(57)【要約】      （修正有）【課題】温室効果に対する現象の理解を深めるため、二酸化炭素の赤外線の吸収と放射を確認できる温室効果実験装置を提供する。【解決手段】二酸化炭素などの温室効果気体や乾燥空気をポリエチレンの測定用容器２１に密封し、温室効果気体の赤外線を吸収する性質を確認する実験では、暖熱源からの赤外線を回転するシャッタ板５１で周期的に断続して照射し、吸収にともなう気圧変化を差動気圧計１０により気圧変化波形として測定する。一方、温室効果気体の赤外線を放射する性質を確認する実験では、赤外線を吸収する氷水を用いた冷熱源と容器を回転するシャッタ板５１をはさんで対向させ、放射にともなう気圧変化を差動気圧計１０により気圧変化波形として測定する。測定用容器２１と同じ構造の補正用容器３１を差動気圧計１０に接続して実験装置周辺の気圧変化による誤差を低減する。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を封入した二酸化炭素ボンベ（１）と、ポリエチレン製で円筒形の測定用容器（２１）と、容器に二酸化炭素を注入した後に密閉するネジ付きの第１のキャップ（２２）と、一端を第１のキャップ（２２）に固定し他端を差動気圧計（１０）に差し込める自在に曲がるゴム製の第１のチューブ（２３）、測定用容器（２１）と同じ材質および形状の周囲の気圧変化を検出する補正用容器（３１）と周辺の空気を取り込んだ後に容器を密閉するネジ付きの第２のキャップ（３２）と、一端を第２のキャップ（３２）に固定し他端を差動気圧計（１０）に差し込める自在に曲がるゴム製の第２のチューブ（３３）を設けるとともに、基板（４１）の上に赤外線を放射する金属製の熱源板（７１）と熱源板（７１）を加熱するニクロム線を用いたヒータ（７２）と、モータ（４２）で回転する赤外線を断続するシャッタ板（５１）と、熱源板（７１）の上部でシャッタ板（５１）によって開閉できる位置に赤外線照射窓（５４）を開けた窓板（５２）と、赤外線照射窓（５４）の周囲に横方向からの赤外線の防ぐ第１の遮光枠（５６）を設け、窓板（５２）をシャッタ板（５１）から一定の距離に第１の支柱（４３）および第２の支柱（４４）によって組み立てるとともに、赤外線照射窓（５４）の上に横たえた測定用容器（２１）と補正用容器（３１）との気圧差に比例した電圧を出力する差動気圧計（１０）および気圧測定出力（１３）の気圧変化波形を記録するオシロスコープ（８０）を設けた温室効果実験装置。
【請求項２】
二酸化炭素を封入した二酸化炭素ボンベ（１）と、ポリエチレン製で円筒形の測定用容器（２１）と、容器に二酸化炭素を注入した後に密閉するネジ付きの第１のキャップ（２２）と、一端を第１のキャップ（２２）に固定し他端を差動気圧計（１０）に差し込める自在に曲がるゴム製の第１のチューブ（２３）、測定用容器（２１）と同じ材質および形状の周囲の気圧変化を検出する補正用容器（３１）と周辺の空気を取り込んだ後に容器を密閉するネジ付きの第２のキャップ（３２）と、一端を第２のキャップ（３２）に固定し他端を差動気圧計（１０）に差し込める自在に曲がるゴム製の第２のチューブ（３３）を設けるとともに、基板（４１）の上に赤外線を吸収する氷水（６２）を入れた水容器（６１）と、モータ（４２）で回転して赤外線を断続するシャッタ板（５１）と、水容器（６１）の上部でシャッタ板（５１）によって開閉できる位置に赤外線放射窓（５３）を開けた窓板（５２）と、赤外線放射窓（５３）の周囲に横方向からの赤外線の防ぐ第２の遮光枠（５５）を設け、窓板（５２）をシャッタ板（５１）から一定の距離に第１の支柱（４３）および第２の支柱（４４）によって組み立てるとともに、赤外線放射窓（５３）の上に横たえた測定用容器（２１）と補正用容器（３１）との気圧差に比例した電圧を出力する差動気圧計（１０）および差動気圧計（１０）の気圧測定出力（１３）の気圧変化波形を記録するオシロスコープ（８０）を設けた温室効果実験装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本考案は、地球温暖化に関係する教育に際して、二酸化炭素の温室効果についての理解を深めるための実験装置である。
【背景技術】
