“二氧化碳温室效应”模拟实验

高中地理必修1“大气的温室效应和保温作用”是学习的重难点，如今公众关注的全球变暖，基本归因为二氧化碳等温室气体的过度排放，导致温室效应和保温作用加剧。所谓的温室效应是指太阳短波辐射绝大部分能穿透大气层直接加热地面，而大气却能吸收几乎全部的地面长波辐射，并向地面发射长波辐射（称大气逆辐射），这种辐射具易进而不易失的效应，称温室效应，也称花房效应。大气中有此选择吸收能力的气体很多，如水汽、二氧化碳等能强烈吸收地面长波辐射，将热量储存于大气中，再通过大气逆辐射将热量还给地面，从而起到保温作用。然而，二氧化碳真的是温室气体吗？它是怎样产生温室效应的？产生的效应究竟有多强？这引起了我们的好奇和思考，想通过实验一探究竟。

一、实验方案设计

比热容是热力学中常用的一个物理量，用它表示物体吸热或散热能力。二氧化碳的比热容比空气小，在相同的热能条件下，温度升高或下降1℃或1K吸收或放出的二氧化碳要比空气少。假定二氧化碳是一种温室气体，它能吸收来自太阳和地面的长波辐射，将热量截留在大气中，然后通过大气逆辐射将热量归还给地面，从而起到保温作用。那么高浓度的二氧化碳气体与正常大气相比，在升温过程中，理应表现为温度较高;而在降温过程中，温度也应高于正常大气。

通过小组讨论分析，初步形成实验构想：想要证明二氧化碳是不是温室气体，能不能起到保温作用，首先要改变二氧化碳的浓度来进行对比实验，考虑在实验室制取，因化学反应本身伴随有吸热、放热等过程，这会对温度的精准测量产生干扰，所以无法在制取二氧化碳的实验过程中进行对比测量。即用2个玻璃瓶分别灌装空气和二氧化碳，在太阳光的照射下、取暖器的加热下，对比测量2个瓶内升温变化的差异，以及在阴凉处（无太阳光直接照射）对比测量2个瓶内降温变化的差异。具体实验方案设计如下。

（1）目标：验证二氧化碳是否是温室气体、模拟温室效应的产生。

（2）材料：1个500ml的空玻璃瓶、1瓶二氧化碳气体、2个带孔的瓶塞、3支传感温度计（多备几支以确保测量的起始温度相同）、1个计时器。

（3）实验过程：①将2个玻璃瓶都放置在有阳光直接照射的桌面上;②将空玻璃瓶加上瓶塞并插入温度传感器，标识为A，将充满二氧化碳的玻璃瓶加上瓶塞，插入温度传感器，标识为B，将第3支温度传感器裸露在外;③将3支传感温度计通过USB接口连接电脑，打开温度传感计专用软件，读取3支温度计的数值，确保其初始读数相同之后开始记录;④每隔4分钟记录一次数据。

在實验操作过程中，我们对该方案进行了多次调整与修改。第一次调整是因为考虑该实验所使用的是玻璃瓶，其介质的特性是短波（太阳辐射能）能穿透，而长波（取暖器辐射能）难以穿透，它仅能起到热传导加热的作用，所以设置太阳光和取暖器这两个对照组没有必要。同时，实验中采用的是500ml的玻璃瓶，瓶中二氧化碳气体的量太少，且二氧化碳的浓度不够纯，外界的干扰因素稍有变化，其温度的变化就非常明显。所以对实验方案进行修改，改用直径为2.3米的气球，分别用二氧化碳和空气将两气球充满，再进行升温与降温的测量对比。第二次方案调整是在降温的对比测量中，发现2个气体球在阴影下的降温过程，因起始温度不同，导致2个气球内的温度降低趋势是一致的，16分钟以后，二氧化碳气体球内的温度比空气球内的温度始终要高出1℃左右，而且随着时间的推移，该差值基本保持稳定，很难说明问题。故而对实验方案又作第二次调整与完善，即在相同环境下，起始温度相同的条件下，对2个气球再进行升温与降温的对比测量。

