温室气体温室效应的实验探究

刘天飞 曹开奉 王伟群

摘要：已有的教材和期刊上设计的“温室效应模拟实验”或没有在温室效应发生原理的基础上设计，或实验的结果不太理想，或有些技术问题没能妥善解决。在室内用红外灯照射，数据用温度传感器来采集，采用这样的设计制作温室效应模拟实验装置进行探究实验， 能够避免天气、气温等无关变量的干扰，有利于学生理解和掌握温室效应环境问题的发生原理。

关键词：温室气体；温室效应；实验探究

文章编号：1008-0546（2016）05-0078-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.05.031

一、引言

1824年，法国科学家傅里叶发现大气层能够捕捉长波辐射，从地球表面辐射出去的热量被大气层捕捉后，温暖了地球而不是被反射回太空去了。这一现象被后来的科学家称为“温室效应”。“自然温室效应”是使地球适合人类和动植物生存的重要条件，但增强的温室效应是目前全球性环境问题之一。从上个世纪五十年代开始，科学家们认为这种温室效应是由于人类的活动所产生的二氧化碳等温室气体增多所导致的，而不断升高的地球表面温度，以及它对地球的生态系统可能形成的巨大危险，使得温室效应成为重要的环境教育内容。

要使学生更好地理解温室效应是与人类的活动直接相关，自觉养成绿色生活方式，让学生理解温室效应发生的原理是必要的。一些教材和期刊文献上已有设计的“温室效应模拟实验”，第一类模拟实验是根据温室效应的结果设计的，如用塑料瓶或烧杯倒扣在盛有土壤或黑色卡纸的盘中，通过观测并记录这个“微型温室”内外温度的差异以说明温室的存在 [1-2]。第二类实验是以证明二氧化碳是温室气体为目标而设计，通常是通过一瓶空气和一瓶二氧化碳放在阳光下或白炽灯下照射，观测并记录两种气体中温度计的差异以说明二氧化碳是温室气体[3，5]但这些实验或没有在温室效应发生原理的基础上设计，或实验的结果不太理想，或有些技术问题没能妥善解决，也有一些质疑和商榷文章[6]。

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， 我们通过研究温室气体产生温室效应的原理，设计制作了温室效应模拟实验装置， 就其实验方法和结果进行了较深入的研究。

二、温室气体产生温室效应的原理

联合国《气候变化框架公约》把“大气中吸收和重新释放红外辐射的自然和人为的气体成分”称为温室气体[7]。大气中最主要的温室气体是二氧化碳和水蒸气， 也还有其它含量较少的气体。它们在大气中的含量及每年的增长率如表1所示[8]：

温室气体产生温室效应的原因是由于它们能让太阳短波辐射自由通过射入地面，而地面增暖后放出的长波辐射却能被它们强烈吸收，导致大气变暖。通常透射到大气中的长波辐射约有70～90% 在7000～13000nm范围，属于红外辐射，是一种能量流。温室气体是具有红外吸收活性的，吸收的红外辐射线的谱带范围为7000～18000nm，这种红外吸收可以使温室气体分子发生振动或转动，能量的一部分变成热能，导致温度升高。

分子能否吸收红外线与分子结构有关。若分子是极性分子或有极性键，则可发生有偶极矩发生变化的振动，这样能引起可观测的红外吸收光谱。若分子为非极性键形成的非极性分子，偶极矩为零，则分子振动不能产生红外吸收。

三、温室气体温室效应实验的探究

1. 实验气体的选择和制备

常见的温室效应模拟实验是比较二氧化碳和空气在阳光或白炽灯下升温的快慢。为了更全面地验证温室气体的温室效应原理，我们还选取了甲烷、二氧化硫和氢气做实验，其中甲烷和二氧化硫是大气中存在的温室气体，氢气虽不是温室气体，选择的理由是2008年第10期《化学教育》陈锦的文章认为大多文献实验的温室效应结果不是由温室气体产生的，而是与这些气体的热传递有关，选择氢气作为实验气体是因为氢气的比热与其他气体有显著差异（如表2所示），若上述理由成立，实验中氢气的升温应该明显比较低。

实验气体通过化学方法制备：石灰石与稀盐酸反应制备二氧化碳，亚硫酸钠与浓硫酸反应制备二氧化硫，醋酸钠与碱石灰加热制备甲烷，锌与稀硫酸反应制备氢气，由于水蒸气是温室气体，为防止其影响实验结果，所有收集的气体都通过浓硫酸进行洗涤后收集。集气瓶底部放置了一张黑色的纸，模拟和增强大地对红外线的吸收。

2. 实验方法和过程

（1）室外实验，光源为太阳光，水银温度计测量

收集CO2、SO2、H2各一瓶，用一瓶空气作为对照进行如图1的实验。从11：20分开始实验，因为这是一天中太阳辐射最强烈的时段，每5分钟记录一次温度计读数，45分钟后，数据的变化极其缓慢。50分钟的数据观测记录如表3所示：

从这组数据可以看出，50分钟后，四组气体的温度都升高了，空气的温差为7.8℃， SO2为8.3℃， CO2为11.8℃，H2为5.9℃。其中CO2、SO2升温较快，体现温室效应， H2升温最慢，但与空气的差异不大。

