劉仕琪 金廣禹 潘劭平 馬 騰 劉宇曼 盧 涵 陳佑寧

指導(dǎo)教師：陳式如

（江蘇省蘇州中學(xué)園區(qū)校, 江蘇 蘇州 215000）

水蒸汽對(duì)氣候變暖影響的實(shí)驗(yàn)報(bào)告**

劉仕琪 金廣禹 潘劭平 馬 騰 劉宇曼 盧 涵 陳佑寧

指導(dǎo)教師：陳式如

（江蘇省蘇州中學(xué)園區(qū)校, 江蘇 蘇州 215000）

通過(guò)四次定性對(duì)比實(shí)驗(yàn)、一次模擬光源定量實(shí)驗(yàn)，對(duì)水蒸汽的吸熱作用、溫室效應(yīng)進(jìn)行了研究，用Excel軟件將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制作成實(shí)時(shí)溫度變化曲線圖，直觀顯示實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明：在相同輻射條件下的密閉容器中，溫度的上升與水蒸汽含量正相關(guān)；升溫過(guò)程中，水蒸汽越多，越晚到達(dá)平衡溫度，且平衡溫度越高；不論在升溫還是降溫過(guò)程中，水蒸汽越多溫度越高。

水蒸汽 ；全球變暖；溫室效應(yīng)；模擬實(shí)驗(yàn)；二氧化碳

一、課題的提出

全球氣候變暖，大多數(shù)人把矛頭指向了二氧化碳。在影片《難以忽視的真相》中，我們了解到65萬(wàn)年來(lái)全球平均氣溫波動(dòng)與大氣中二氧化碳含量變化有明顯的相關(guān)性，二氧化碳的增加使溫室效應(yīng)加強(qiáng)，促使全球變暖；影片《全球變暖的大騙局》則推翻了這個(gè)結(jié)論，指出水蒸汽是主要的溫室氣體。

經(jīng)過(guò)相關(guān)的討論，我們猜想水蒸汽增多會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)溫室效應(yīng)，在當(dāng)前備受關(guān)注的全球變暖過(guò)程中，水蒸汽有著不可忽視的作用。因此，我們決定設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)研究水蒸汽的溫室效應(yīng)，驗(yàn)證我們的猜想。

二、第一階段：定性實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

(1)實(shí)驗(yàn)原理

為了判斷水蒸汽的溫室效應(yīng)，我們采用3個(gè)密閉容器作為三個(gè)對(duì)照組[1]，分別使用化學(xué)藥品除去部分水蒸汽和二氧化碳，置于陽(yáng)光下，與地面接觸，吸收地面輻射，根據(jù)升溫情況，來(lái)大致判斷出水蒸汽對(duì)氣候變暖的影響。

(2)器材準(zhǔn)備

為了減小太陽(yáng)照射角的影響，采用圓柱形容器。購(gòu)買3個(gè)大礦泉水瓶（體積4.5升），去掉上部做成圓筒狀容器，用保鮮膜密封。

1號(hào)容器：加入硅膠，去除部分水；測(cè)定相對(duì)濕度，用Antoine公式和理想氣體方程將相對(duì)濕度轉(zhuǎn)化為絕對(duì)濕度，獲得水蒸汽含量。

2號(hào)容器：不做處理，保留水蒸汽和二氧化碳。

3號(hào)容器：加入氧化鈣與硅膠（與1號(hào)容器相同質(zhì)量），除去其中的二氧化碳和水；無(wú)法做到只除去二氧化碳而不影響容器中的水蒸汽含量。

購(gòu)買 3個(gè)勝利牌數(shù)字溫濕度表（Vc230A）。精度：攝氏度±1.0℃，濕度（40%-80%） ±5%，濕度（非40%-80%）±8%。兩個(gè)溫度探頭：內(nèi)探頭主要測(cè)量機(jī)器溫度，外探頭主要測(cè)量機(jī)器外部溫度，精度更高。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們同時(shí)使用了外探頭和內(nèi)探頭。其中主要通過(guò)外探頭來(lái)反映容器內(nèi)氣體溫度的變化情況，內(nèi)探頭的數(shù)據(jù)作為參考。

