利用手持技术探究影响大气

利用手持技术探究影响大气“温室效应”的因素
摘要：利用手持技术仪器探究：在接受相同的太阳光照射和地面辐射下，空气中N2，仇和CO2
温度变化情况：红外灯照射下空气和CO2的温度变化情况；在相同太阳光照射和地面辐射下，含有不同浓度的CO2的大气气温变化情况。

从而比较它们的温室效应强度。

关键词：手持技术；温度传感器；温室效应；二氧化碳
大气主要是由N2、O2，以及少量稀有气体、水蒸气、CO2等组成，它们会不同程度地吸收太阳光辐射及地面长波辐射而升温，造成大气温室效应。

大气的各成分吸收热量的能力不同，因而温室效应的强度与大气各成分含量有关，大气气温随各成分含量的变化而变化。

手持技术是由数据采集器和传感器及其软件组成的，采用的CO2传感器是一种基于红外吸收原理的传感器，它通过测量红外线的吸收率来确定CO2的浓度。

具有定量、便携、实时、准确、直观、综合性强等特点。

实验采用手持技术仪器，从中小学科学探究的角度探究N2。

仇和CO2及空气的温室效应强度，以及不同浓度的CO2对大气温室效应强度的影响。

1实验部分
1．1仪器和药品
实验仪器：数据采集器1个；TT051温度传感器4根；带胶塞的导管2根；启普发生器1个；50mL的注射器1个；大试管1根；水槽1个；红外灯1盏。

实验药品：液氮、高锰酸钾、大理石、盐酸。

1．2实验步骤与结果分析
1．2．1校正实验
在同一温度环境下，把4个温度传感器放入同一杯自来水中测试它们的灵敏度和温度偏差值。

实验所用到的4根温度传感器没有偏差，可以不需要校准数据而直接作图分析。

1．2．2太阳光照射下N2、O2、CO2及空气温室效应强度的比较
用500ml玻璃瓶取液氮瓶的N2并用排水法收集：加热高锰酸钾并用同体积的玻璃瓶收集CO2(排水法)；在启普发生器中加入大理石和盐酸并用同体积的玻璃瓶收集CO2(排水法)；另取一同体积的干净玻璃瓶打开塞子后塞上胶塞装满一瓶空气。

将玻璃瓶的塞子边缘和小孔上涂上凡士林，以防漏气造成温度误差。

将4瓶气体放在室外的太阳光下，在互相不遮住太阳光的条件下尽量使玻璃瓶靠近以保证地表性质和光照条件相同。

分别将四根温度传感器穿过塞子中间的小孔插入玻璃瓶。

实验装置如图1。

打开数据采集器，连接好装置，设置数据采集器的采集频率1/l0s，共采集1000个数据。

每30min 观察和记录各温度传感器的温度值。

结果见表1及图1。

由表1可以看出在相同的太阳光照射和地面辐射的自然条件下，平均温度高低顺序为：CO2>空气>N2> O2。

由图2可以看出在绝大部分时候4种气体的温度高低顺序是：CO2>空气>N2> O2。

由此表
明：N2和O2对大气的温室效应的影响不大，CO2是影响温室效应的主要气体之一。

从图2还可以看到，实验开始时温室效应强度的区别不明显，因为接受太阳光照射和地面辐射的时间短。

随着太阳光照射和地面辐射时间的增加，4种气体的温度直线上升，温室效应强度开始有明显的区别。

CO2的温度与其它3种气体在12:30-1:30时间段内差异最明显。

这是因为：
分子发生偶极矩变化(△u不等于0)的振动时才能引起可观测的红外吸收光谱，该分子称为红外活性的；△u等于0的分子振动不能产生红外振动吸收，称为非红外活性的。

CO2在振动的过程中产生极性偶极矩，它的4种振动如图2所示
图3中的振动除了对称伸缩不会改变偶极矩，是非红外活性的，其它振动都能产生红外振动吸
收，各振动的特征频率是由Raman光谱测得的。

地球的平均温度约为15摄氏度。

在这样的温度下，辐射是以波长约10微米的红外线来辐射的，CO2的分子特征振动频率与地面辐射的波长刚好吻合，可以吸收表层和下层热辐射，阻挡热辐射从地表消散到空间，从而加速地表温度不断升高。

N2、O2、C12是同核双原子分子，没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性，对地面长波辐射吸收不明显。

此外，有研究表明CO2对太阳短波辐射吸收强度不大，而对红外长波辐射的吸收强度很大。

在约中午12点时太阳光照射强度最大，约下午1点地面辐射最强，因而在1点时CO2的温度升高最快。

1.2.3室内红外灯照射下CO2及空气的温室效应强度的比较
为进一步探究CO2对红外光吸收是否比空气强烈，比较在室内红外灯照射条件下CO2
及空气的温室效应强度。

将收集好的CO2和空气的瓶子放在实验室的红外灯下实验。

实验中要注意保证两个
瓶子的位置光照强度相同，使两个瓶子接受相同的热量辐射。

打开数据采集器，设置数据采集模式为1/l0s。

共采集200个数据。

每30min观察
一次温度值。

结果
由表2可以看出，在室内红外灯照射30min的条件下CO2的平均温度明显高于空气。

由图4看出开始时温室效应作用的区别不明显，同样因为接受红外光照射的时间太短。

随着实验时间的推移，两种气体的温度不断升高，5min以后温度开始有明显区别。

两种气体的温度变化趋势也是：在红外灯照射条件下，CO2的温度都是高于空气的。

2结论
①在太阳光照射和地面辐射的自然条件下比较N2、O2和CO2的温室效应强度，CO2对大气的温室效应强度的贡献最大。

②在室内红外灯照射条件下，CO2的温室效应比空气的要强，而且CO2对红外长波辐射的吸收比可见光强。

③ CO2的排放量增大是造成地球温室效应的重要原因。

大气的CO2含量越大，大气吸收的红外辐射热量越多，地球的平均温度越高。

④应用手持技术仪器做实验，能将难理解的科学概念“温室效应”直观化，有助于中学生理解。