该实验仪器和方法都比较简单，但最大的问题是多次实验的重复性差，有时甚至数据与上面的结果是相反的，分析可能的原因有：①不同的温度计本身就存在着误差，很难找到初始温度相同的温度计。②不同时间段温度变化的差值本身小，用肉眼读数时存在着的误差相对较大。③读数受环境的影响很大，有时一片云彩遮住阳光，数据就会发生变化。

（2）室外实验，光源为太阳光，温度传感器测量

为了避免温度计之间以及读数时的误差，笔者用温度传感器代替了温度计进行实验，如图2所示。考虑到实验教学的可行性，改进后的实验按照时间的先后顺序分成两组进行，第一组为空气和CO2，12点左右开始实验。第二组为SO2和H2，下午1点左右开始实验。实验结果如图3：

从图中可以看出，第一组中CO2的升温速度略高于空气，第二组中SO2的升温速度明显高于H2，但差异不大。相对于水银温度计，温度传感器显示出的结果更一目了然。但是也存在着一些问题：①由于仪器敏感度的提高，测量的精确度变好，测量的时间不同，环境的影响更明显。如上图中第二组测量时间较晚，阳光开始变弱，外界环境的气温有所变化，对结果有影响。②虽然从图中可以看出不同气体的一些差异，但并不是非常明显，受到外界气温的影响依然很大。

（3）室内实验，光源为红外灯，温度传感器测量

为了克服天气和环境对实验结果的较大影响，更方便学生在课堂中实验，且考虑到温室效应过程中主要吸收是长波红外光，我们用红外灯代替太阳作为光源，在室内进行实验。实验装置如图4所示。

开始时为节省时间，采用两个温度传感器同时测量，但结果发现在红外灯的不同位置、开灯时间不同，温度变化也不同。最后我们先开灯，待温度稳定后，用单个传感器，把集气瓶放在红外灯的同一位置分别测量。同时待温度升高到有明显差异后，撤去光源，让其自然冷却，实验结果如图5：

从实验结果曲线中可以看出，升温速度由快到慢依次是甲烷、二氧化碳、氢气、空气，冷却速度由快到慢依次是空气、氢气、甲烷、二氧化碳。由此可见二氧化碳、甲烷有较明显的温室效应。氢气没有明显的温室效应，温度的升降与空气略有差异，但没有显著差异。

这个实验也说明，实验过程中温度的升高与热传递有关，温度的差异并非由热传递决定，否则氢气温度的变化应该与其他气体有显著差异。可见光照在该实验中起到了决定的作用。

四、结语

温室气体的温室效应实验可以通过实验验证。但实验气体、仪器、方法都需要慎重选择，还要考虑其他方面的影响：

1. 实验影响因素复杂，要尽可能控制条件的一致性

在实验的探究过程中，温室效应模拟实验受到多重因素的共同影响。包括光线的类型和光的强弱，环境温度的高低，放置的位置等。若想使实验现象更明显，结论更具有说服力，应当采取单一变量的方法，尽量控制其他无关变量的一致性。

2. 大气中气体成分和变化复杂，一种气体是否是温室气体要多角度考虑

真实的环境一种气体够不够格当温室气体，除了考虑它是否具有较强吸收红外光的能力外，还应考虑它在大气中的含量和持续的时间。CO2成为人们最为关注的温室气体的原因除了它吸收红外射线的能谱范围在12500-17000nm外，它在空气中的含量相对较高，平均寿命很长，达200年左右。

3. 真实大气温度变化复杂，温室效应产生的原因仍在探索中

采用模型模拟温室效应虽然具有一定的合理性，但是和真实的环境还存在很大的差异。有科学家提出大气温度的持续升高可能的原因是多重的，如地热的影响。也有科学家发现在距今42万年内，地球一共有过四个高温期，其中距今33万年和13万年左右的两个高温期的平均气温明显高于近一万年来的高温期的平均气温。这一发现有力的挑战了“温室效应”理论关于地球气温升高缘于人类和工业活动的观点[9]。

当然温室气体的温室效应实验的探索还是有价值的，这毕竟为学生提供了一条验证温室效应理论的途径，使学生体验科学探究的过程。

参考文献

[1] 薛花亮.模拟温室效应的一种演示实验设计[J]. 物理教学探究，2007，（11）：55-56

[2] 盛华.“温室效应”实验二则 [J]. 中学地理教学参考，2005，1-2

[3] 陆斌.温室气体对气体影响的模拟实验[J].教学仪器与实验，2006，（02）

[4] 谭文生.温室效应模拟实验演示器[J].化学教育，2007，（08）

[5] 全海松，杨士军.用实验证明二氧化碳是一种温室气体[J]. 中学地理教学参考，2005，（09）

[6] 陈锦.对温室效应模拟实验的商榷[J].化学教育，2008，（10）

[7] 戴君虎，晏磊，温室效应及全球变暖研究简介[J].世界环境，2001，（04）：18-21

[8] 何奕工.温室效应气体[J].世界环境，1988，（01）

[9] 高登义.地球有过四个高温期，全球变暖并非温室效应[J].生态经济，2004，（05）