Моделирование парникового эффекта

Международная научно-практическая конференция

«Первые шаги в науку»

Эколого-географическая секция

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА

Авторы:

учащаяся 8 класса,

учащаяся 7 класса

государственное учреждение образования

«Средняя школа № 9 г. Могилева»

Руководители:

, учитель географии

, учитель физики

государственное учреждение образования

«Средняя школа № 9 г. Могилева»

Могилев, 2017

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................................................. 3

Глава 1 Теоретические основы парникового эффекта и его последствий...... 5

Глава 2 Организация и методика проведения исследования.......................... 9

2.1. Создание модели для изучения парникового эффекта............................. 9

2.2. Методика проведения исследования......................................................... 9

2.2.1. Изучение влияния особенностей поглощения тепловой энергии

песком и черным грунтом на парниковый эффект......................................... 9

2.2.2.Изучения влияния особенностей поглощения тепловой энергии углекислым газом на парниковый эффект........................................................................................... 10

2.2.3 Определение времени таяния снега при парниковом эффекте............... 11

Глава 3. Анализ и обработка результатов...................................................... 12

3.1 Влияние особенностей поглощения тепловой энергии песком

и черным грунтом на парниковый эффект...................................................... 12

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

3.2 Влияние особенностей поглощения тепловой энергии углекислым

газом на парниковый эффект............................................................................ 13

3.3 Определение времени таяния снега и изменение температуры

воздуха при парниковом эффекте................................................................... 14

Заключение ...................................................................................................... 15

Список используемых источников................................................................... 17

................................................................................................. 18

.................................................................................................. 19

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время деятельность человека оказывает беспрецедентное по масштабам и интенсивности воздействие на окружающую среду и глобальные системы жизнеобеспечения.

Проблеме изменения климата уделяется очень большое внимание ввиду ее важности и актуальности. Колебания температуры воздуха, суммы осадков, а также других метеорологических величин, оказывают огромное влияние на деятельность человека и экономики в целом.

Недостаточность практической разработки проблемы парникового эффекта обусловила выбор темы исследования «Моделирование парникового эффекта».

Актуальность данной работы состоит в том, чтобы, создав модель для демонстрации парникового эффекта и проведя исследования, использовать данную модель в нашей школе в рамках предметов естественнонаучного цикла для изучения явлений, связанных с парниковым эффектом.

Предмет исследования: модель, демонстрирующая парниковый эффект.

Объект исследования: проблема парникового эффекта.

Цель исследования:

- построение модели, демонстрирующей парниковый эффект и изучение проблемы парникового эффекта и его последствий.

Исходя из объекта и предмета нашего исследования, сформулирована гипотеза, заключающаяся в том, что с помощью модели, демонстрирующей парниковый эффект, мы можем пронаблюдать, что парниковый эффект ярко выражен над темными поверхностями, при повышенном содержании СО2, повышает температуру окружающего воздуха и уменьшает время таяния снега.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

- изучение, анализ, обобщение литературы по проблеме;

- изготовление модели, демонстрирующей парниковый эффект;

- проведение эксперимента;

- обработка и анализ полученных материалов,

- разработка памятки с рекомендациями по снижению последствий глобального потепления

В своей работе мы использовали теоретические (изучение, анализ, обобщение литературы), эмпирические (наблюдения, беседы), практические (измерения, количественная и качественная обработка результатов) методы исследования.

Новизной работы стала разработка простейшей модели, демонстрирующей парниковый эффект.

Практическая значимость работы:

- проведенный эксперимент вносит определенный вклад в понимание механизма парникового эффекта;

- использование модели парникового эффекта при изучении вопроса о глобальном потеплении в рамках школьных предметов естественнонаучного цикла, позволит рассмотреть его более наглядно.

Первым этапом нашей работы стало изучение литературы по проблеме парникового эффекта и глобальном потеплении климата. Источниками информации была литература, взятая из библиотеки, и интернет-источники.

Вторым этапом стало создание модели для изучения проблемы парникового эффекта. Третьим этапом нашей работы было проведение эксперимента. После проведения эксперимента на четвертом этапе нашей работы мы провели анализ полученных результатов, построили графики зависимости температуры воздуха от времени наблюдений при повышенной концентрации СО2 и над темной и светлой поверхностью, разработали памятку с рекомендациями по уменьшению последствий парникового эффекта.

