模擬溫室效應(yīng)的一種演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

隨著人類(lèi)居住環(huán)境--地球不斷變暖，南、北極的冰川不斷融化，海平面逐漸上升。人類(lèi)對(duì)過(guò)量排放二氧化碳所導(dǎo)致的地球變暖現(xiàn)象越來(lái)越重視，已經(jīng)成為世界各國(guó)普遍關(guān)注的問(wèn)題。為了提高同學(xué)們的環(huán)保意識(shí)，有必要讓同學(xué)們認(rèn)識(shí)溫室效應(yīng)現(xiàn)象。為此我們?cè)O(shè)計(jì)一了個(gè)實(shí)驗(yàn)，其目的是使同學(xué)們對(duì)溫室效應(yīng)有一個(gè)比較直觀的認(rèn)識(shí)。下面簡(jiǎn)談一下溫室效應(yīng)，并對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)的演示實(shí)驗(yàn)做一介紹。

1 溫室效應(yīng)的有關(guān)概念

現(xiàn)今全球的地面平均溫度約為15℃?？墒?，如果沒(méi)有大氣，地球的地面平均溫度應(yīng)為零下23℃，（根據(jù)地球接受到的太陽(yáng)熱量和地球放出的熱量相等算出）。這38℃大體就是因?yàn)榈厍蛴写髿?，它像條被子一樣包住地球，造成溫室效應(yīng)之故。

世界上，宇宙中任何物體都輻射光波（包括可見(jiàn)的和不可見(jiàn)的），物體溫度越高，輻射的光波波長(zhǎng)越短。太陽(yáng)表面溫暖約6000K（開(kāi)爾文溫度），它發(fā)射的光波波長(zhǎng)很短，從0.2微米到4微米，其中大約有一半能量集中的0.35到0.7微米，是從紫到紅的可見(jiàn)光。短于0.35微米的稱(chēng)為紫外線，長(zhǎng)于0.7微米為紅外線，人眼都看不見(jiàn)。地面一方面接受太陽(yáng)短波輻射而增溫，同時(shí)也時(shí)時(shí)刻刻向外輻射光波。地球發(fā)射的光波波長(zhǎng)因?yàn)闇囟容^低而較長(zhǎng)，在4~100微米之間，稱(chēng)為地面長(zhǎng)波輻射或紅外輻射。短波輻射和長(zhǎng)波輻射在經(jīng)過(guò)地球大氣時(shí)遭遇是不同的：大氣對(duì)太陽(yáng)短波輻射幾乎是透明的，但卻強(qiáng)烈吸收地面長(zhǎng)波輻射。大氣在吸收地面長(zhǎng)波輻射的同時(shí)，它自己也向外輻射波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外輻射。其中向下到達(dá)地面的部分稱(chēng)為逆輻射。地面接受到逆輻射后就會(huì)升溫，或者說(shuō)大氣對(duì)地面起到了保溫作用。就是基于這種平衡，才使地面維持一定的溫度使我們?nèi)祟?lèi)能夠賴(lài)依生存，萬(wàn)物繁衍不斷，這就是大氣溫室效應(yīng)的原理。

地球大氣的這種保溫作用有些類(lèi)似于種植花卉的暖房頂上的玻璃（因此溫室效應(yīng)也稱(chēng)暖房效應(yīng)或花房效應(yīng)），因?yàn)椴Ａб灿型高^(guò)太陽(yáng)短波輻射和吸收地面紅外輻射的保溫功能，對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)紅外輻射卻表現(xiàn)為吸收，吸收后輻射出更長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外輻射，形成逆輻射。