(3)預(yù)想實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

相同時(shí)間、相同輻射條件下3個(gè)容器升溫的不同，說(shuō)明不同容器內(nèi)氣體吸熱的不同，由此判斷不同氣體的吸熱能力，并定性推測(cè)其溫室效應(yīng)的強(qiáng)度。其中，1、2對(duì)照可以看出水蒸汽的吸熱能力，1、3對(duì)照可以在一定程度上看出二氧化碳的吸熱能力。

水蒸汽的比熱容大于二氧化碳和空氣，在吸熱量相同時(shí)，升溫幅度低。在相同條件下水蒸汽含量高的2號(hào)容器升溫幅度大于或等于水蒸汽含量低的1號(hào)容器，那么就足以證明水蒸汽對(duì)氣候變暖有較強(qiáng)的影響。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將三個(gè)溫濕度計(jì)分別放入三個(gè)容器中，等溫、濕

度穩(wěn)定。按預(yù)先計(jì)劃將1、2號(hào)容器去除部分水和二氧化碳，用保鮮膜密封。置于陽(yáng)光輻射下，與地面接觸以吸收地面輻射。

從第一天中午到第二天早上，共記錄三十五組數(shù)據(jù)。其中由于學(xué)校作息時(shí)間的限制，數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間間隔不均勻，特別是夜間無(wú)法記錄，有缺失。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

用Excel處理后得到實(shí)時(shí)溫度變化曲線圖，圖1為外探頭數(shù)據(jù)、圖2為內(nèi)探頭數(shù)據(jù)。

圖1 第一階段定性實(shí)驗(yàn)外探頭實(shí)時(shí)溫度變化曲線圖

圖2 第一階段定性實(shí)驗(yàn)內(nèi)探頭實(shí)時(shí)溫度變化曲線圖

(1)溫度差異分析

3個(gè)容器的溫度有明顯差異，特別是白天時(shí)段差異很大，顯然與不同氣體的吸熱能力有關(guān)。其中內(nèi)探頭數(shù)據(jù)基本符合預(yù)期：白天的實(shí)測(cè)溫度中，去除溫室氣體的3號(hào)容器溫度最低，全部保留水蒸汽和二氧化碳的2號(hào)容器溫度最高。

(2)平衡溫度

在升溫過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)平衡溫度，這就是溫度基本保持不變的狀態(tài)。分析可得，在升溫過(guò)程中容器內(nèi)溫度高，外部環(huán)境溫度低，容器與環(huán)境達(dá)到熱平衡狀態(tài)，則出現(xiàn)平衡溫度。

(3)異常數(shù)據(jù)分析

根據(jù)所得數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在有些時(shí)間段外探頭和內(nèi)探頭測(cè)量的結(jié)果卻完全是相反的。反復(fù)分析數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為存在的問(wèn)題主要有如下幾點(diǎn)：

①陽(yáng)光輻射下，外探頭直接吸收太陽(yáng)輻射增溫。由于溫室氣體對(duì)輻射存在削弱作用，容器中的二氧化碳和水蒸汽被除掉后，削弱變少，外探頭直接吸收太陽(yáng)輻射增溫偏高，測(cè)得的溫度會(huì)出現(xiàn)反常。

②沒(méi)有將除水蒸汽、二氧化碳所用的硅膠、氧化鈣從容器中取出。硅膠的吸水能力隨溫度發(fā)生變化，造成容器內(nèi)濕度的變化，同時(shí)硅膠與氧化鈣自身對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收也會(huì)對(duì)容器內(nèi)溫度產(chǎn)生一定影響。

③公式誤差。我們?cè)谟?jì)算容器內(nèi)水蒸汽的絕對(duì)濕度時(shí)運(yùn)用的Antoine公式: ln(P)=9.3876-3826.36/(T-45.47) ，是對(duì)于T在290～500K之間時(shí)，也就是溫度降到17以下時(shí)此公式不適用；理想氣體方程PV=nRT在壓強(qiáng)較大時(shí)也有較大的誤差。

據(jù)分析，此次實(shí)驗(yàn)缺陷太多，其數(shù)據(jù)不足以直接有效證明水蒸汽對(duì)全球變暖的影響。

三、第二階段：改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)