ГЛАВА 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА И ЕГО ПОСЛЕДСТВИЙ

Капризы погоды последнего времени оживили разговоры о грядущем значительном потеплении земного климата, вызываемого экономической деятельностью человека, главным образом вследствие выбросов в атмосферу так называемых парниковых газов (углекислого газа, метана и др.). Атмосфера задерживает тепловое излучение с поверхности Земли, что приводит к повышению её температуры. Это явление представляет собой парниковый эффект.[1, с. 12] Под воздействием солнечных лучей поверхность Земли нагревается и излучает электромагнитную энергию в инфракрасном диапазоне. Это излучение задерживается парниковыми газами, т. е. часть солнечного излучения от парниковых газов (водяные пары Н2О, диоксид углерода СО2, метан СН4) отражается назад к земной поверхности (красный цвет). При поглощении электромагнитного излучения молекулой парникового газа энергия трансформируется в тепловую энергию – атмосфера нагревается. Чем больше в атмосфере концентрация парниковых газов, тем интенсивнее накапливается тепловая энергия в приповерхностных слоях атмосферы. [2, с.83]

Идея о разогреве земной атмосферы парниковыми газами была высказана впервые в конце XIX в. известным шведским учёным С. Аррениусом [1, с.12]. Идея о механизме парникового эффекта была впервые изложена в 1827 году Жозефом Фурье в статье «Записка о температурах земного шара и других планет», в которой он рассматривал различные механизмы формирования климата Земли. При этом он рассматривал как факторы, влияющие на общий тепловой баланс Земли (нагрев солнечным излучением, охлаждение за счёт лучеиспускания, внутреннее тепло Земли), так и факторы, влияющие на теплоперенос и температуры климатических поясов (теплопроводность, атмосферная и океаническая циркуляция).[3]

Деятельность человека приводит к повышению концентрации парниковых газов в атмосфере. В результате сжигания различного топлива в атмосферу ежегодно выбрасывается около 20 млрд т углекислого газа и поглощается соответствующее количество кислорода. Природный запас СО2 в атмосфере составляет величину порядка 50 000 млрд. т. Эта величина колеблется и зависит, в частности, от вулканической активности. Однако антропогенные выбросы углекислого газа превышают естественные и составляют в настоящее время большую долю его общего количества. Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, сопровождающееся ростом количества аэрозоля (мелких частиц пыли, сажи, взвесей растворов некоторых химических соединений), может привести к заметным изменениям климата и соответственно к нарушению складывавшихся в течение миллионов лет равновесных связей в биосфере.[4, с.38]

Любое изменение в способности Земли отражать и поглощать тепло, в том числе вызванное увеличением содержания в атмосфере тепличных газов и аэрозолей, приведет к изменению температуры атмосферы и мировых океанов и нарушит устойчивые типы циркуляции и погоды. Глобальное потепление — процесс постепенного увеличения среднегодовой температуры атмосферы Земли и Мирового океана. Помимо повышения уровня Мирового океана, повышение глобальной температуры также приведёт к изменениям в количестве и распределении атмосферных осадков. В результате могут участиться природные катаклизмы, такие как наводнения, засухи, ураганы и другие, понизиться урожаи сельскохозяйственных культур и исчезнуть многие биологические виды. Потепление должно, по всей вероятности, увеличивать частоту и масштаб таких явлений.

Миграция людей из районов наводнения, засухи, обеднения флоры и фауны приведет к распространению эпидемий в лагерях и поселениях для беженцев. [4, с.45]

Считается, что возможную глобальную катастрофу можно предотвратить двумя методами снижения выбросов парниковых газов: изменение структуры топливного баланса стран мира путем перехода к менее «грязным» технологиям и широкое внедрение энергосберегающих технологий и очистных сооружений.

