溫室效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置

阿斯婭·克里木,堀雅宏

(1.新疆師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,新疆烏魯木齊830054;2.橫浜國(guó)立大學(xué)教育人間科學(xué)部,日本橫濱240-8501)

1 引 言

大氣層的溫室氣體所導(dǎo)致的溫室效應(yīng)是全球性環(huán)境問(wèn)題的典型例子之一.目前連小學(xué)生都知道溫室效應(yīng)是很重要的環(huán)境問(wèn)題[1-2].但是在地球大氣層中所發(fā)生的溫室效應(yīng)現(xiàn)象,其發(fā)生的原理對(duì)一般學(xué)生來(lái)說(shuō)難以理解.在一些教輔書(shū)和期刊文獻(xiàn)上已有研究人員設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單“溫室效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)”[3-8],但這些實(shí)驗(yàn)沒(méi)有在溫室效應(yīng)發(fā)生原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)或有些技術(shù)問(wèn)題沒(méi)能妥善解決,而引起了學(xué)生和其他研究人員的質(zhì)疑[9].為了使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證、理解和掌握溫室效應(yīng)環(huán)境問(wèn)題的發(fā)生原理,我們通過(guò)研究設(shè)計(jì)制作了溫室效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置,就其實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了較深入的研究.

2 實(shí) 驗(yàn)

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(jí)光熒光燈,產(chǎn)地為廣東佛山),透明亞克力板(3#,5#,8#,10#,15#,20#等,實(shí)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(shù)字溫度計(jì)(SWJ-Ⅲ型,帶2個(gè)探頭,精確度為0.1℃,南京桑力電子設(shè)備廠生產(chǎn)),水泵(AP-2000L型,深州市希騰電器有限公司生產(chǎn)),軟管,止水夾,定量加氟器(浙江省溫嶺市三金機(jī)電廠生產(chǎn)),冷媒閥門(mén)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(shí)驗(yàn)裝置共由4個(gè)部分組成,其結(jié)構(gòu)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(gè)相同溫室(325 mm×255 mm×310 mm),見(jiàn)圖1.從溫室的長(zhǎng)邊上下打2個(gè)小孔,小孔內(nèi)分別固定直徑為8 mm、長(zhǎng)為50 mm的亞克力管,下面的孔為進(jìn)氣口,上面的孔為出氣口.溫室屋頂正中間打1個(gè)小孔,用作數(shù)字溫度計(jì)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(zhǎng)520 mm、寬 330 mm,前后高 80 mm、兩側(cè)高100 mm.兩側(cè)內(nèi)有下沉10 mm、寬25 mm的L型槽.前后內(nèi)側(cè)中間位置槽上固定有長(zhǎng)80 mm、寬25 mm的不銹鋼L型鐵塊,其高度與兩側(cè)內(nèi)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(gè)腿.底座和照明部分結(jié)構(gòu)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(gè)空隙.從前后各打2個(gè)小孔,孔內(nèi)固定直徑為10 mm的亞克力管,分別用作進(jìn)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(nèi)包裝材料和房屋的保溫材料)制作.苯板按適當(dāng)大小切成備用.

裝置各部分的組合:底座內(nèi)的L型槽上面放置隔熱水槽,水槽上面并排2個(gè)溫室,溫室的進(jìn)氣口和排氣口要朝2個(gè)側(cè)面,2個(gè)溫室屋頂?shù)男】追謩e插入數(shù)字溫度計(jì)的2個(gè)探頭,用苯板把溫室四周和屋頂包起來(lái).組合后的裝置正面圖如圖4所示.

圖4 組合后的實(shí)驗(yàn)裝置正面示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)操作方法

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

2)溫室的進(jìn)氣、排氣口連接長(zhǎng)約50 mm的軟管,一個(gè)溫室內(nèi)通過(guò)定量加氟器注入一定量的溫室氣體HCF-134a,另一個(gè)溫室內(nèi)只有空氣.2個(gè)溫室的進(jìn)氣、排氣口的軟管用止水夾夾住.