基于以上原理，我們要在課室里演示溫室效應(yīng)，就要模仿一個(gè)類(lèi)似于太陽(yáng)光照射地球的環(huán)境來(lái)演示溫室效應(yīng)。為了提高實(shí)驗(yàn)的效率我們采用黑色塑料薄膜或膠袋充當(dāng)?shù)孛妫ㄋ鼛缀蹩梢园迅鞣N波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)化為紅外輻射，光轉(zhuǎn)為熱的效率比較高），用250W戴燈罩的白熾燈發(fā)出的光充當(dāng)太陽(yáng)光，在離玻璃杯比較近（15cm左右）時(shí)，其對(duì)玻璃燒杯輻照強(qiáng)度要比太陽(yáng)光強(qiáng)很多。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）準(zhǔn)備材料：1個(gè)1000ml透明的玻璃杯、2塊硬紙板、2支體溫表、透明膠、250W戴燈罩白熾燈、黑色塑料布或膠袋。

（2）實(shí)驗(yàn)步驟：如圖1將黑色膠袋平放在桌子上，玻璃杯倒扣其上，將2支溫度計(jì)用透明膠分別粘在硬紙板上；將其中的一支粘于玻璃杯內(nèi)，另外一支粘于玻璃杯外面，并相對(duì)放置，最初可讓水銀全部甩入水銀泡內(nèi)；用250W白熾燈照射，每過(guò)5分鐘觀測(cè)一下，記錄一下2支溫度計(jì)上的溫度，看有什么不同。

（3）原理說(shuō)明：放在玻璃杯中的那支溫度計(jì)的溫度在開(kāi)始時(shí)和外面的溫度計(jì)處于同一溫度環(huán)境中，但隔一段時(shí)間后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)處于燒杯內(nèi)溫度計(jì)水銀液面高度始終高于外面的溫度計(jì)，并且處于燒杯內(nèi)溫度計(jì)水銀液面在不斷上升，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后保持某一溫度（我們的實(shí)驗(yàn)是保持于41℃左右），而處于燒杯外面的溫度計(jì)液面高度幾乎沒(méi)有變化。這里的玻璃杯就相當(dāng)于地球表面的空間空氣（溫室氣體），熾熱的高溫?zé)艚z發(fā)出的高頻短光波通過(guò)玻璃（但也有一部分被反射，這一點(diǎn)和大氣有區(qū)別，大氣可以認(rèn)為全部通過(guò)），它對(duì)這些高頻短波光是透明的，在玻璃內(nèi)沒(méi)有能量積累，黑色膠袋吸收了各種波長(zhǎng)的光之后，輻射出紅外光線，然后玻璃吸收，通過(guò)輻射熱交換反射回來(lái)了更長(zhǎng)波長(zhǎng)的輻射熱，造成了燒杯內(nèi)氣體溫度升高，形成溫度效應(yīng)。但應(yīng)注意是如果用手摸一下燒杯，你并沒(méi)有感覺(jué)有太大的溫度變化和沒(méi)有用光照射前感覺(jué)差不多。它實(shí)際上完成的是輻射熱交換，在玻璃上并沒(méi)有太多的能量積累，類(lèi)似地球高空空氣長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)太陽(yáng)照射溫度幾乎沒(méi)有升高一樣，它的任務(wù)是輻射熱交換，相當(dāng)于地球保溫的一個(gè)屏障。

以上是室內(nèi)演示溫室效應(yīng)一個(gè)簡(jiǎn)介，雖然和真實(shí)的大氣溫室效應(yīng)在結(jié)構(gòu)模型上不盡相同，但也可以說(shuō)明溫室效應(yīng)的一些問(wèn)題，其優(yōu)點(diǎn)就是該實(shí)驗(yàn)可以在教室內(nèi)進(jìn)行，能夠使更多的同學(xué)直接感受實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并且取材容易。我想在這方面做些探索，以期起到拋磚引玉的作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)地理1（必修）.2004年.第1版.第8頁(yè)及第49頁(yè)至54頁(yè)。

［2］北京出版社出版.紀(jì)江紅主編：《中國(guó)學(xué)生宇宙學(xué)習(xí)百科》，2005年.第一版.第31頁(yè)。

(欄目編輯王柏廬)