Главную меру по предупреждению глобального потепления можно сформулировать так: найти новый вид топлива или поменять технологию использования нынешних видов топлива. Это означает, что необходимо: уменьшить потребление ископаемого топлива. Резко сократить использование угля и нефти, которые выделяют на 60 % больше диоксида углерода на единицу производимой энергии, чем любое другое ископаемое топливо в целом; использовать вещества (фильтры, катализаторы) для удаления диоксида углерода из выброса дымовых труб углесжигающих электростанций и заводских топок, а также автомобильных выхлопов; повысить энергетический коэффициент полезного действия; требовать чтобы в новых домах использовались более эффективные системы отопления и охлаждения; увеличить использование солнечной, ветровой и геотермальной энергии; существенно замедлить вырубку и деградацию лесных массивов; удалить с прибрежных территорий резервуары для хранения опасных веществ; расширить площади существующих заповедников и парков; создать законы, обеспечивающие предупреждение глобального потепления; выявлять причины глобального потепления, наблюдать за ними и устранять их последствия. [5]

Проблема глобального потепления стала насущной международной проблемой. Ею занимаются организации и учреждения почти во всех странах мира, а также такие международные организации как ООН, ЮНЕСКО, ВОЗ и др. Такой широкий общественный и международный резонанс позволил привлечь к этой проблеме внимание, как со стороны правительства разных стран, так и всего населения Земли, так как и Земля, и Воздух, и Вода – это общечеловеческие ценности, защищать и спасать их от катастрофы должно все человечество.

Конференция по климату в Париже, посвящённая климатическим изменениям, проходила в Ле-Бурже во Франции в декабре 2015 года. Это 21-я конференция, проводимая в рамках Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Цель конференции — подписание международного соглашения по поддержанию увеличения средней температуры планеты на уровне ниже 2 °C, применимого ко всем странам. В 2016 году Беларусь присоединилась к Парижскому соглашению по борьбе с изменением климата. [6]

ГЛАВА 2 ОРГАНИЗАЦИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Создание модели для изучения парникового эффекта

Для создания модели для изучения парникового эффекта мы взяли резервуар прямоугольной формы из органического стекла размером 300х250х200, внутри которого резервуаром вверх установлен термометр с ценой деления 1°. Внутри резервуара находится воздух. Верх резервуара мы закрывали прозрачной пленкой. При помощи штатива на расстоянии 20 см над резервуаром устанавливается лампа(100Вт, 220В) так, чтобы свет падал на резервуар термометра. (ПРИЛОЖЕНИ 2.1)

Представленная модель позволяет изучить влияние особенностей поглощения тепловой энергии поверхностью и углекислым газом при прочих равных условиях на парниковый эффект. Эту же модель мы использовали для определения времени таяния снега в зависимости от внешних условий. Время таяния снега фиксировали с помощью секундомера.

2.2 Методика проведения исследования

В качестве метода исследования мы использовали лабораторный эксперимент.

2.2.1 Изучение влияния особенностей поглощения тепловой энергии песком и черным грунтом на парниковый эффект

Использовалась следующая методика проведения эксперимента:

1. На дно резервуара насыпался песок или черный грунт слоем 4 см.

2. С помощью пульверизатора черный грунт увлажнялся.

3. В грунт помещался кусочек пластилина для термометра, и в него устанавливался термометр резервуаром вверх. Сосуд закрывался прозрачной полиэтиленовой пленкой.

4. В 20 см прямо над сосудом устанавливалась лампа так, чтобы свет падал на резервуар термометра.

5. Фиксировалась комнатная температура.

6. Результаты эксперимента заносились в таблицу, были построены графики зависимости изменения температуры воздуха от времени.

7. Полученные результаты подвергались анализу.

Эксперимент проводился дважды. В первом случае крышка резервуара была снята, настольная лампа устанавливалась на расстоянии 20 см от поверхности резервуара и включена, а во втором случае резервуар был закрыт пленкой, настольная лампа была установлена и включена. Показания термометра снимались каждые 2 мин. в течение 30мин.

2.2.2 Изучение влияния особенностей поглощения тепловой энергии углекислым газом на парниковый эффект

Использовалась следующая методика проведения эксперимента:

1. На дно сосуда насыпался черный грунт слоем 4 см.

2. С помощью пульверизатора черный грунт увлажнялся.

3. В грунт помещался кусочек пластилина для термометра, и на нее устанавливался термометр резервуаром вверх. Сосуд закрывался прозрачной пленкой с отверстием, диаметр которой равен диаметру газоотводной трубки колбы.

4. В 20 см прямо над сосудом устанавливалась лампа так, чтобы свет падал на резервуар термометра.

5. В лапке лабораторного штатива закреплялась колба с газоотводной трубкой, на дно которой помещался размельченный мел (CaCO3).

6. Через воронку в колбу наливалась соляная кислота (HCl) в таком количестве, чтобы она на 1 см покрывала мел. Колба закрывалась пробкой.