3)隔熱水槽前面的2個(gè)進(jìn)水口分別連接長(zhǎng)約300 mm的軟管,用 Y型玻璃管合并這2個(gè)軟管,再用適當(dāng)長(zhǎng)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(nèi).隔熱水槽后面的2個(gè)出水口分別連接適當(dāng)長(zhǎng)度的軟管,軟管的另一端也放進(jìn)入水桶內(nèi).水桶內(nèi)加入約8～10 L的水,再放入事先準(zhǔn)備好的冰塊,要使水桶水溫始終保持2～3℃內(nèi).

4)啟動(dòng)水泵,使水桶內(nèi)的水通過(guò)軟管和水槽進(jìn)水口進(jìn)入隔熱水槽中,再通過(guò)出水口返回水桶.

5)打開(kāi)數(shù)字溫度計(jì)開(kāi)關(guān),分別記錄2個(gè)溫室同一時(shí)刻的溫度.

6)打開(kāi)熒光燈開(kāi)關(guān),熒光燈開(kāi)始照明,同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)秒表.在一定時(shí)間間隔內(nèi)分別記錄2個(gè)溫室溫度的變化值.

7)熒光燈連續(xù)照明一定時(shí)間,在2個(gè)溫室溫度出現(xiàn)明顯溫差之后結(jié)束實(shí)驗(yàn).

2.3 亞克力透光率的測(cè)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(jiàn)分光光度計(jì)分別測(cè)定波長(zhǎng)為200～800 nm范圍的透光率.

3 結(jié)果與討論

3.1 亞克力的透光性

亞克力透光率的測(cè)定結(jié)果如圖5所示.從圖5可以知道,3#～20#的亞克力在波長(zhǎng)為400～800 nm范圍的透光率可達(dá)85%～90%;對(duì)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(jiàn)光譜圖

3.2 溫室效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)原理

熒光燈的輻射光譜與太陽(yáng)光輻射的可見(jiàn)光區(qū)光譜相似,其主要輻射波長(zhǎng)在400～700 nm范圍.因此,裝置底座內(nèi)的熒光燈可當(dāng)作模擬太陽(yáng);溫室內(nèi)裝有溫室氣體,可當(dāng)作模擬大氣層;溫室屋頂?shù)暮谏埧晌諄?lái)自熒光燈的可見(jiàn)光,因此可當(dāng)作模擬地面.當(dāng)熒光燈照明時(shí),光通過(guò)透明亞克力板和溫室內(nèi)氣體層到達(dá)溫室的屋頂,被黑色屋頂所吸收.屋頂吸收可見(jiàn)光后溫度升高,同時(shí)輻射波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外光.紅外光被溫室內(nèi)的溫室氣體所吸收變?yōu)闊崃慷詿岬男问奖簧l(fā),就引起溫室內(nèi)溫度的升高.但熒光燈照明時(shí)輻射光的同時(shí),向周?chē)h(huán)境散發(fā)熱量.實(shí)驗(yàn)證明,熒光燈照明后燈管表面溫度逐漸升高,經(jīng)過(guò)約30 min后,燈管表面溫度達(dá)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(xiàn)[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(yīng)的發(fā)生原理.因此,熒光燈和溫室之間必須安裝一個(gè)能夠透光、又能消除熒光燈熱量影響的隔熱設(shè)施.隔熱水槽就起到此作用.因?yàn)閬喛肆Π搴退悄芡高^(guò)可見(jiàn)光的,而水槽內(nèi)不停循環(huán)的低溫水則起到隔熱作用.

3.3 天然大氣的溫室效應(yīng)

2個(gè)溫室內(nèi)置換新鮮空氣后,按上述實(shí)驗(yàn)步驟測(cè)定了熒光燈照射溫室內(nèi)空氣時(shí),2個(gè)溫室溫度的變化情況.當(dāng)熒光燈照明時(shí),經(jīng)過(guò)40 min后2個(gè)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(dǎo)致的.

3.4 溫室氣體的選擇

熒光燈只輻射可見(jiàn)光,其輻射強(qiáng)度比太陽(yáng)輻射強(qiáng)度弱得多.因此,黑卡紙吸收來(lái)自熒光燈的可見(jiàn)光后所輻射紅外光的強(qiáng)度也不會(huì)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(duì)比的溫室氣體,而只能選用對(duì)紅外光的吸收能力較強(qiáng)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(dāng)作與空氣對(duì)比的溫室氣體時(shí),在經(jīng)過(guò)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(huán)境教育的模擬實(shí)驗(yàn),更需要考慮裝置對(duì)環(huán)境的影響.而HFC-134a的 GWP值為 0.29,具有無(wú)毒、不可燃、ODP值為零等特點(diǎn),所以選用了 HFC-134a.

