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生活环境与环境

“动手做”文档  
Isabelle Catala map@inrp.fr
INRP 29 rue d'Ulm, 75005 Paris Paris
发表: 1998/04 网上发布 : 1998/04 中译:2001/07   东南大学影像科技实验室

目录:

06/11/98 : 将废物变成复合肥
08/01/99 : 在阶段2开展气象学科技活动
04/03/99 : 如果黑云包围地球会发生什么 ?
06/10/99 : C
如何重现高气压和低气压现象?
14/12/99 :
极地冰融与海平面
03/03/2000 19991227日的风暴
16/03/2000 : 温室效应与臭氧层

将废物变成复合肥
06/11/98, Suzanne Christophe, 教师, 阶段3, Saint-Germain-en-Laye附属小学, annexe@wanadoo.fr

化肥 (氨基硫酸盐)
天然肥料(堆肥)

我们是Saint-Germain-en-Laye附属小学Christophe夫人所带的CM1年级班. 我们进行了一个将废物变成堆肥的实验。我们改变腐化中不同的基本因素 :
                        -
水   无水          活化剂 无活化剂
                        -空气  无空气        化肥 天然肥料
                        -土   无土         整体废物 粉碎废物

一些结果证实了我们的设想,除了:
                        化肥
                        天然肥料

我们对我们的结论不能肯定:天然肥料可以得到更好的变换。
我们希望得到您的科学观点。

科技人员Jean-Francois Castell的回答
很正常,堆肥使得废物更好地分解:实际上,堆肥包含大量的微生物(细菌、蘑菇),积极参与有机物的腐变

在阶段2开展气象学科技活动
08/01/99, Jean-Pierre Chevalier, 教师, 阶段2, Amailloux 小学(Deux-Sevres), CHEVALIERJp@district-parthenay.fr

在我的班上, 我们设法(有时有困难) 对气象学进行某种科学研究: 做天气观察,每日记录气温和毫米雨水 。如果这些活动可以在有些许多领域开发一定的能力(测量, 刻度读取, 整理和读取单个表格和一组表格, 天气图示的定义和应用, 将我们当地的天气与我们对应人处的天气做比较,从而了解法国风景和环境的地理, 语言, 等的变化) ,但是对超出观察这个阶段的最低要求的科学方法方面,我遇见一些困难。这项任务完成没有什么问题, 但对所收集的文档的理解比较困难,研究一个月下雨、出太阳、刮 风的天数等... , 该月共计下雨的毫米数、最高和最低气温。我不能肯定有关气象的文档能适合这种类型和水平的研究。
我们对各种各样的对口单位和个人进行调查,附在该文档的附录中
, 以试图理解和了解在法国和在世界的天气预报是否和如何到处是一样。
是否可以与
CP/CE1/CE2 的孩子进行更加深入的气象观察科学研究? 如果名单上的其它成员或网上顾问可以为我在这个问题提供帮助, 我将十分感谢。 


调查
: 我们做了一个有关天气的调查。我们想知道您住地区的气温。
它有多少度
? 多少毫米的雨水? 对于毫米雨水, 我们有一个雨量器, 对于气温, 有温度计。谁观察温度计? 你有雨, , 薄冰, 太阳, 冰雹, , 风暴或霜吗? 你看天气预报或当时的天气吗?我们很想知道你们学校晨8点到9点之间的情况, 直到1月底。

科技人员Jean-Francois Castell的回答
在阶段
2,的确难进行天气现象的科学活动。但是, 以我所见它是可以从事三个方面入手

1. 物理测量 :
-
我们可以设计许多简单实验以突出所使用传感器的原理(特别是温度计), 及其精确度
- 或许在特殊情况下安置你的测量仪器, 遵守由" 专业人员"某些建议。在这种情况下, 我们可以考虑通过实验检验这些建议的合理性 。例如比较典型的是进行室内外温度测量的比较
- 从这些实验出发, 我们可以了解一些新传感器(温度计, 风速表, 晴雨表, 高温计...) 的概念和实现,可以用一些买来的或借来的气象仪器进行校准。

2. 微气候观察 :
如果你有几件测量的用具, 你就能研究气象参数的空间可变性: 例如你能够突出太阳辐射和表面温度之间联系(在课堂上可以用灯来" 替换" 太阳), 或树墙或挡风玻璃的微气候作用。你同样可以研究气象参数的时间可变性: 为什么最高气温度一般在中午, 和太阳升起时最低? 我们可以做一些什么假设? 怎么设计一些实验来验证这些假设? 这最终导致一种对基本现象理解的方法。

