模擬溫室效應的一種演示實驗設計

隨著人類居住環境--地球不斷變暖，南、北極的冰川不斷融化，海平面逐漸上升。人類對過量排放二氧化碳所導致的地球變暖現象越來越重視，已經成為世界各國普遍關注的問題。為了提高同學們的環保意識，有必要讓同學們認識溫室效應現象。為此我們設計一了個實驗，其目的是使同學們對溫室效應有一個比較直觀的認識。下面簡談一下溫室效應，并對我們設計的演示實驗做一介紹。

1 溫室效應的有關概念

現今全球的地面平均溫度約為15℃。可是，如果沒有大氣，地球的地面平均溫度應為零下23℃，（根據地球接受到的太陽熱量和地球放出的熱量相等算出）。這38℃大體就是因為地球有大氣，它像條被子一樣包住地球，造成溫室效應之故。

世界上，宇宙中任何物體都輻射光波（包括可見的和不可見的），物體溫度越高，輻射的光波波長越短。太陽表面溫暖約6000K（開爾文溫度），它發射的光波波長很短，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，是從紫到紅的可見光。短于0.35微米的稱為紫外線，長于0.7微米為紅外線，人眼都看不見。地面一方面接受太陽短波輻射而增溫，同時也時時刻刻向外輻射光波。地球發射的光波波長因為溫度較低而較長，在4~100微米之間，稱為地面長波輻射或紅外輻射。短波輻射和長波輻射在經過地球大氣時遭遇是不同的：大氣對太陽短波輻射幾乎是透明的，但卻強烈吸收地面長波輻射。大氣在吸收地面長波輻射的同時，它自己也向外輻射波長更長的紅外輻射。其中向下到達地面的部分稱為逆輻射。地面接受到逆輻射后就會升溫，或者說大氣對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人類能夠賴依生存，萬物繁衍不斷，這就是大氣溫室效應的原理。

地球大氣的這種保溫作用有些類似于種植花卉的暖房頂上的玻璃（因此溫室效應也稱暖房效應或花房效應），因為玻璃也有透過太陽短波輻射和吸收地面紅外輻射的保溫功能，對波長較長紅外輻射卻表現為吸收，吸收后輻射出更長波長的紅外輻射，形成逆輻射。

基于以上原理，我們要在課室里演示溫室效應，就要模仿一個類似于太陽光照射地球的環境來演示溫室效應。為了提高實驗的效率我們采用黑色塑料薄膜或膠袋充當地面（它幾乎可以把各種波長的光轉化為紅外輻射，光轉為熱的效率比較高），用250W戴燈罩的白熾燈發出的光充當太陽光，在離玻璃杯比較近（15cm左右）時，其對玻璃燒杯輻照強度要比太陽光強很多。

2 實驗過程

（1）準備材料：1個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）實驗步驟：如圖1將黑色膠袋平放在桌子上，玻璃杯倒扣其上，將2支溫度計用透明膠分別粘在硬紙板上；將其中的一支粘于玻璃杯內，另外一支粘于玻璃杯外面，并相對放置，最初可讓水銀全部甩入水銀泡內；用250W白熾燈照射，每過5分鐘觀測一下，記錄一下2支溫度計上的溫度，看有什么不同。

（3）原理說明：放在玻璃杯中的那支溫度計的溫度在開始時和外面的溫度計處于同一溫度環境中，但隔一段時間后，就會發現處于燒杯內溫度計水銀液面高度始終高于外面的溫度計，并且處于燒杯內溫度計水銀液面在不斷上升，經過一段時間后保持某一溫度（我們的實驗是保持于41℃左右），而處于燒杯外面的溫度計液面高度幾乎沒有變化。這里的玻璃杯就相當于地球表面的空間空氣（溫室氣體），熾熱的高溫燈絲發出的高頻短光波通過玻璃（但也有一部分被反射，這一點和大氣有區別，大氣可以認為全部通過），它對這些高頻短波光是透明的，在玻璃內沒有能量積累，黑色膠袋吸收了各種波長的光之后，輻射出紅外光線，然后玻璃吸收，通過輻射熱交換反射回來了更長波長的輻射熱，造成了燒杯內氣體溫度升高，形成溫度效應。但應注意是如果用手摸一下燒杯，你并沒有感覺有太大的溫度變化和沒有用光照射前感覺差不多。它實際上完成的是輻射熱交換，在玻璃上并沒有太多的能量積累，類似地球高空空氣長時間經太陽照射溫度幾乎沒有升高一樣，它的任務是輻射熱交換，相當于地球保溫的一個屏障。

以上是室內演示溫室效應一個簡介，雖然和真實的大氣溫室效應在結構模型上不盡相同，但也可以說明溫室效應的一些問題，其優點就是該實驗可以在教室內進行，能夠使更多的同學直接感受實驗過程，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：

［1］人教版普通高中課程標準實驗教科書地理1（必修）.2004年.第1版.第8頁及第49頁至54頁。

［2］北京出版社出版.紀江紅主編：《中國學生宇宙學習百科》，2005年.第一版.第31頁。

(欄目編輯王柏廬)