋放出的熱量少，再加上它所吸收的長波輻射能力比空氣強(qiáng)（這正是本實驗想驗證的一個重點），結(jié)果顯現(xiàn)為測得的溫度較高，因球內(nèi)所儲存的熱量存在差異，導(dǎo)致這一溫度顯示并不能說明二氧化碳就是一種溫室氣體。

不論是試劑瓶，還是換成直徑2.3米的氣球，都難以和地球巨厚的大氣層相比較，只能說是一個粗略的實驗?zāi)Ｐ汀６鴾厥覛怏w能產(chǎn)生溫室效應(yīng)，是由于其本身具備吸收長波輻射（紅外線）的能力，這一吸收能力是由其分子結(jié)構(gòu)所決定的，溫室氣體因擁有偶極矩的紅外活性分子，才具有吸收紅外線、保存紅外熱能的能力。所以，要驗證二氧化碳是不是溫室氣體，需要從它吸收紅外線的多少和強(qiáng)弱來判定，而在這一模擬實驗中，很難測得兩個氣球中所儲存的熱量有多大差異，也難測算兩個氣球獲得的地面長波輻射（紅外線）有多少。同時溫室效應(yīng)主要是通過大氣逆輻射實現(xiàn)的，在實驗過程中無法測算其中的熱量傳遞及其過程，所以，本模擬實驗很難驗證這一結(jié)論，更難模擬出溫室效應(yīng)。

三、實驗成果小結(jié)

1.學(xué)會客觀看待全球變暖問題

在日常生活中各種全球變暖的報道，很容易讓我們產(chǎn)生一種直觀、刻板的印象，即二氧化碳具有強(qiáng)烈的保溫作用，它是變暖的罪魁禍?zhǔn)住Ｍㄟ^實驗數(shù)據(jù)來看其實并不明顯，而且水汽、甲烷等也是主要的溫室氣體，但水汽、甲烷等其它溫室氣體因在大氣中的含量和濃度變化不大。而二氧化碳在大氣中的濃度變化，尤其是人類進(jìn)入工業(yè)文明階段，因燃燒大量的礦物燃料使該變化非常明顯，二氧化碳濃度呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。由于二氧化碳的溫室效應(yīng)引起全球變暖，水在0℃時會結(jié)冰，即0.1℃時水還是液態(tài)水，而-0.1℃時水則變成固態(tài)的冰，如此細(xì)微的溫度變化都將造成地表大量的固態(tài)冰雪會融化成液態(tài)的水，加之海水受熱膨脹，導(dǎo)致海平面上升，最終危及沿海國家和地區(qū)的安全，也因而引起人們的強(qiáng)烈關(guān)注和各國政府的高度重視。

2.加深對課本知識的理解

本次實驗雖然難以模擬真正的大氣層來探究大氣的溫室效應(yīng)，但通過實驗我們得出一些結(jié)論，在實驗過程中如何分析變量，如何控制變量非常重要。同時也從中發(fā)現(xiàn)一些問題，如在日常生活中，人們對溫室效應(yīng)與全球變暖的概念容易混淆不清，所謂大氣的溫室效應(yīng)是大氣層能吸收地面長波輻射，進(jìn)而通過大氣逆輻射又對地面起到保溫作用，如若沒有大氣層的溫室效應(yīng)，地球環(huán)境不可能變得像現(xiàn)在這般舒適。而全球變暖是一個全球性的環(huán)境問題，由于大氣中二氧化碳等溫室氣體的濃度不斷上升，產(chǎn)生的溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球氣候變暖，最終危及人類的生存。本次實驗提醒我們在日常生活中，應(yīng)盡量做到低碳生活、低碳出行。

3.求真求實是學(xué)習(xí)的基本態(tài)度

通過實驗方案的設(shè)計、操作、數(shù)據(jù)分析，以及多次實驗方案的調(diào)整和修改，結(jié)合所學(xué)的地理、物理、化學(xué)等知識，對實驗數(shù)據(jù)作出較為合理的推斷，這些都極大地促進(jìn)了我們理性的、綜合的思維養(yǎng)成，不僅加深了我們對相關(guān)知識的理解，也提高了我們實驗設(shè)計能力和實際動手能力，盡管有很多不足之處，但我們相信過程比結(jié)果更重要，這都將使我們終身受益。

（小組成員：汪嘉偉，徐佳俊，黃郁珺，丁文遠(yuǎn)/浙江省杭州市富陽區(qū)第二中學(xué) 311400）