當我走進「生物圈二號」(Biosphere 2;編按:位於美國亞利桑那州Oracle的人造封閉生態系統),忍不住會去感受這個系統內部與周遭環境的蓬勃生機與活力,就好像是我們四周的地球環境突然讓我的五感放大。

我很想知道,我們所生活的這個宇宙的「造物者」,是不是故意把其他星星與星球等「作品」放在那邊,以激勵人類想對我們生活的地球以及它的神奇之處──也就是「生物圈一號」(Biosphere 1)所建構的模型──有更充分的了解。

而當我在「生物圈二號」內部的地貌演化觀測站(Landscape Evolution Observatory,LEO)接受導覽,並取得參與這個全世界最大規模實驗室的跨學門地球科學實驗之幕後科學家、學生們的獨家觀點之後,我了解到這些專職「探險家」為了追求我們所居住的地球這個複雜互動系統中,關於空氣、水文、行星以及微生物…等知識所做的努力。

身為工程師的我們,特別是類比與電源技術工程師,需要去關注這類的地球科學發展;理由有很多個:首先最重要的是,事實上我們有很多人是為了讓這個世界能因為我們的創造力而變得更好;其次,這類研究的進展可能會因為缺乏我們的幫助而進展得更緩慢,電子科技能對這類科學研究帶來有力的支持。

在這篇文章中,我將與讀者們分享我從LEO以及其他「生物圈二號」研究所學到的知識,以及他們所運用的電子技術,特別是各式各樣的感測器。

LEO是什麼?

LEO是由「生物圈二號」的經營者──美國亞利桑那大學(University of Arizona)所構建,內含三個獨立的地貌區域,每個區域都內含與地底與地面上硬體、感測器連接的線路。LEO所進行的實驗在第一、二年各種植物加入之前,會聚焦於水文以及地球化學(geo-chemistry)的研究;如下圖就是其中一個地貌。

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「生物圈二號」內部LEO的三種地貌之一
(來源:Loretta Taranovich)

在下圖中央的垂直桅杆(總共有五根桅杆中的一根),顯示了一部份安裝在距離土壤表面分別為0.25公尺、1公尺、3公尺、6公尺以及9到10公尺的上方橫樑的儀器;那些橫樑配備了量測溫度、相對濕度、風速與風向、可見光線等等的感測器,還有氣體採樣埠。某幾根桅杆配備四向淨輻射計(net radiometer),甚至有3D聲波風速計(sonic anemometer)。

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LEO地貌中的三個氣候控制灣之一的特寫
(來源:Loretta Taranovich)

LEO實驗使用的土壤,是粗糙的火山岩材質,又稱為玄武火山礫凝灰岩(basaltic airfall lapilli);是從鄰近亞利桑那州Flagstaff的Merriam Crater (火山口)採集,然後磨碎為顆粒均勻的土壤。因為是從零開始打造,LEO能讓科學家了解土壤內部的確切結構;總共有大約2,000顆感測器以及採樣器被埋在土壤下1公尺深,每一顆感測器的位置都能精確得知。

比起被放置在田野中的感測器,那些感測器在觀察過程的破壞性更低;它們能了解到水份、能量與碳是如何穿透土壤移動,以及化學變化如何發生。因此,科學家能觀察生命是如何開始於有微生物出現的土壤中生長,並能控制力如溫度、降水時間與降水量、濕度、空氣成份等等環境參數。

感測器網路負責感測周遭情況,並將數據儲存於資料庫中,每日量測頻率為67萬次;這些數據能即時提供給科學研究社群做為原始資料,以及做為一系列被自動化處理的數據。而在1~2年之後,將會有植物添加於此系統中,科學家們屆時可觀察土壤與大氣之間以氣體、水、碳等不同形式的交換,各種移動方式會大不相同。

接下來,LEO還會運作不同的氣候情境、擾動、乾旱、降雨等等事件,已收集更多資料來深入了解該生態系統。而你可能會想問,在這個實驗項目裡到底能用到多少感測器?在接下來我更進一步深入LEO幕後的探險,真的是令人大開眼界!(以下先看一段「生物圈二號」LEO的官方簡介影品)

 
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編譯:Judith Cheng