3. 涉及的现象 :
气象学研究是理解能量的概念的一个非常好的方法。同样, 它也可以从物态变化来入手(用水来进行实验相当容易), 例如, 在一个封闭空间(如水族箱)里再现一个微型水循环:通过一盏白炽灯使水蒸发, 在比较冷的表面结露重新成为水。确实,对于阶段2 的孩子, 不可能再进一步, 但我相信孩子们能通过这种实验获取某些概念。我有机会与一些好奇孩子一起, 他们非常愿意动手做些实验。我记得与他们(当时他们在5 -6 )终的两个在我的厨房里做了些有关水状态变化的实验。开始是提出问题:你们知道为什么常常需要在水族箱中补充水,考虑后,设法验证他们的各种各样的假定(首先明显地是这水被鱼喝了...), 我们用很好玩的方式来进行水状态变化的实验, 特别注意到越是对平底锅里的水加热, 水蒸发得越快, 然后当设法水蒸气" 恢复" 水时,在平底锅之上盖上一个塑料袋, 然后将其置于冰箱看它是否包有水? 另一方面, 我需要一点时间和" 工作", 以使他们逐渐理解在大气中具有同样现象。

如果黑云包围地球会发生什么?
04/03/99, Patrick Goichon, 教师, 阶段3, Vienne, clas1-neuville-ferry@cg86.fr

CM1 年级的学生一起, 我们正写着一本书,故事为发现一只绿色甲虫,引起诅咒: 一朵极大的黑云彩覆盖地球! 我们已经知道一点,如果实际上发生那种情况: 没有光植物就不能生长, 养育植物消失, 并且以植物为食的动物会消失,而以植物和动物为食的人类将会遇到麻烦! 我们想了解多一些,以便使我们的故事更加真实。如果您能为我们提供有关真的发生地球由一朵大黑云彩包围会发生什么的精确细节 那将帮我们一个大忙。

孩子通过科学实验来测试所做的假定: 植物生长需要光。

科技人员Jean-Francois Castell的回答
您的推断是对的
: 为了活桌和生长,植物需要光。

还有其它引起的后果也让人担心。 这样情节已经由气象学家和气候学家们所设想, 如著名的天文物理学家Carl Sagan, 在核军备竞赛高峰时期(七十年代), 曾对一连串原子爆炸可能对我们星球所导致的后果提出疑惑。

在这些后果之中, 你现在知道地球表面将会被一遍巨大黑云彩所包围 , 这与你们故事情节相同。在这种情况下, 可预见的后果与你们所描述的很相近, 但你们忽略了两个气候方面的后果 :

1. 如果地球被一朵巨大云彩包围, 球形的表面接受的太阳辐射非常微弱。如果地球表面只能接受同当前一样的能量, 它的温度可能因此降低(只要在海滩上置身于阳光之下, 就能了解太阳辐射带来十分可观的能量) 。结果, 在地球表面之上的空气温度同样将降低。可以估计, 在我们头顶上的这样一朵云彩,会使得整年空气温度与12月份的一样低。这就是为什么我们称这情景为" 核冬天"

2. 如果太阳辐射非常微弱, 在地表面的水不可能再蒸发(是太阳提供蒸发海水、湖水以及植物中水分的必要能量) 。如果这蒸发减少, 水循环将被严重扰乱, 从而雨水可能比当前少得多。

总而言之, 如果一朵大黑云彩覆盖地球, 天空将是黑暗和寒冷的, 不再下雨, 你们已经知道了:也就没有吃的东西了! 我希望, 你们的故事会编得很好, 并且绿色甲虫的诅咒将会被迅速消除(我厌恨悲剧!) 。为了了解得多一些,我建议你们读一读A. Robock的文章 " 我们上个冬天得情景", 可在因特网上得到,地址如下:
http://www.edicom.ch/temps/ts80/hiver2.htmlailleurs.gif (1328 octets)
最后,对于成年人,我建议读读Carl Sagan "寒冷与黑暗"

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如何重现高气压和低气压现象 ?
06/10/99, Sylvie Allen-Mah? 教师, 阶段3, St Pierre et Miquelon, ccsallen@cancom.net

我将在阶段3进行气象学主题活动 。我寻找具体手段显示如何通过高气压和低气压现象产生风。

科技人员Jean-Francois Castell的回答
我记得几年前参与为科学资源
91设计 " 发现之屋" (展示+ 简单小装置) 中,涉及到这类现象的表现。