【０００２】  温室効果とは、太陽から地球に到達したエネルギーを温室効果気体の働きで大気圏にとどめて、大気の温度を保つ効果である。温室効果気体としては水蒸気が最も多く、他に二酸化炭素、メタンなどがある。【０００３】  太陽からのエネルギーは可視光線が主体で、雲で宇宙へ反射されなければ、大気による吸収は少なく大半が地表に達し地表を熱する。熱せられた地表面は熱伝導と赤外線の放射によって大気を加熱する。
加熱された大気に含まれる温室効果気体は赤外線を放射し、その一部は地面や大気を再び加熱し地表面の気温を高める【０００４】  温室効果気体を含む空気の分子と地表面や雲などとの間で熱伝導の他に、赤外線吸収、放射によって熱をやり取りしている。温室効果の理解を深めるために、温室効果気体の赤外線吸収と赤外線放射の働きを実験で体験することは極めて有効である。【０００５】  本装置は赤外線を透過する材質による密閉できる容器に温室効果気体や乾燥空気を封入し、容器を通して赤外線を断続照射するほか、断続放射をさせた時の気圧変化量を比較することで、気体の種類による赤外線の吸収・放射能力の違いを体験する実験装置である。【０００６】  温室効果気体を含む空気は、赤外線の吸収によって内部エネルギーが増大し、体積を一定にした時は気圧が高まり、温度が上がる。また赤外線を放射した時は内部エネルギーが減少し、体積を一定にした時は気圧が低下し、温度が下がる性質がある。
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００７】  従来の温室効果実験は、二つの容器の一方に乾燥した空気、他方に二酸化炭素を封入し容器にそれぞれ温度計を入れて、極力条件をそろえて加熱し、その後、自然に冷却をさせる。冷却段階の温度の降下の仕方を比較させ、二酸化炭素を入れた容器内の温度の降下が少ないことから、二酸化炭素の保温性で温室効果を理解させようとした例があるが、温度計感温部の熱容量が大きく温度測定の応答が遅く、二酸化炭素の赤外線に対する反応を説明する事は難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本考案は、乾燥空気や二酸化炭素などの温室効果気体を混合した空気を入れた容器を回転するシャッタ板をはさんで暖熱源または冷熱源を対向させ、容器内の空気の赤外線吸収または赤外線放射を差動気圧計で気圧変化として測定する。差動気圧計のセンサにコンデンサーマイクを用いることで高速で高感度の測定を実現している。また、赤外線の照射と放射を回転シャッタ板で周期的に断続することで気圧の変化波形の視認を容易にしている。
【考案の効果】
【０００９】  温室効果気体が赤外線を吸収する性質を確認する実験ではヒータで周囲の気温より２５℃程度加熱した断熱源と容器を対向させ、その間に回転するシャッタ板を配置し、最初は容器内を乾燥空気で満たし赤外線を周期的に照射する。乾燥空気を入れた容器と差動気圧計をチューブでつないで容器内の気圧変化を測定し、測定出力をオシロスコープで記録する。次に、容器の体積の１０％の二酸化炭素を注入して、赤外線を周期的に照射した時の差動気圧計の測定出力をオシロスコープで記録する。乾燥空気の気圧変化量は１パスカル以下であるのに、二酸化炭素を混合した時の気圧変化は約７パスカルで、二酸化炭素の赤外線の吸収能力がオシロスコープの記録から容易に確認できる。【００１０】  さらに温室効果気体が赤外線を放射する性質を確認する実験では皿に氷水を入れた冷熱源と容器を対向させ、その間に回転するシャッタ板を配置し、容器から冷熱源に向けて赤外線を周期的に放射する状態を作る。最初は乾燥空気を満たした容器から赤外線を周期的に放射させる。乾燥空気を入れた容器と差動気圧計をチューブでつないで容器内の気圧変化を測定し、測定出力をオシロスコープで記録する。次に、容器の体積の１０％の二酸化炭素を注入して、赤外線を周期的に放射した時の差動気圧計の測定出力をオシロスコープで記録する。オシロスコープの記録から乾燥空気の気圧変化量は確認できないくらい小さいのに対し、二酸化炭素を混合した時の気圧変化は約１．４パスカルで、二酸化炭素の赤外線の放射にともなう気圧変化が容易に確認できる。
