接续前文:

走进美国Biosphere 2:令人大开眼界的地球科学实验

走进美国Biosphere 2:传感器技术助力地貌观测

除了利用传感器来观察土壤、水流、空气,LEO还装备了Campbell Scientific提供的3D声波风速计#CSAT3B (如下图);这种装置能透过涡流协变性(eddy-covariance)量测方法,执行精确的风速与风向量测。该风速计会量测三个正交风场分量,以及声波温度(sonic temperature),然后以最高100Hz的速率输出数据。

012ednc20170901 Campbell Scientific的声波风速计也是装设在LEO地貌正中央的垂直桅杆上(来源:Campbell Scientific)

地形变化与漫地流量测

针对扩散型地形作用(diffusive geomorphic processes)──例如雨水溅击、生命有机体造成的沉积物扰动、由植物根生长造成的生物扰动(bioturbation)──以及因为漫地流(overland flow)造成的土壤移动,LEO是利用Leica (编按:就是那家相机大厂)的C10雷射扫描仪来量测;该种扫描仪是安装在LEO三个地貌底盘框架外的边缘位置,来自三个地貌观测站的扫描结果,会与环绕着LEO框架间隔装设的高分辨率扫描仪锁定目标之高分辨率扫描结果共同登录。

013ednc20170901 Leica C10雷射扫描仪能量测LEO土壤因雨水溅击、植物根生长等造成的地形变化(来源:Leica)

Leica的Cyclone软件则能生成一致的点云(point cloud),是依据主坐标系统经过精确地理定位参考的;而数值高程模型(Digital elevation model,DEM)会依据固定时间间隔、或在有可能改变地形的事件发生后建构。该雷射扫描仪也会在LEO的地貌植被完成后,用于量化地面植物生质(biomass)的物理特性(例如树冠结构)。

排水量测

排水的量测是在LEO的地貌下斜坡末端渗流面边界进行,在这个边界上以碎石与玄武岩层界接,如此能加速渗入土壤中的水份快速排出;下斜坡的碎石边界与一片有钢架支撑的穿孔塑料板紧邻,并有坚固的分隔板将整个渗流面区域分成六大块。

从渗流面各区域排出的水流,会导引通过磁流量计(SeaMetrics的PE102流量计),然后通过一个倾斗式雨量计(tipping bucket gauge,NovaLynx的26-2501-A);该雨量计会在时间内重复校准,以评估量测性能中任何的偏移。

014ednc20170901 从图中可见到装设于LEO地貌斜坡下的6个倾斗式雨量计以及磁流量计,这些设备用以监测每一块LEO地貌表面子区块的渗流面排水(来源:Loretta Taranovich)

碳循环监测

在LEO的大气、地貌以及生物社群之间的碳循环,是利用以下的方程式来表示:ΔC =CP + CA + CW−CR−CQ;其中ΔC代表LEO土壤与生质内部的碳储存量,而等号右边则代表与各种作用相关连的时间变化碳通量,包括降水渗入(precipitation inputs,P)、经过光合作用的总同化量(gross assimilation,A),以及地质化学风化反应(geochemical weathering reactions,W)、生态系统呼吸(ecosystem respiration,R),以及放电中的碳排放(carbon exports in discharge,Q)。

数据撷取与储存

LEO所有的传感器(包括数字、模拟或脉冲产生装置)会将数据传送到4个小巧的可重新配置控制与撷取系统(NI的CompactRIO平台,型号cRIO-9074);该系统具备扮演输入/输出装置,或是通讯总线的模块。

模拟装置会持续被采样,cRIO系统则以程序设定为执行基础讯号处理(例如移动平均数);总计整个LEO有992个Decagone传感器(包括在上一篇文章看到的MPS-2与5TM系列传感器),是利用SDI-12通讯协议,透过特制的分线板与cRIO系统介接。所有其他纪录仪器则直接与cRIO系统内部的模块链接。

cRIO系统以程序设定为储存来自整个地貌监测系统≈30天的数据,这能在网络中断的任何时期提供复原功能;数据储存与传播则是以「生物圈二号」内两台服务器上的Oracle集中式数据库执行。

Honeywell荷重元

每一块重量约600公吨的地貌,都在结构中嵌入了荷重元(load cell),以量测整体系统的质量变化;其满刻度重复性(full-scale repeatability)为0.05%──相当于小于1cm的降水量。这有助于实时计算地貌坡度上的水文分配。

015ednc20170901 在LEO下方的Honeywell荷重元,以铝箔隔热材料包裹(来源:Loretta Taranovich)

LEO需要以非常精确的磅秤──也就是荷重元──来实时平衡整个水循环预算;荷重元放置在每块地貌结构中,用以量测每块地貌总重量非常微小的变化,例如当雨水降下渗入土壤、然后变成地下水流排出,或是经过蒸发、植物蒸散(transpiration)。透过这种方式,科学家能更了解水在地貌的流动与渗入;LEO的荷重元能量测100~150吨(ton)或22万~33万磅。

016ednc20170901 Honeywell荷重元是长这样的(来源:Loretta Taranovich)

土壤采样

LEO的三块地貌都内含一个空间密集的传感器/采样器网络,能解决在湿度、能量与碳状态/通量方面的公尺(meter)等级横向异质性(heterogeneity)以及次公尺(sub-meter)等级垂直异质性;传感器的密度与在量测中被轮询的频率,是在大自然场域中不可能做到的设定。嵌入式解决方案以及气体采样器,可量化生物地质化学循环程序,并有助于利用化学追踪剂,以非常空间密集的尺度来研究水的流动。

周期性的土壤采样以往都是以人工在LEO地貌中的大面积区域中进行,而新技术则是利用真空吸取器,周期性地将水样本抽取到LEO地貌下的大量塑料管中(如下图)。研究人员会定期取走一定数量的管子(对应地貌中特定网格位置),并执行水成份的分析,以判断土壤是如何过滤水,吸收了哪些成份、又让那些成份通过。

017ednc20170901 真空吸取器会周期性吸取水样本到LEO地貌下方的大量塑料管中。(来源:Loretta Taranovich)

最后,笔者要特别感谢让我这次「生物圈二号」探险如此丰富的、两位亲切又知识渊博的向导:研究技术员Aaron Bugaj (下图中),以及亚利桑那大学「生物圈二号」副主任John Adams (下图右)。没有他们两位,这一系列的LEO技术报导无法如此完整。

018ednc20170901 感谢「生物圈二号」的科学家向导!(来源:Loretta Taranovich)

对于「生物圈二号」的LEO与热带雨林研究有兴趣的读者,可以连结由亚利桑纳大学负责经营的Wiki网站上,看到各种分享的研究成果;接下来EDN还会有关于「生物圈二号」热带雨林的独家报导,届时会有更多传感器技术亮相,让你兴奋地发现科学家们正如何利用这些技术,研究让我们居住的这个地球环境更美好。

(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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