我们做了一个系统
,用3 个直径大约8cm " 耐热有机玻璃" 管 形成一个U。 这个U 各个垂直分支装上活塞。当按下右边活塞模仿一个高压区域, 导致空气在水平部分(U底部) 朝低压区运动(结果左活塞上升) 。为了更好地进行风的模拟,我们一辆微型汽车的水平部分安置了一个纸板" 风帆" 。当我们按下活塞,这辆"帆车" 就在上述管道中运动。

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Fontes des glaces polaires et niveau des ocns
14/12/99, Eddy Masclet, IUFM, emasclet@club-internet.fr
为什么海平面会上升或可能会上升(由于温室效应和两极冰层融化) 但是如果你让冰块融化在玻璃水杯里, 其水平面不上升!!

科技人员Jean-Francois Castell的回答
的确
, 当冰块融在玻璃水杯里, 玻璃水杯里的水体积(因而水平面) 变化非常小。然而, 当你安置这冰块在玻璃水杯里的时刻 , 水平面会上升!
因而
, 可以认为, 全球气候变暖可能导致大陆表面极地冰层融化。这些额外的水可能导致海平面轻微上升。因此, 在最后冰期 (大约18000 年前), 海平面比当前低(百余米) 其次,当 覆盖加拿大和美国的北部的冰川融化时, 海平面上升至当前水平。应该考虑的另一个因素是全球海洋的变暖(人们还不知道如何正确地预测) 可能导致譬如水密度改变(当它的温度增加, 同样重量的水占据愈来愈大空间) 。因而, 海水变得愈来愈热, 所占据的空间可能更大。
无论如何,精确测量海洋当前平均水平相当难。在主要口岸海边安置的参考标记
, 人们可以记录下该处百余年来水位变化。然而, 这些测量是太个体化并且非常不精确而无法提供肯定信息。然而它们还是显示了海面每年平均增加一到二毫米, 但由于许多现象干预,不同地方差别很大。 

这些现象的特点不同
-
天文学: 月球吸引力影响, 地球自转和海洋潮汐的综合作用
-
气象学: 局部大气压和风速变化
-
海洋学: 随海洋潮流循环的局部海水密度变化
-
甚至地质学 (放置参考标记的区域可能是在慢慢下沉的区域)
十年来
, 采用地球观测卫星,可以使这些估测更精确,从而更好地了解平均海平面变化的起因。另一方面 , 如果认为平均海平面可能上升, 那么对其速度还存在许多不确定性,因为海平面变化的起因很多,并且很难用一个非常精确方式预测它们组合演变。

科技人员Sandrine Bony的回答
地球变暖会导致海面上升的二个主要原因为

首先, 在这个温度的作用之下的一个简单的海水扩张效应: 对于海洋中大量的水, 温度上升降低水的密度而引起水容量增加。
第二个原因与冰的融化有关
, 但这不是任何冰! 在我们的行星上, 冰川处于海洋表面( 所谓的冰) 或在大陆之上(这就是高山冰川和格陵兰和南极极地冰川)

如同你指出
, 在玻璃水杯中融化的冰块里不会提高水平面,因为根据基米德原理, 冰在水中所占容, 融化后仍然是相同德容积。同样的原因, 这个冰山的融化不可能提升海平面。相反, 大陆冰山融化后进入河流,然后进入大海,因而, 大陆冰山融化增加了海洋水量,从而提升海平面。

科学家设法预言在这个
21世纪中海平面会上升多少。目前估测仍不是很精确,其数量级为20 50 厘米。象你看, 埃非尔铁塔没准备好脚在水中! 另一方面, 对于一些海岛(譬如马尔代夫) 其最高点也只是在海平面上几米, 海洋上升几十厘米也是不可忽略的。

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19991227日的风暴
03/03/2000 Marie Godin的提问,阶段 3 教师,Saint-Louis小学, Montferrand, mariegodin@lemel.fr
如何向阶段3的学生们解释19991227日的风暴?        