二、实验数据分析

根据修改完善后的实验方案，测得如图1所示数据。

在太阳光的照射下，开始后的每个4分钟时间段内，二氧化碳气体球升温比空气球快，温度高，即在容器、容积、光照、瓶外空气流动等因素相同的情况下，在相同的时间内，由于二氧化碳的比热容小于空气，导致二氧化碳气体瓶在吸收了相同的热量时，升温更高。但是，在二氧化碳气体球和空气球达到相同温度后，将它们放置在室内阴影下进行降温观测，发现二氧化碳气体球的温度略高于空气球的温度。根据比热容，理应二氧化碳气体球降温更快，温度更低，为什么测得的温度反而高？这样的实验数据并不能说明二氧化碳是温室气体，尤其是在降温过程中并没有体现出保温作用，也难以模拟“温室效应”，只能表明不同物质因比热容不同，而造成吸收或放出热量的多少存在差异。

我们邀请了物理、化学老师参与讨论，因为二氧化碳的比热容小于空气，所以当两个气球的温度值一样时，理论上此时空气球中所储存的总热量应大于二氧化碳气球。但因容积相同，而两个气体球内的密度不同，所以两个球中的气体质量不同，最终所储存的热量究竟存在多大差异就很难测算。我们推测，在降温过程中，二氧化碳因比热容较小，同样下降1℃时，比空气所释放出的热量少，再加上它所吸收的长波辐射能力比空气强（这正是本实验想验证的一个重点），结果显现为测得的温度较高，因球内所储存的热量存在差异，导致这一温度显示并不能说明二氧化碳就是一种温室气体。

不论是试剂瓶，还是换成直径2.3米的气球，都难以和地球巨厚的大气层相比较，只能说是一个粗略的实验模型。而温室气体能产生温室效应，是由于其本身具备吸收长波辐射（红外线）的能力，这一吸收能力是由其分子结构所决定的，温室气体因拥有偶极矩的红外活性分子，才具有吸收红外线、保存红外热能的能力。所以，要验证二氧化碳是不是温室气体，需要从它吸收红外线的多少和强弱来判定，而在这一模拟实验中，很难测得两个气球中所储存的热量有多大差异，也难测算两个气球获得的地面长波辐射（红外线）有多少。同时温室效应主要是通过大气逆辐射实现的，在实验过程中无法测算其中的热量传递及其过程，所以，本模拟实验很难验证这一结论，更难模拟出温室效应。

三、实验成果小结

1.学会客观看待全球变暖问题

在日常生活中各种全球变暖的报道，很容易让我们产生一种直观、刻板的印象，即二氧化碳具有强烈的保温作用，它是变暖的罪魁祸首。通过实验数据来看其实并不明显，而且水汽、甲烷等也是主要的温室气体，但水汽、甲烷等其它温室气体因在大气中的含量和浓度变化不大。而二氧化碳在大气中的浓度变化，尤其是人类进入工业文明阶段，因燃烧大量的矿物燃料使该变化非常明显，二氧化碳浓度呈现不断上升的趋势。由于二氧化碳的温室效应引起全球变暖，水在0℃时会结冰，即0.1℃时水还是液态水，而-0.1℃时水则变成固态的冰，如此细微的温度变化都将造成地表大量的固态冰雪会融化成液态的水，加之海水受热膨胀，导致海平面上升，最终危及沿海国家和地区的安全，也因而引起人们的强烈关注和各国政府的高度重视。

2.加深对课本知识的理解

本次实验虽然难以模拟真正的大气层来探究大气的温室效应，但通过实验我们得出一些结论，在实验过程中如何分析变量，如何控制变量非常重要。同时也从中发现一些问题，如在日常生活中，人们对温室效应与全球变暖的概念容易混淆不清，所谓大气的温室效应是大气层能吸收地面长波辐射，进而通过大气逆辐射又对地面起到保温作用，如若没有大气层的温室效应，地球环境不可能变得像现在这般舒适。而全球变暖是一个全球性的环境问题，由于大气中二氧化碳等温室气体的浓度不断上升，产生的温室效应导致全球气候变暖，最终危及人类的生存。本次实验提醒我们在日常生活中，应尽量做到低碳生活、低碳出行。

3.求真求实是学习的基本态度

通过实验方案的设计、操作、数据分析，以及多次实验方案的调整和修改，结合所学的地理、物理、化学等知识，对实验数据作出较为合理的推断，这些都极大地促进了我们理性的、综合的思维养成，不仅加深了我们对相关知识的理解，也提高了我们实验设计能力和实际动手能力，尽管有很多不足之处，但我们相信过程比结果更重要，这都将使我们终身受益。

（小组成员：汪嘉伟，徐佳俊，黄郁珺，丁文远/浙江省杭州市富阳区第二中学 311400）