温室效应模拟实验装置

阿斯娅·克里木,堀雅宏

(1.新疆师范大学化学化工学院,新疆乌鲁木齐830054;2.横浜国立大学教育人間科学部,日本横滨240-8501)

1 引 言

大气层的温室气体所导致的温室效应是全球性环境问题的典型例子之一.目前连小学生都知道温室效应是很重要的环境问题[1-2].但是在地球大气层中所发生的温室效应现象,其发生的原理对一般学生来说难以理解.在一些教辅书和期刊文献上已有研究人员设计的简单“温室效应模拟实验”[3-8],但这些实验没有在温室效应发生原理的基础上设计或有些技术问题没能妥善解决,而引起了学生和其他研究人员的质疑[9].为了使学生通过实验来验证、理解和掌握温室效应环境问题的发生原理,我们通过研究设计制作了温室效应模拟实验装置,就其实验方法进行了较深入的研究.

2 实 验

2.1 装置的制作

2.1.1 材料、配件及试剂

不锈钢板(厚度为1 mm),荧光灯(15 W,T8一体化超级光荧光灯,产地为广东佛山),透明亚克力板(3#,5#,8#,10#,15#,20#等,实际厚度为2～16 mm),白色亚克力板(3#),透明亚克力管(直径为8 mm,10 mm等),黑卡纸,苯板(聚苯乙烯板,厚度30 mm),数字温度计(SWJ-Ⅲ型,带2个探头,精确度为0.1℃,南京桑力电子设备厂生产),水泵(AP-2000L型,深州市希腾电器有限公司生产),软管,止水夹,定量加氟器(浙江省温岭市三金机电厂生产),冷媒阀门和加液管,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

实验装置共由4个部分组成,其结构和制作方法分述如下:

1)温室部分.用5#透明亚克力板制作成2个相同温室(325 mm×255 mm×310 mm),见图1.从温室的长边上下打2个小孔,小孔内分别固定直径为8 mm、长为50 mm的亚克力管,下面的孔为进气口,上面的孔为出气口.温室屋顶正中间打1个小孔,用作数字温度计探头的插入口.温室屋顶粘1层黑卡纸.

图1 温室示意图

2)底座和照明部分.底座用不锈钢材料制作,其长520 mm、宽 330 mm,前后高 80 mm、两侧高100 mm.两侧内有下沉10 mm、宽25 mm的L型槽.前后内侧中间位置槽上固定有长80 mm、宽25 mm的不锈钢L型铁块,其高度与两侧内L型槽一样高.底座下方固定3#白色亚克力板,亚克力板上面并排固定8支荧光灯.底座下面用不锈钢制成的25 mm×18 mm×18 mm的4个腿.底座和照明部分结构如图2所示.

图2 底座和照明部分示意图

3)隔热部分.隔热部分用透明亚克力板制作,叫隔热水槽.隔热水槽各部分大小尺度如图3所示,其下面为5#透明亚克力板,四边为10#透明亚克力板.上面分别由3片3#透明亚克力板制作,为了便于清洗留出了2个空隙.从前后各打2个小孔,孔内固定直径为10 mm的亚克力管,分别用作进水口和出水口.

图3 隔热水槽示意图

4)保温部分.保温部分用苯板(聚苯乙烯板,用于电器的内包装材料和房屋的保温材料)制作.苯板按适当大小切成备用.

装置各部分的组合:底座内的L型槽上面放置隔热水槽,水槽上面并排2个温室,温室的进气口和排气口要朝2个侧面,2个温室屋顶的小孔分别插入数字温度计的2个探头,用苯板把温室四周和屋顶包起来.组合后的装置正面图如图4所示.

图4 组合后的实验装置正面示意图

2.2 实验操作方法

1)把温室气体即罐装 HFC-134a通过冷媒阀门和加液管移入定量加氟器内备用.

2)温室的进气、排气口连接长约50 mm的软管,一个温室内通过定量加氟器注入一定量的温室气体HCF-134a,另一个温室内只有空气.2个温室的进气、排气口的软管用止水夹夹住.

3)隔热水槽前面的2个进水口分别连接长约300 mm的软管,用 Y型玻璃管合并这2个软管,再用适当长度的软管把 Y型玻璃管的另一端与抽水泵相连.水泵放入体积约为15 L的水桶内.隔热水槽后面的2个出水口分别连接适当长度的软管,软管的另一端也放进入水桶内.水桶内加入约8～10 L的水,再放入事先准备好的冰块,要使水桶水温始终保持2～3℃内.

4)启动水泵,使水桶内的水通过软管和水槽进水口进入隔热水槽中,再通过出水口返回水桶.

5)打开数字温度计开关,分别记录2个温室同一时刻的温度.

6)打开荧光灯开关,荧光灯开始照明,同时启动计时秒表.在一定时间间隔内分别记录2个温室温度的变化值.

7)荧光灯连续照明一定时间,在2个温室温度出现明显温差之后结束实验.

2.3 亚克力透光率的测定

将3#,5#,8#,10#,15#,20#等不同厚度的亚克力切成10 mm×30 mm的小块,使用UV-3300型紫外可见分光光度计分别测定波长为200～800 nm范围的透光率.

3 结果与讨论

3.1 亚克力的透光性

亚克力透光率的测定结果如图5所示.从图5可以知道,3#～20#的亚克力在波长为400～800 nm范围的透光率可达85%～90%;对于280～400 nm的紫外光具有半透性;在280 nm以下的紫外光完全被亚克力吸收.