23/03/2000 Daniel Jamous的回答
这是一个成年人也很困难的问题。风暴的形成和预测在气象学是一个非常活跃的研究课题。用航海爱好者和海洋气象学所熟悉的
Beaufort等级来精确定义: 我们讲的风暴是指当低气压表面的风达到平均速度为48 55 (89 102 公里/小时)之间,也就是说风力达10 级(Beaufort 等级)。
实际上
, 风暴定义也用于比10级更强的风,这正是去年12月的情况。法国国家气象台在它的网站上汇集了有关12月风暴的相当清楚和容易接近的信息。建议访问这个站点
( http://www.cnrm.meteo.fr/dbfastex/recyf_temp/index.html
对其的详细解释,我这里对低气压和大气循环的起源说几句。
低气压是大气的空气环流的自然示范。这个循环的起源是太阳对地球加热的不均匀性。热带区域过于加热而极地的加热不够。
因为热带区域不会愈来愈热,极地区域也不会愈来愈冷
, 地球上存在抵制太阳对地球加热的机制: 大气循环, 其角色包括在热带区域过热传输到极地区域(海洋循环也对这种热量的再分配做出贡献)

空气重要性质是
, 当温度增加时其密度减少。因而, 热空气变轻,具有上升到密度较大的冷空气之上的倾向。如果地球没有自转, 大气循环则包含在每个半球上沿着南北方向(子午线)大量单元 。在赤道上, 热空气上升并在高空分离为二个流向两极的分支。在极地区域, 冷和密集空气再降向地球表面并流向赤道,形成一个闭环。由第一次提出这个大气流程图的英国科学家的名字,这个过程称为Hadley 环流。然而, 地球的自转使这个描述复杂化并会导致空气在东西方向的运动。在热带区域, 在北半球东北部和南半球东南部的表面空气循环由"alizes"风所表征。在风暴区,大气循环由西部强烈的气流, (英语Jet-stream) 所描绘。该气流最大值位于大约10 公里纬度高。这股气流产生形成低气压和反气旋漩涡的旋流,而不是正常地由东向西流动。
这个喷流和相应的漩流随赤道和两极之间温差增大而加强。这就解释了为什么最严重的低气压常发生在各个半球的冬天。这些低气压是一些非常有效的将热量传输到两极的因子。简而言之
, 地球的自转和在赤道和两极之间温差是二个对低气压生成起确定性贡献的因素。一些地区的低气压比其它地区强而形成风暴的机理非常复杂,这将继续作为气象学中许多研究目标。
谢谢
Sandrine Bony协助起草这个答复。

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温室效应与臭氧层
16/03/2000 Anne Doll的提问 , 阶段3教师, VienneMarcel Pagnol小学   philippe.doll@libertysurf.fr
我知道, 温室效应是由地球产生的多种气体形成一个大气层的自然效应。没有这种现象就不可能生活在地球上,因为这样的话天气将会太冷。但是几种其它污染气体增加了最初的层厚,从而阻止红外线的过滤而返回地面,因而使地球变暖。
同时人们还谈论臭氧层空洞,这是由引起温室效应的气体层中也存在的CFC气体。我不理解与臭氧层相比,引起温室效应现象的气体层在什么地方? 臭氧层是否也参与温室效应,或只起到过滤太阳光紫外线的作用。
麻烦您帮助我弄清我们的大气层中这两层气体。

16/03/2000 Jean-Francois Castell的回答

简化答案 :
温室效应只与大气层中低层有关系(对流层, 在0 和10-15 公里之间高度), 虽然人们发现产生温室效应的气体层为于高处(同温层和甚至更高) 。在对流层中存在的相当小数量臭氧也会产生温室效应。臭氧层处在同温层(最大数量臭氧位于在20 和30 公里之间高度) 。它干预温室效应,充当一个吸收部分太阳紫外辐射的重大角色。

详细答案 :
这都解释清楚了,下面我尽可能简单地做一个综述。 

1. 当你在地球表面之上逐渐上升, 重力的作用变, 气体(每大气立方米公斤气体) 变稀。简言之, 我们通常认为在0 和16 公里之间高度包含着9/10 大气 , 在150 公里之外高度的大气密度变得微不足道(虽然只在400 公里高度之外气体才真正地逃脱地球吸引力)

2. 为很好地理解, 我们只是看看在地球表面之上50公里高度的大气层。我们可以将这50公里厚的大气层分为两层: 
第一层, 处在在0和10-15公里之间高度叫做对流层; 就是在这层出现大多数天气现象(云彩的形成等)。对流层温度不是恒定: 每上升100m,平均降低0.5Co(它仅是一个平均值, 可能有非常大的变化, 特别是在表面附近) 。在对流层顶部, 温度大约为-50Co
第二层, 处在10-15公里高度到大约50公里高度之间,叫做同温层。温度逐渐随高度增加而上升, 到大50公里高度约0Co