【考案を実施するための最良の形態】
【００１１】  以下、本考案を実施するための最良の形態について説明する。温室効果気体である二酸化炭素が入っている二酸化炭素ボンベ（１）。乾燥空気や二酸化炭素を混合した空気を入れる測定用容器（２１）は赤外線を透過するポリエチレンを使用する。キャップＡ（２２）はねじ込みで測定用容器（２１）を密封する。【００１２】  補正用容器（３１）は装置周辺の空気を入れる。形状、材質は測定用容器（２１）と同じである。キャップＢ（３２）チューブＢ（３３）を通して差動気圧計（１０）の気圧入力Ｂ（１２）に導く。装置周辺の気圧変動によって発生する誤差を低減する働きをする。【００１３】  差動気圧計（１０）は気圧入力Ａ（１１）と気圧入力Ｂ（１２）の各々の気圧変化の差に比例した電圧を気圧測定出力（１３）に出力し、電線（８２）でオシロスコープ（８０）の入力端子（８１）に接続して気圧変化波形を記録する。コンデンサーマイクＡ（１４）コンデンサーマイクＢ（１５）は気圧変化に比例した電圧を出力するセンサである。一例としてＭＷ−６１Ａを使用する。【００１４】  図１と図２により測定用容器（２１）に赤外線の照射する構造を説明する。基板（４１）の上に赤外線を放射する暖熱源（７０）、赤外線を１秒程度の周期で断続するシャッタ板（５１）、シャッタ板を回転させるモータ（４２）を置く。シャッタ板（５１）は円周方向に等間隔で切りとった形状を有する。図３では正方形の板を４５°間隔で切り取った例である。気圧変化波形とシャッタ板の対応を見易くするには切り取る比率を変えても良い。基板（４１）の両端には支柱Ａ（４３）支柱Ｂ（４４）を置き、窓板（５２）をシャッタ板（５１）から約５ｍｍの位置に配置する。窓板（５２）には赤外線照射窓（５４）を設ける。赤外線照射窓（５４）の形状はシャッタ板（５１）の切り残した部分で隠れる形状にする。窓板（５２）とシャッタ板（５１）は赤外線を遮断できるプラスチック板を用いる。窓板（５２）の赤外線照射窓（５４）の周囲に遮光枠Ｂ（５６）を置き周囲からの赤外線を遮る。二酸化炭素を混合した空気の赤外線を吸収する性質を確認する実験では測定用容器（２１）を赤外線照射窓（５４）の上に横たえる。【００１５】  一方、図１と図２により測定用容器（２１）からに赤外線の放射させる構造を説明する。基板（４１）の上に赤外線を吸収する冷熱源（６０）、赤外線を１秒程度の周期で断続するシャッタ板（５１）、シャッタ板を回転させるモータ（４２）を置く。基板（４１）の両端に支柱Ａ（４３）支柱Ｂ（４４）を置き、窓板（５２）をシャッタ板（５１）から約５ｍｍの位置に配置する。窓板（５２）には赤外線放射窓（５３）を設ける。赤外線放射窓（５３）の形状はシャッタ板（５１）の切り残した部分で隠れる形状にする。窓板（５２）とシャッタ板（５１）は赤外線を遮断できるプラスチック板を用いる。窓板（５２）の赤外線放射窓（５３）の周囲に遮光枠Ａ（５５）を置き周囲からの赤外線を遮る。二酸化炭素を混合した空気の赤外線を放射する性質を確認する実験では測定用容器（２１）を赤外線照射窓（５３）の上に横たえる。【００１６】  図６で冷熱源（６０）の構造を説明する。水容器（６１）に氷水（６２）を入れ、０℃から１℃の冷���源をつくる。
図７で暖熱源（７０）の構造を説明する。熱源板（７１）にヒータ（７２）を接着し、室温から約２５℃高い温度にする。熱源板（７１）の表面にビニールテープを貼り赤外線の放射を多くする。熱源板（７１）の上面とシャッタ板（５１）の距離が約５ｍｍになるようにスペーサＡ（７３）、スペーサＢ（７４）で高さを調整する。【００１７】  実験は測定用容器（２１）を乾燥空気で満たした時と二酸化炭素を混合した空気で満たした時の気圧変化波形を比較して二酸化炭素など温室効果気体の赤外線を吸収したり放射したりする働きを確認する。測定用容器（２１）に乾燥空気で満たす方法の一例を図９で説明する。測定用容器（２１）のキャップＡ（２２）を外し、乾燥材（９２）とともに、乾燥容器（９１）に約３時間入れる。その後、乾燥容器の（９１）の中でできるだけ速やかにキャップＡ（２２）を締め戻す。この操作で測定用容器（２１）内の空気は水蒸気が減少し乾燥空気になる。乾燥容器（９１）は密封チャック付きのビニール袋でも良い。【００１８】  温室効果気体の赤外線吸収についての実験方法の一例を説明する。