图5 不同厚度亚克力板的紫外可见光谱图

3.2 温室效应模拟实验原理

荧光灯的辐射光谱与太阳光辐射的可见光区光谱相似,其主要辐射波长在400～700 nm范围.因此,装置底座内的荧光灯可当作模拟太阳;温室内装有温室气体,可当作模拟大气层;温室屋顶的黑色卡纸可吸收来自荧光灯的可见光,因此可当作模拟地面.当荧光灯照明时,光通过透明亚克力板和温室内气体层到达温室的屋顶,被黑色屋顶所吸收.屋顶吸收可见光后温度升高,同时辐射波长更长的红外光.红外光被温室内的温室气体所吸收变为热量而以热的形式被散发,就引起温室内温度的升高.但荧光灯照明时辐射光的同时,向周围环境散发热量.实验证明,荧光灯照明后灯管表面温度逐渐升高,经过约30 min后,灯管表面温度达到了50℃左右.如果不消除此热量的影响,使荧光灯直接照射温室,则如文献[9]指出的比热容小的气体温度升高得快.这显然不是温室效应的发生原理.因此,荧光灯和温室之间必须安装一个能够透光、又能消除荧光灯热量影响的隔热设施.隔热水槽就起到此作用.因为亚克力板和水是能透过可见光的,而水槽内不停循环的低温水则起到隔热作用.

3.3 天然大气的温室效应

2个温室内置换新鲜空气后,按上述实验步骤测定了荧光灯照射温室内空气时,2个温室温度的变化情况.当荧光灯照明时,经过40 min后2个温室的温度都升高了1.3℃.这是由天然大气成分所含的水蒸气、二氧化碳、甲烷等温室气体所导致的.

3.4 温室气体的选择

荧光灯只辐射可见光,其辐射强度比太阳辐射强度弱得多.因此,黑卡纸吸收来自荧光灯的可见光后所辐射红外光的强度也不会大,不能引起天然大气或纯二氧化碳温度的较大幅度的升高.所以,在该装置中二氧化碳不能作为与空气对比的温室气体,而只能选用对红外光的吸收能力较强的温室气体.CFC-12(二氯二氟甲烷)、HCFC-22(一氯二氟甲烷)、HFC-134a(四氟乙烷)等都属于 GW P值(全球变暖潜能值)较高的温室气体.将它们当作与空气对比的温室气体时,在经过30～40 min后都能引起了0.5～0.6℃的温差.其中 CFC-12和 HCFC-22等温室气体的ODP值(消耗臭氧层潜能值)较高,作为环境教育的模拟实验,更需要考虑装置对环境的影响.而HFC-134a的 GWP值为 0.29,具有无毒、不可燃、ODP值为零等特点,所以选用了 HFC-134a.

3.5 温室气体的温室效应

按上述实验步骤测定各温室内温度变化情况,其结果如图6所示.从图6可以看出,当荧光灯照明时,温室内温度升高.温室气体室的温度升高值高于空气室的温度升高值.在25～30 min内出现了0.5～0.6℃的温差,在1 h出现了约1℃的温差.这是由于 HFC-134a吸收红外光的强度大于天然大气中温室气体组分的吸收红外光强度的缘故.

图6 空气室和温室气体室温度的变化情况

3.6 影响温室温度的因素

实验装置中影响温室温度的因素有荧光灯的照射强度、照射时间,温室内温室气体的性质、浓度,循环水的温度,装置保温层的保温性能,等等.该装置中荧光灯的辐射强度可以认为保持恒定.从理论上讲,如果体系(温室箱)是绝热体系即温室和实验室空气和隔热水槽之间没有热交换,则体系的温度将会随照射时间持续升高.但由于装置保温层的保温性能不理想,温室和实验室空气之间有热交换存在;由于温室与隔热水槽直接接触,因此,温室与隔热水槽之间也有热交换,因此,温室温度升高速度将会变慢.作为该装置与空气对比的温室气体应该为对红外光的吸收强度较大,而其浓度越大实验现象越明显.因此,温室内注入温室气体时,开放其排气口,尽量使温室内的空气全部被温室气体所置换.为很好地起到隔热作用,循环水的温度要调低一些为好.

实验证明,平时温室温度与实验室温度达成平衡时,温室温度比室温低于1～2℃.随荧光灯的照射时间的延长,温室温度升高,但最多比室温高1～2℃.这里的2～4℃的温度变化值就是温室气体的温室效应引起的.还有低温循环水也会导致温室温度的降低,如果不照明荧光灯,而只循环低温水,则温室温度不断降低.只要照射荧光灯,温室温度就开始升高,这就正能说明温室效应现象.

4 结束语

依据温室效应的产生原理,设计制作了温室效应模拟实验装置.该装置具有使用方便、实验操作简单、实验现象明显等特点,能够较好地展示温室效应现象.众所周知,实验是理解抽象概念的最有效的方法,是激发学生学习兴趣的重要源泉,更是培养和发展学生思维能力和创新能力的重要方法和手段.通过实验直接观测“温室效应”现象,不仅有利于深化学生对自然现象的认识和理解,而且还能提高他们的环境保护意识.

[1] 阿斯娅·克里木,粟智,安尼瓦尔·买买提明.乌鲁木齐地区小学生环境意识调查比较研究[J].新疆师范大学学报(自然科学版),2003,23(4):31-35,38.

[2] 阿斯娅·克里木,米丽班.乌鲁木齐地区中学生环境意识调查比较研究[J].新疆师范大学学报(自然科学版),2004,23(1):43-47.

[3] 杨朝珍,张南荣.“温室效应”模拟实验[J].教学仪器与实验,2003(8):20-21.

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[5] 谭文生.温室效应模拟实验演示器[J].化学教育,2007(8):47.

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