7. Углекислый газ (CO2), полученный в результате химической реакции, между мелом и соляной кислотой через газоотводную трубку запускался в сосуд.(CaCO3 + 2HCl => CaCl2 + CO2 + H2O)

8. Углекислый газ в сосуде охлаждался до комнатной температуры.

9. Включалась лампа, и снимались показания термометра каждые две минуты в течение 30 минут.

2.2.3 Определение времени таяния снега при парниковом эффекте

Использовалась следующая методика проведения эксперимента:

1. В резервуар сверху на темный грунт насыпался снег слоем 4 см.

2. В грунт помещался кусочек пластилина для термометра, и в него устанавливался термометр резервуаром вверх. Сосуд закрывался прозрачной полиэтиленовой пленкой.

3. В 20 см прямо над сосудом устанавливалась лампа так, чтобы свет падал на резервуар термометра.

Фиксировалась комнатная температура. Эксперимент проводился дважды. Опыт 1. Пленка была снята, настольная лампа была установлена на расстоянии 20 см от поверхности резервуара.

Опыт 2. Резервуар был закрыт пленкой, настольная лампа была установлена и включена. Фиксировалось полное время таяния снега.

ГЛАВА 3 АНАЛИЗ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1 Влияние особенностей поглощения тепловой энергии песком и черным грунтом на парниковый эффект

В ходе эксперимента были получены следующие результаты:

Таблица 3.1 - Изменение температуры воздуха над различными поверхностями

Время, мин	Температура воздуха, 0С темный грунт	Температура воздуха, 0С песок
0	18	18
2	21	19
4	23	19,1
6	24	19,5
8	24,5	20
10	25	20,5
12	25,5	20,5
14	26	20,5
16	26,5	21
18	27	21
20	27,2	21,5
22	27,3	21,5
24	27,5	22
26	27,5	22
28	27,5	22,5
30	27,5	23

Над темным грунтом температура воздуха увеличивается больше, чем над песком. (ПРИЛОЖЕНИ 3.1)

При включенной лампе, температура воздуха над поверхностями увеличивается за счет количества теплоты, получаемого от лампы и энергии, излучаемой с поверхностей. Так как количество теплоты, получаемое воздухом от лампы одинаково (расстояние между сосудом и лампой не изменялось, мощность лампы не изменялась, продолжительность освещения поверхностей была одинаковой), то можно сделать вывод о том, что на увеличение температуры воздуха влияет энергия, излучаемая с поверхностей.

Вывод: темные поверхности поглощают больше тепла, а, значит, и больше излучают. Парниковый эффект выражен больше над темными поверхностями.

3.2 Влияние особенностей поглощения тепловой энергии углекислым газом на парниковый эффект

В ходе эксперимента были получены следующие результаты:

Таблица 3.2 - Изменение температуры воздуха с разной концентрацией СО2

Время, мин	Температура воздуха при низкой концентрации СО2, 0С	Температура воздуха при повышенной концентрации СО2, 0С
0	18	18
2	19	20
4	19,1	21
6	19,5	22
8	20	24
10	20,5	25
12	20,5	25,5
14	20,5	26
16	21	26,5
18	21	27
20	21,5	27,5
22	21,5	28
24	22	28
26	22	28,1
28	22,5	28,5
30	23	28,5

При повышении концентрации углекислого газа СО2 температура воздуха в резервуаре повышалась больше. (ПРИЛОЖЕНИ 3.2) Это явление объясняется тем, что молекулы углекислого газа, содержащиеся в воздухе, поглощая электромагнитное излучение в инфракрасном диапазоне, испускаемое черным грунтом, трансформирует ее в тепловую энергию, при этом воздух над черным грунтом нагревается больше при повышенном содержании СО2.

Вывод: повышенная концентрация углекислого газа, содержащегося в воздухе, усиливает парниковый эффект.