由于在前期實(shí)驗(yàn)中，無(wú)法確定容器中二氧化碳的含量，同時(shí)變量太多使實(shí)驗(yàn)分析難度增大，因此我們決定放棄二氧化碳的對(duì)比，只研究水蒸汽的影響。1號(hào)容器用硅膠除去部分水；2號(hào)容器不做處理，保留水蒸汽和二氧化碳。由于硅膠的存在，會(huì)使容器內(nèi)空氣濕度不穩(wěn)定，因此決定在除去水蒸汽之后將硅膠從容器內(nèi)取出。

在外探頭外做一個(gè)遮光裝置，盡量防止溫濕度計(jì)直接受到太陽(yáng)輻射。并且盡量控制溫度，在符合Antoine公式的范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.第一次實(shí)驗(yàn)

從11:00—12:30每隔30分鐘記錄一組數(shù)據(jù)，其中額外記錄了11:45的數(shù)據(jù)。由于一個(gè)溫濕度計(jì)沒(méi)電了，實(shí)驗(yàn)被迫中止。

用Excel繪制實(shí)時(shí)溫度變化曲線圖（見(jiàn)圖3、圖4）。圖中顯示，水蒸汽含量高的2號(hào)容器溫度高于1號(hào)容器，外探頭組更為明顯，說(shuō)明空氣中的水蒸汽含量越多，升溫越高。

圖3 第一次改進(jìn)實(shí)驗(yàn)外探頭實(shí)時(shí)溫度變化曲線圖

圖4 第一次改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)探頭實(shí)時(shí)溫度變化曲線圖

出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)：內(nèi)探頭兩組的溫度曲線出現(xiàn)了交叉。我們認(rèn)為可能是由于實(shí)驗(yàn)開始的時(shí)候水蒸汽少的1號(hào)容器接受輻射的面積更大，而導(dǎo)致機(jī)芯溫度上升過(guò)高；中途對(duì)此進(jìn)行了改正，最終水蒸汽含量多的2號(hào)容器溫度明顯升高，符合我們的實(shí)驗(yàn)猜想。

3.第二次實(shí)驗(yàn)

溫濕度計(jì)更換電池后重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，等溫、濕度穩(wěn)定后，開始記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從13:50—16:30每隔30分鐘記錄一組數(shù)據(jù)，額外記錄了13:50的數(shù)據(jù)，由于下雨，實(shí)驗(yàn)再次被迫中止，本次實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)主要是降溫過(guò)程。

用Excel繪制實(shí)時(shí)溫度變化曲線圖（見(jiàn)圖5、圖6）。

圖5 第二次改進(jìn)實(shí)驗(yàn)外探頭實(shí)時(shí)溫度變化曲線圖

圖6 第二次改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)探頭實(shí)時(shí)溫度變化曲線圖

圖中顯示，水蒸汽含量高的2號(hào)容器的溫度基本一直高于除水后的1號(hào)容器?？傻玫饺缦陆Y(jié)論：在降溫時(shí)，水蒸汽含量越多降溫越快，但溫度仍然較高。

異常數(shù)據(jù)：在本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)中15：30出現(xiàn)了一個(gè)反常的點(diǎn)，2號(hào)容器（有水）的溫度相對(duì)偏低，特別是外探頭溫度低于1號(hào)容器溫度。

四、第三階段：外部氣溫對(duì)照實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

本次試驗(yàn)加入了對(duì)外部氣溫的測(cè)定，觀察實(shí)際氣溫的變化，并與除水與未除水兩個(gè)容器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。容器中的溫度變化是盡量排除了各種干擾因素以后的理想情況，增加對(duì)外部氣溫的測(cè)定，可以讓我們更好的了解實(shí)際氣溫的實(shí)時(shí)變化。

由于容器本身就是一個(gè)小的溫室，同時(shí)實(shí)際大氣中有其他各種因素影響。因此我們猜測(cè)，容器對(duì)照組與外部氣溫變化基本同步，且溫度高于外部氣溫，水蒸汽含量高的那組溫度最高。

2. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從7：00—次日9:30，記錄了14組數(shù)據(jù)（其中夜間記錄的數(shù)據(jù)較少）。由于陽(yáng)光輻射過(guò)大，使得溫濕度計(jì)黑屏，實(shí)驗(yàn)被迫停止。

