当我走进「生物圈二号」(Biosphere 2;编按:位于美国亚利桑那州Oracle的人造封闭生态系统),忍不住会去感受这个系统内部与周遭环境的蓬勃生机与活力,就好像是我们四周的地球环境突然让我的五感放大。

我很想知道,我们所生活的这个宇宙的「造物者」,是不是故意把其他星星与星球等「作品」放在那边,以激励人类想对我们生活的地球以及它的神奇之处──也就是「生物圈一号」(Biosphere 1)所建构的模型──有更充分的了解。

而当我在「生物圈二号」内部的地貌演化观测站(Landscape Evolution Observatory,LEO)接受导览,并取得参与这个全世界最大规模实验室的跨学门地球科学实验之幕后科学家、学生们的独家观点之后,我了解到这些专职「探险家」为了追求我们所居住的地球这个复杂互动系统中,关于空气、水文、行星以及微生物…等知识所做的努力。

身为工程师的我们,特别是模拟与电源技术工程师,需要去关注这类的地球科学发展;理由有很多个:首先最重要的是,事实上我们有很多人是为了让这个世界能因为我们的创造力而变得更好;其次,这类研究的进展可能会因为缺乏我们的帮助而进展得更缓慢,电子科技能对这类科学研究带来有力的支持。

在这篇文章中,我将与读者们分享我从LEO以及其他「生物圈二号」研究所学到的知识,以及他们所运用的电子技术,特别是各式各样的传感器。

LEO是什么?

LEO是由「生物圈二号」的经营者──美国亚利桑那大学(University of Arizona)所构建,内含三个独立的地貌区域,每个区域都内含与地底与地面上硬件、传感器连接的线路。LEO所进行的实验在第一、二年各种植物加入之前,会聚焦于水文以及地球化学(geo-chemistry)的研究;如下图就是其中一个地貌。

「生物圈二号」内部LEO的三种地貌之一(来源:Loretta Taranovich)

在下图中央的垂直桅杆(总共有五根桅杆中的一根),显示了一部份安装在距离土壤表面分别为0.25公尺、1公尺、3公尺、6公尺以及9到10公尺的上方横梁的仪器;那些横梁配备了量测温度、相对湿度、风速与风向、可见光线等等的传感器,还有气体采样埠。某几根桅杆配备四向净辐射计(net radiometer),甚至有3D声波风速计(sonic anemometer)。

LEO地貌中的三个气候控制湾之一的特写(来源:Loretta Taranovich)

LEO实验使用的土壤,是粗糙的火山岩材质,又称为玄武火山砾凝灰岩(basaltic airfall lapilli);是从邻近亚利桑那州Flagstaff的Merriam Crater (火山口)采集,然后磨碎为颗粒均匀的土壤。因为是从零开始打造,LEO能让科学家了解土壤内部的确切结构;总共有大约2,000颗传感器以及采样器被埋在土壤下1公尺深,每一颗传感器的位置都能精确得知。

比起被放置在田野中的传感器,那些传感器在观察过程的破坏性更低;它们能了解到水份、能量与碳是如何穿透土壤移动,以及化学变化如何发生。因此,科学家能观察生命是如何开始于有微生物出现的土壤中生长,并能控制力如温度、降水时间与降水量、湿度、空气成份等等环境参数。

传感器网络负责感测周遭情况,并将数据储存于数据库中,每日量测频率为67万次;这些数据能实时提供给科学研究社群做为原始数据,以及做为一系列被自动化处理的数据。而在1~2年之后,将会有植物添加于此系统中,科学家们届时可观察土壤与大气之间以气体、水、碳等不同形式的交换,各种移动方式会大不相同。

接下来,LEO还会运作不同的气候情境、扰动、干旱、降雨等等事件,已收集更多数据来深入了解该生态系统。而你可能会想问,在这个实验项目里到底能用到多少传感器?在接下来我更进一步深入LEO幕后的探险,真的是令人大开眼界!

继续阅读:

走进美国Biosphere 2:传感器技术助力地貌观测

[走进美国Biosphere 2:为了更美好的地球]((http://www.ednchina.com/news/article/20170905Biosphere2)

(原文发表于Aspencore旗下EDN美国版,作者Steve Taranovich为EDN资深技术编辑,参考原文:edn.com;Judith Cheng编译)

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