3. 产生温室效应的主要气体处在大气的这两个层中, 但气体间有区别
--水蒸气(H2O)"然的" 温室效应气体,主要存在对流层
--二氧化碳, 含碳气体,同时存在于对流层和同温层。在70 公里之外高度被太阳紫外线辐射所破坏。它的温室效应气体的角色为主要表现在对流层
--甲烷 (CH4), 其在大气中的分布方式与二氧化碳相似
--笑气(N2O) 积累在对流层, 当它通过在温层时被太阳紫外辐射毁坏
--含氟氯烃(CFC) 温室效应气体。它们存在于对流层,在同温层同样被太阳紫外辐射所毁坏,与同温层的臭氧的反应也会破坏。

4. 对于臭氧比较复杂
 
90% 大气臭氧是在同温层。在那里, 臭氧(O3) "天然地"生产出: 由双氧 (O2) 分子吸收的部分太阳紫外辐射导致这个分子断裂为二个氧原子,然后二个氧原子每一个与双氧分子起反应形成臭氧分子(O3) 这个反应只能在20 公里之外高处中完成, 因为在低处, 太阳辐射被它与大气成分的相互作用所衰减,从而没有足够能量打破O2 分子。
这个同温层的臭氧构成了著名"臭氧层"保护我们免受部分太阳紫外线辐射: 的确, 臭氧分子具有吸收部分紫外线辐射(能量前面的要小) 并且分裂为一个双氧分子(O2) 和一个氧原子(O) 的特性。然后氧原子与臭氧分子(O3) 反应形成二个O2 分子。
在对流层, 太阳能量不够强以打破这个O2 分子, 由这手段不可能在那里生产臭氧。另一方面, 有其它手段: 由紫外线辐射产生的二氧化氮(NO2)断裂生产的臭氧的数量比在同温层要小,因为它的前体与氧气比较不丰富(我为您介绍整个化学以解释对流层的臭氧含量, 如果希望的话我可以这样做!)

但对流层臭氧也温室效应气体, 其对温室效应的“附加”贡献为18%(也就是说,自然温室效应的增加)

5.  所有的温室效应
大气对于太阳辐射可见光部分是相对透明, 对紫外线则是相对不透明的, (我们曾讨论过) ,对于大波长辐射(红外)亦如此 。可见辐射可容易地穿过大气层并且部分被地球表面吸收。这个能量贡献导致地球表面升温。

根据它的温度, 表面以红外辐射的形式往空间散发能量。但其中部分温室效应气体吸收,又以红外辐射回地球表面。
因而,能经由大气到达地球表面的可见太阳辐射被" 变换" 成红外线和不可能辐射到外空间, 因为它被温室效应气体吸收。因而拦截的能量被变换成热, 对大低气层贡献热量。
更多涉及到的是低大气层( 对流层) 因为:  
在这个水平上气体密度最大
(除了臭氧, 但这是一个特殊情况), 更靠近地球表面的气体更多地吸收表面辐射,而且温度更高(在对流层, 我们看到温度随高度上升降低), 因而往表面散发更多的辐射。在更高处存在的温室效应气体也可能吸收由表面散发红外辐射, 但这种辐射大部分已经由低层所吸收, 他们向地面辐射要小些。此外,一部分辐射的离开大气层而没有被其它为温室效应气体所吸收。

6. 结论
象大多数气体一样, 温室效应气体在低大气(对流层) 中密度很大, 正是在这层中它们扮演温室效应”角色。大气层中的臭氧形成主要在更高层, 即同温层, 这里的温室效应不太明显,因为大多数地球辐射已经由低大气层吸收。这就是为什么臭氧层主要充当吸收来自太阳紫外线辐射的角色, 而不是吸收由地球表面散发的红外辐射的角色。相反地, 大气(对流层)中的低浓度臭氧则扮演温室效应气体的角色而不是紫外线辐射反射屏的角色,因为紫外线辐射已被臭氧层吸收

16/03/2000 Sandrine Bony的回答 :
有关CFC (或 freons)的小补充 :
CFC (或freons) 对于臭氧(因为它们破坏臭氧层) 和温室效应都是有害的。的确, 在大气中CFC 浓度很低, 但它们随时间的增加(由于人活动) 对温室效应的增大影响很大: 对温室效应的增大影响,增加一个CFC 分子是增加一个二氧化碳分子的大约12000 倍! 
限制对CFC 的使用的二个有力理由!

 
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