3.5 溫室氣體的溫室效應(yīng)

按上述實(shí)驗(yàn)步驟測(cè)定各溫室內(nèi)溫度變化情況,其結(jié)果如圖6所示.從圖6可以看出,當(dāng)熒光燈照明時(shí),溫室內(nèi)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(nèi)出現(xiàn)了0.5～0.6℃的溫差,在1 h出現(xiàn)了約1℃的溫差.這是由于 HFC-134a吸收紅外光的強(qiáng)度大于天然大氣中溫室氣體組分的吸收紅外光強(qiáng)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(shí)驗(yàn)裝置中影響溫室溫度的因素有熒光燈的照射強(qiáng)度、照射時(shí)間,溫室內(nèi)溫室氣體的性質(zhì)、濃度,循環(huán)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(qiáng)度可以認(rèn)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(shí)驗(yàn)室空氣和隔熱水槽之間沒(méi)有熱交換,則體系的溫度將會(huì)隨照射時(shí)間持續(xù)升高.但由于裝置保溫層的保溫性能不理想,溫室和實(shí)驗(yàn)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(huì)變慢.作為該裝置與空氣對(duì)比的溫室氣體應(yīng)該為對(duì)紅外光的吸收強(qiáng)度較大,而其濃度越大實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象越明顯.因此,溫室內(nèi)注入溫室氣體時(shí),開(kāi)放其排氣口,盡量使溫室內(nèi)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(huán)水的溫度要調(diào)低一些為好.

實(shí)驗(yàn)證明,平時(shí)溫室溫度與實(shí)驗(yàn)室溫度達(dá)成平衡時(shí),溫室溫度比室溫低于1～2℃.隨熒光燈的照射時(shí)間的延長(zhǎng),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(yīng)引起的.還有低溫循環(huán)水也會(huì)導(dǎo)致溫室溫度的降低,如果不照明熒光燈,而只循環(huán)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(kāi)始升高,這就正能說(shuō)明溫室效應(yīng)現(xiàn)象.

4 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)溫室效應(yīng)的產(chǎn)生原理,設(shè)計(jì)制作了溫室效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置.該裝置具有使用方便、實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯等特點(diǎn),能夠較好地展示溫室效應(yīng)現(xiàn)象.眾所周知,實(shí)驗(yàn)是理解抽象概念的最有效的方法,是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的重要源泉,更是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生思維能力和創(chuàng)新能力的重要方法和手段.通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接觀測(cè)“溫室效應(yīng)”現(xiàn)象,不僅有利于深化學(xué)生對(duì)自然現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和理解,而且還能提高他們的環(huán)境保護(hù)意識(shí).

[1] 阿斯婭·克里木,粟智,安尼瓦爾·買(mǎi)買(mǎi)提明.烏魯木齊地區(qū)小學(xué)生環(huán)境意識(shí)調(diào)查比較研究[J].新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,23(4):31-35,38.

[2] 阿斯婭·克里木,米麗班.烏魯木齊地區(qū)中學(xué)生環(huán)境意識(shí)調(diào)查比較研究[J].新疆師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,23(1):43-47.

[3] 楊朝珍,張南榮.“溫室效應(yīng)”模擬實(shí)驗(yàn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn),2003(8):20-21.

[4] 威華.“溫室效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)二則[J].中學(xué)地理教學(xué)參考,2005(1/2):113.

[5] 譚文生.溫室效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)演示器[J].化學(xué)教育,2007(8):47.

[6] 薛花亮.模擬溫室效應(yīng)的一種演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討,2007,25(11):55-56.

[7] 陸斌.溫室氣體對(duì)氣溫影響的模擬實(shí)驗(yàn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn),2006,22(2):23.

[8] 森幸一.溫室効果気體の働きを理解するための教具の工夫[J].化學(xué)と教育,2003,51(11):698-699.

[9] 陳錦.對(duì)溫室效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)的商榷[J].化學(xué)教育,2008(10):61-62.