3.3 Определение времени таяния снега при парниковом эффекте

В ходе эксперимента были получены следующие результаты:

Таблица 3.3 - Изменение времени таяния снега и температуры при различных условиях

	Время таяния снега, мин	Температура воздуха над поверхностью до начала эксперимента, 0С	Температура воздуха над поверхностью после окончания эксперимента, 0С
Опыт 1	120	21	19
Опыт 2	80	21	20

Вывод: В резервуаре, закрытом пленкой, время таяния снега сокращалось, т. е. снег тает быстрее. Сравнивая температуру воздуха над поверхностью после окончания эксперимента в открытом резервуаре и закрытом, мы определили, что температура воздуха над растаявшим снегом увеличилась. При таянии снегов в результате парникового эффекта происходит изменение климата.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В начале работы мы выдвинули гипотезу, заключающуюся в том, что парниковый эффект более ярко выражен над темными поверхностями, при повышенном содержании СО2, повышает температуру окружающего воздуха и уменьшает время таяния снега. Изучив литературу по данной теме, построив модель парникового эффекта и проведя исследования, мы пришли к выводу, что наша гипотеза подтвердилась.

1. Изготовленная нами модель, демонстрирующая парниковый эффект, позволяет изучить влияние особенностей поглощения тепловой энергии разными поверхностями и углекислым газом на парниковый эффект, сравнить время таяния снега в открытом и закрытом резервуаре.

2. Парниковый эффект над черным грунтом выражен сильнее, чем над песком, так как черная поверхность, поглощая большую часть света, нагревается быстрее и, следовательно, испускает инфракрасное излучение активнее. Парниковый эффект усиливает углекислый газ, содержащийся в воздухе, так как он трансформирует электромагнитное излучение инфракрасного диапазона, испускаемое нагретой поверхностью в тепловую энергию, что приводит к нагреванию воздуха. Поэтому можно сделать вывод о том, что факторами, оказывающими влияние на парниковый эффект, являются различия в поглощении тепловой энергии разными поверхностями и особенности поглощения инфракрасного излучения углекислым газом.

3. В резервуаре, закрытом пленкой, время таяния снега сокращалось. Температура воздуха над растаявшим снегом увеличивается. Поэтому можно сделать вывод о том, что при таянии снегов в результате парникового эффекта происходит изменение климата.

Модель, демонстрирующая парниковый эффект, мы планируем использовать в нашей школе в рамках предметов естественнонаучного цикла. Она позволяет более наглядно рассмотреть следующие явления:

- парниковый эффект на Земле в курсе географии и физики;

- перегретость поверхностей некоторых планет в курсе астрономии;

- различия в поглощении энергии поверхностями разного цвета в курсе физики.

Изучив литературу по данной теме, построив модель парникового эффекта и проведя исследования, мы разработали памятку с рекомендациями по снижению последствий глобального потепления. Эту памятку и результаты наших исследований мы будем использовать в школе при проведении экологических мероприятий по сохранению чистоты воздуха, воды, почвы, на занятиях экологического общества «Эковектор», разместим на сайте школы.

Памятка с рекомендациями по снижению выбросов

парниковых газов

1. Использование энергоэффективных моделей бытовой техники;

2. Установка приборов учета и регулирования тепла и горячего водоснабжения в жилых зданиях;

3. Строительство энергоэффективных жилых зданий;

4. Раздельный сбор мусора и вторичная переработка отходов;

5. Повышение выработки и использование энергии с использованием возобновляемых источников энергии (ветровой, геотермальной, энергии приливов и отливов, гелиотермальной, энергии биомассы);

6. Уменьшение вырубки лесов;

7. Устройство санитарно-защитных зон, организация и поддержка кампаний по посадке деревьев;

8. Ограничение, по мере возможности, ежедневного использования транспортных средств;

9. Содержание транспортных средств в технически исправном состоянии.

Мы планируем использовать созданную нами модель для исследования влияния повышенной концентрации углекислого газа (СО2) и сернистого газа (SO2) в воздухе на жизнедеятельность растений.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Сорохтин , климатов Земли / //Физика. – 2007. - №9.

2. Никаноров, экология /, - М, Издательский центр «Академия» - 2003– 288 с.

3. Парниковый эффект. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www. bestreferat. ru/referat-120519.html. - Дата доступа: 10.11.2016.

4. Будыко, М. И. и др. Предстоящие изменения климата / Изв. АН СССР. Сер. геогр. - 1992- 36-52 с.

5. Парниковый эффект, как одна из глобальных экологических проблем [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www. scienceforum. ru/2014/779/6421.- Дата доступа: 05.12.2016.

6. Беларусь подписала Парижское соглашение по климату [Электронный ресурс]–Режим доступа: http://news.21.by/politics/2016/04/22/1182621.html - Дата доступа: 05.02.2017

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ФОТООТЧЕТ

$D:\документы\фото\исследования$