數(shù)據(jù)用Excel處理并繪制實(shí)時(shí)溫度變化曲線圖，圖7為外探頭數(shù)據(jù)。

圖7 外部氣溫對(duì)照實(shí)驗(yàn)外探頭實(shí)時(shí)溫度變化曲線圖

圖中顯示，幾乎所有時(shí)刻1號(hào)容器溫度均低于2號(hào)容器溫度。外部氣溫大部分時(shí)間比容器中的溫度低。但第二天早晨7點(diǎn)10分記錄的數(shù)據(jù)顯示外部氣溫最高，由于缺少夜間數(shù)據(jù)，且實(shí)際氣溫情況比較復(fù)雜，無(wú)法在這次實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行有效的研究。

根據(jù)已有的數(shù)據(jù)和圖像，至少可以得到如下結(jié)論：在同等條件下，空氣中的水蒸汽含量越多，升溫越高；水蒸汽含量越高，達(dá)到的平衡溫度就越高。

五、第四階段：模擬光源定量實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)原理

作為定量實(shí)驗(yàn)，為了規(guī)避太陽(yáng)光的強(qiáng)弱變化對(duì)實(shí)

驗(yàn)的影響，我們選用了色溫與太陽(yáng)光相近的攝影燈（燈泡功率150W，色溫5500K）作為光源來(lái)模擬日光[2]，實(shí)現(xiàn)持續(xù)在同種條件下進(jìn)行比較。我們選擇一個(gè)沒(méi)有外界光照，氣溫較低、變化較小的地方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

確認(rèn)初始溫度相同（采用外探頭溫度）為23.8℃。測(cè)定水蒸汽含量，1號(hào)容器初始相對(duì)濕度為54%，計(jì)算轉(zhuǎn)換為絕對(duì)濕度為11.59329 g/m^3；2號(hào)容器初始相對(duì)濕度為60%，計(jì)算轉(zhuǎn)換為絕對(duì)濕度為12.88143 g/m^3。

打開攝影光源，進(jìn)入持續(xù)輻射階段。從6:42—8:42，每隔10分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

用Excel處理數(shù)據(jù)并繪制溫度實(shí)時(shí)變化曲線圖，圖8為外探頭數(shù)據(jù)。

圖8 模擬光源實(shí)驗(yàn)外探頭實(shí)時(shí)溫度變化曲線圖

圖中顯示，在光源持續(xù)輻射下，有明顯的溫度平衡狀態(tài)；在相同輻射條件下的升溫過(guò)程中，水蒸汽越多，越晚到達(dá)平衡溫度，且平衡溫度越高；溫度的上升與水蒸汽含量正相關(guān)。

由于實(shí)驗(yàn)對(duì)照組過(guò)少，而且仍然無(wú)法精確控制水蒸汽含量，實(shí)驗(yàn)存在明顯不足。由于時(shí)間、實(shí)驗(yàn)條件等限制，研究暫時(shí)結(jié)束。

六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論與思考

綜合上述實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：在相同輻射條件下，溫度的上升與水蒸汽含量正相關(guān)；升溫過(guò)程中，水蒸汽越多，越晚到達(dá)平衡溫度，且平衡溫度越高；降溫時(shí)，水蒸汽越多，降溫越快，但溫度仍然較高。

在自然界，水蒸汽含量會(huì)隨著氣溫的升高而增加。水蒸汽不僅是溫室氣體，當(dāng)濃度達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化成云，對(duì)太陽(yáng)輻射的削弱增強(qiáng)而導(dǎo)致降溫。鑒于水蒸汽的巨大作用，我們對(duì)當(dāng)前大家關(guān)注的全球變暖問(wèn)題表示質(zhì)疑，控制碳排放是否真的有巨大意義？

[1] 王志敏,王正哲,孔令昌,王桂清.氣體受激增溫的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 地震,2003(4):91-96.

[2] 莊正輝,程敏熙,董東秀,劉宋,鄭曉宏.雙室比較型溫室效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置研制[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2010(5): 186-189.

（責(zé)任編校：左秀萍）

*資助項(xiàng)目：中國(guó)教育學(xué)會(huì)地理教學(xué)專業(yè)委員會(huì)2014年普通高中研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)GEORBL201408）。陳式如為本文通訊作者。