１  図９の乾燥容器（９１）で測定用容器（２１）に乾燥空気を入れる。
２  測定用容器（２１）を赤外線照射窓（５４）の上に横たえ、キャップＡ（２２）からのチューブＡ（２３）を差動気圧計（１０）の気圧入力Ａ（１１）に接続する。
３  オシロスコープ（８０）の表示波形を見ながら圧力の安定を待ち、乾燥空気についての赤外線吸収波形を記録する。
４  測定用容器（２１）を取り出し、キャップＡ（２２）を外して二酸化炭素ボンベ（１）から二酸化炭素を注入し、キャップＡ（２２）を締め戻す。
５  測定用容器（２１）を再び赤外線照射窓（５４）の上に横たえる。
６  オシロスコープ（８０）の表示波形を見ながら圧力の安定を待ち、二酸化炭素についての赤外線吸収波形を記録する。
７  オシロスコープ（８０）の記録例を図１０に示す。（Ａ）は乾燥空気に対する気圧変化である。（Ｂ）は二酸化炭素を注入したときの気圧変化である。気圧変化量は乾燥空気より二酸化炭素の方が大きく、二酸化炭素の赤外線を吸収する性質を示す。【００１９】  二酸化炭素の赤外線放射についての実験方法の一例を説明する。
１  図９の乾燥容器（９１）で測定用容器（２１）に乾燥空気を入れる。
２  測定用容器（２１）を赤外線放射窓（５３）の上に横たえ、キャップＡ（２２）からのチューブＡ（２３）を差動気圧計（１０）の気圧入力Ａ（１１）に接続する。
３  オシロスコープ（８０）の表示波形を見ながら圧力の安定を待ち、乾燥空気についての赤外線放射波形を記録する。
４  測定用容器（２１）を取り出し、キャップＡ（２２）を外して二酸化炭素ボンベ（１）から二酸化炭素を注入し、キャップＡ（２２）を締め戻す。
５  測定用容器（２１）を再び赤外線放射窓（５３）の上に横たえる。
６  オシロスコープ（８０）の表示波形を見ながら圧力の安定を待ち、二酸化炭素についての赤外線放射波形を記録する。
７  オシロスコープ（８０）の記録として図１０に類似した気圧変化の波形が得られる。気圧変化量は乾燥空気より二酸化炭素の方が大きく、二酸化炭素の赤外線を放射する性質を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本考案の接続図である。
【図２】Ａ−Ａ断面図である。
【図３】シャッタ板以下の平面図である。
【図４】測定用容器（２１）を収容する部分の平面図である。
【図５】測定用容器（２１）を収容する部分のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】冷熱源（６０）の図面である。（Ａ）は平面図を示す。（Ｂ）はＣ−Ｃ断面図である。
【図７】暖熱源（７０）の図面である。（Ａ）は平面図を示す。（Ｂ）はＤ−Ｄ断面図である。
【図８】差動気圧計（１０）の回路図である。
【図９】乾燥容器（９１）の斜視図である。
【図１０】オシロスコープ（８０）で記録した気圧変化波形である。（Ａ）は乾燥空気に対する気圧変化波形である。（Ｂ）は二酸化炭素に対する気圧変化波形である。
【符号の説明】
【００２１】１  二酸化炭素ボンベ
１０  差動気圧計
１１  気圧入力Ａ
１２  気圧入力Ｂ
１３  気圧測定出力
１４  コンデンサーマイクＡ
１５  コンデンサーマイクＢ
２１  測定用容器
２２  キャップＡ
２３  チューブＡ
３１  補正用容器
３２  キャップＢ
３３  チューブＢ
４１  基板
４２  モータ
４３  支柱Ａ
４４  支柱Ｂ
５１  シャッタ板
５２  窓板
５３  赤外線放射窓
５４  赤外線照射窓
５５  遮光枠Ａ
５６  遮光枠Ｂ
６０  冷熱源
６１  水容器
６２  氷水
７０  暖熱源
７１  熱源板
７２  ヒータ
７３  スペーサＡ
７４  スペーサＢ
８０  オシロスコープ
８１  入力端子
８２  電線
９１  乾燥容器
９２  乾燥材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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