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）

水蒸汽對氣候變暖影響的實驗報告**

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）

通過四次定性對比實驗、一次模擬光源定量實驗，對水蒸汽的吸熱作用、溫室效應(yīng)進行了研究，用Excel軟件將實驗數(shù)據(jù)制作成實時溫度變化曲線圖，直觀顯示實驗的結(jié)果。實驗證明：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)；模擬實驗；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65萬年來全球平均氣溫波動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，促使全球變暖；影片《全球變暖的大騙局》則推翻了這個結(jié)論，指出水蒸汽是主要的溫室氣體。

經(jīng)過相關(guān)的討論，我們猜想水蒸汽增多會進一步增強溫室效應(yīng)，在當(dāng)前備受關(guān)注的全球變暖過程中，水蒸汽有著不可忽視的作用。因此，我們決定設(shè)計模擬實驗來研究水蒸汽的溫室效應(yīng)，驗證我們的猜想。

二、第一階段：定性實驗

1.實驗設(shè)計思路

(1)實驗原理

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

(2)器材準(zhǔn)備

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

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

2號容器：不做處理，保留水蒸汽和二氧化碳。

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

購買 3個勝利牌數(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%。兩個溫度探頭：內(nèi)探頭主要測量機器溫度，外探頭主要測量機器外部溫度，精度更高。

實驗過程中，我們同時使用了外探頭和內(nèi)探頭。其中主要通過外探頭來反映容器內(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)想實驗結(jié)果分析

相同時間、相同輻射條件下3個容器升溫的不同，說明不同容器內(nèi)氣體吸熱的不同，由此判斷不同氣體的吸熱能力，并定性推測其溫室效應(yīng)的強度。其中，1、2對照可以看出水蒸汽的吸熱能力，1、3對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，升溫幅度低。在相同條件下水蒸汽含量高的2號容器升溫幅度大于或等于水蒸汽含量低的1號容器，那么就足以證明水蒸汽對氣候變暖有較強的影響。

2.實驗過程

將三個溫濕度計分別放入三個容器中，等溫、濕

度穩(wěn)定。按預(yù)先計劃將1、2號容器去除部分水和二氧化碳，用保鮮膜密封。置于陽光輻射下，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)校作息時間的限制，數(shù)據(jù)記錄的時間間隔不均勻，特別是夜間無法記錄，有缺失。

3.實驗數(shù)據(jù)分析

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

圖1 第一階段定性實驗外探頭實時溫度變化曲線圖

圖2 第一階段定性實驗內(nèi)探頭實時溫度變化曲線圖

(1)溫度差異分析

3個容器的溫度有明顯差異，特別是白天時段差異很大，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：白天的實測溫度中，去除溫室氣體的3號容器溫度最低，全部保留水蒸汽和二氧化碳的2號容器溫度最高。

(2)平衡溫度

在升溫過程中會出現(xiàn)一個平衡溫度，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)，在有些時間段外探頭和內(nèi)探頭測量的結(jié)果卻完全是相反的。反復(fù)分析數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為存在的問題主要有如下幾點：

①陽光輻射下，外探頭直接吸收太陽輻射增溫。由于溫室氣體對輻射存在削弱作用，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輻射增溫偏高，測得的溫度會出現(xiàn)反常。

②沒有將除水蒸汽、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，同時硅膠與氧化鈣自身對太陽輻射的吸收也會對容器內(nèi)溫度產(chǎn)生一定影響。

③公式誤差。我們在計算容器內(nèi)水蒸汽的絕對濕度時運用的Antoine公式: ln(P)=9.3876-3826.36/(T-45.47) ，是對于T在290～500K之間時，也就是溫度降到17以下時此公式不適用；理想氣體方程PV=nRT在壓強較大時也有較大的誤差。

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

三、第二階段：改進實驗

1.實驗改進設(shè)計

由于在前期實驗中，無法確定容器中二氧化碳的含量，同時變量太多使實驗分析難度增大，因此我們決定放棄二氧化碳的對比，只研究水蒸汽的影響。1號容器用硅膠除去部分水；2號容器不做處理，保留水蒸汽和二氧化碳。由于硅膠的存在，會使容器內(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。

