接续前文:

走进美国Biosphere 2:令人大开眼界的地球科学实验

灌溉系统

位在「生物圈二号」(Biosphere 2)内,由美国亚利桑那大学科学家打造的地貌演化观测站(Landscape Evolution Observatory,LEO),包含三种不同的地貌;每个地貌中的山坡(编按:参考上方大图)都配备了特别设计的雨水系统,能以每小时3~45毫米(mm/hr)的速率在一定范围空间内降雨。

该种雨水系统能有助于建立长期稳定的环境状态,或是执行复杂的模拟;这种降水供水储存系统具备灵活的设计,好让科学家们能以恒定或是依据时变率的方式,添加追踪剂到三种地貌的山坡上。LEO的设计者打造了一种客制化的灌溉系统,能个别控制三种地貌的水文循环,或说水的流动;当雨水降下、流入土壤,然后会有部份蒸发,如此不断循环。

这个系统还整合了一个传感器网络,用以量测地面水平衡的储存量与水流通量(flux)等元素,运用以下的方程式:ΔS = P-ET-Q;其中ΔS是地下水储存量变化,P是降水量,ET是蒸发量,Q则是排水量(所有的变量都是时间函数)。

为了创造并控制实验中的降雨,每个斜坡都有5个独立的配管系统电路,包含14个知名品牌Hunter的MP Rotator系列旋转洒水喷头,以等距间隔放置在土壤表面上方约3公尺的高度(在每一块地貌距离最长的两侧各布置了7个)。这样的系统能产生能被精准量测的降雨速率,科学家们是使用Thies Clima的冲力雨滴谱计(disdrometer)。

006ednc20170901 冲力雨滴谱计是一种雷射式降水量监测器,能量测每滴雨滴的速度与大小(来源:Thies Clima)

客制化设计的灌溉系统驱动水文循环,也就是在LEO地貌上的水循环蒸发与凝结;所配置的传感器网络用以量测地面水平衡的水储存量与水流通量。

土壤湿度与温度传感器

LEO采用Decagon的5TM传感器量测土壤湿度,该传感器上整合了热敏电阻(thermistor)可提供温度量测数字,以及利用电容/频域(frequency domain)技术来量测精确的体积含水量(volumetric water content,VWC);后置讯号滤波器(post signal filters)将盐度与质地效应最小化,以实现最高的量测精确度;并有一个数据纪录器,透过串行式或是SDI-12通讯协议来记录量测数据。(关于土壤湿度量测技术,Decagon Devices有一些不的在线数据可供参考)

007ednc20170901 Decagon的5TM土壤湿度与温度传感器(来源:Loretta Taranovich)

介电式水势能传感器

科学家们需要了解与每个地貌有关的水流动情况,以传感器来量测水含量以及水势能(water potential)、结构势能(matric potential),也就是植栽可取得的水量(采用Decagon的MPS-2产品);这些传感器大多数是埋在土壤下,以量测土壤以及其他多孔材质的水势能与温度。那些传感器的耗电量低,使其成为永久埋在土壤之下持续以数据纪录器读取数据的理想方案。

008ednc20170901 MPS-2水势能传感器(来源:Decagon)

在土壤中也有水采样器(samplers),是一种有许多微小毛孔的装置,能在实验场之外以一道吸力抽取水,以量测被施加于土壤的养份与同位素;因此透过提供内含某种化学记号的人造雨,科学家能观察雨水是如何流动并渗入土壤。

009ednc20170901 PRENART的土壤水采样器(来源:Loretta Taranovich)

二氧化碳传感器

LEO土壤内的固态、液态与气态碳储存量、转换与流通量也受到监测。有一套由抽吸渗漏计(suction lysimeters)组成的庞大网络,能取得固态与液态的样本;实验现场也有一个分析实验室,能量测溶解的有机与无机物质型态碳。还有一种客制化的自动采样装置,用以收集生成的放电。LEO土壤中装置了48个二氧化碳传感器(Vaisala CARBOCAP GMM220),用以持续自动监测土壤中的气态二氧化碳。

010ednc20170901 Vaisala的二氧化碳传感器(来源:Loretta Taranovich)

为了提取土壤中的个别气体样本以进行化学分析,LEO土壤中埋入了151根特制的气体采样管;这些管子很小、具有微小的孔隙,是以有许多微小孔洞的铁氟龙(Teflon)管制成。气态样本的同位素分析,是利用一种流通回路来完成,能透过雷射光谱进行连续量测;以充分时间取得相同的气体量,能实现量测平衡。

四用途净辐射计

净辐射(net radiation)是来自太阳与天空入射辐射量,以及来自地面出射辐射量之间的平衡;通常会有0.3~3μm波长的短波辐射接触地球表面,其中有部份反射了,其余的能量则是被地表吸收。入射波长约在4.5~40μm以上的短波远红外线(FIR)辐射,也会被地表吸收,然后温度会升高并将FIR射回天空。

净辐射的四种主要成份,是入射与反射的太阳光辐射,从中可以计算反照率(Albedo)以及向上/向下的红外线辐射;这些参数能利用一对天空辐射计(pyranometers),以及一对地面辐射计(pyrgeometers)来量测,但更常见的是将四种传感器结合在一台小巧仪器中的净辐射计(如下图)。

011ednc20170901 Kipp & Zonen的四用途净辐射计,能用以量测短波与红外线辐射,以及能量的平衡,被装设在LEO地貌中央的垂直桅杆上(来源:Kipp & Zonen)

继续阅读:

[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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