在外探頭外做一個遮光裝置，盡量防止溫濕度計直接受到太陽輻射。并且盡量控制溫度，在符合Antoine公式的范圍內(nèi)進行實驗。

2.第一次實驗

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)。由于一個溫濕度計沒電了，實驗被迫中止。

用Excel繪制實時溫度變化曲線圖（見圖3、圖4）。圖中顯示，水蒸汽含量高的2號容器溫度高于1號容器，外探頭組更為明顯，說明空氣中的水蒸汽含量越多，升溫越高。

圖3 第一次改進實驗外探頭實時溫度變化曲線圖

圖4 第一次改進實驗內(nèi)探頭實時溫度變化曲線圖

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)為可能是由于實驗開始的時候水蒸汽少的1號容器接受輻射的面積更大，而導(dǎo)致機芯溫度上升過高；中途對此進行了改正，最終水蒸汽含量多的2號容器溫度明顯升高，符合我們的實驗猜想。

3.第二次實驗

溫濕度計更換電池后重新進行實驗，等溫、濕度穩(wěn)定后，開始記錄實驗數(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，實驗再次被迫中止，本次實驗記錄的數(shù)據(jù)主要是降溫過程。

用Excel繪制實時溫度變化曲線圖（見圖5、圖6）。

圖5 第二次改進實驗外探頭實時溫度變化曲線圖

圖6 第二次改進實驗內(nèi)探頭實時溫度變化曲線圖

圖中顯示，水蒸汽含量高的2號容器的溫度基本一直高于除水后的1號容器。可得到如下結(jié)論：在降溫時，水蒸汽含量越多降溫越快，但溫度仍然較高。

異常數(shù)據(jù)：在本次實驗的數(shù)據(jù)中15：30出現(xiàn)了一個反常的點，2號容器（有水）的溫度相對偏低，特別是外探頭溫度低于1號容器溫度。

四、第三階段：外部氣溫對照實驗

1.實驗設(shè)計思路

本次試驗加入了對外部氣溫的測定，觀察實際氣溫的變化，并與除水與未除水兩個容器的實驗數(shù)據(jù)進行對比。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，增加對外部氣溫的測定，可以讓我們更好的了解實際氣溫的實時變化。

由于容器本身就是一個小的溫室，同時實際大氣中有其他各種因素影響。因此我們猜測，容器對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. 實驗數(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）。由于陽光輻射過大，使得溫濕度計黑屏，實驗被迫停止。

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

圖7 外部氣溫對照實驗外探頭實時溫度變化曲線圖

圖中顯示，幾乎所有時刻1號容器溫度均低于2號容器溫度。外部氣溫大部分時間比容器中的溫度低。但第二天早晨7點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)，且實際氣溫情況比較復(fù)雜，無法在這次實驗中進行有效的研究。

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：模擬光源定量實驗

1.實驗原理

作為定量實驗，為了規(guī)避太陽光的強弱變化對實

驗的影響，我們選用了色溫與太陽光相近的攝影燈（燈泡功率150W，色溫5500K）作為光源來模擬日光[2]，實現(xiàn)持續(xù)在同種條件下進行比較。我們選擇一個沒有外界光照，氣溫較低、變化較小的地方進行實驗。

2.實驗過程

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

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

3.實驗數(shù)據(jù)分析

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

圖8 模擬光源實驗外探頭實時溫度變化曲線圖

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)。

由于實驗對照組過少，而且仍然無法精確控制水蒸汽含量，實驗存在明顯不足。由于時間、實驗條件等限制，研究暫時結(jié)束。

六、實驗結(jié)論與思考

綜合上述實驗，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，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)到一定程度時會轉(zhuǎn)化成云，對太陽輻射的削弱增強而導(dǎo)致降溫。鑒于水蒸汽的巨大作用，我們對當(dāng)前大家關(guān)注的全球變暖問題表示質(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.氣體受激增溫的實驗研究[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)實驗裝置研制[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2010(5): 186-189.

（責(zé)任編校：左秀萍）

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