接續前文:「生物圈二號」探險:令人大開眼界的地球科學實驗  

灌溉系統

位在「生物圈二號」(Biosphere 2)內,由美國亞利桑那大學科學家打造的地貌演化觀測站(Landscape Evolution Observatory,LEO),包含三種不同的地貌;每個地貌中的山坡(編按:參考上方大圖)都配備了特別設計的雨水系統,能以每小時3~45毫米(mm/hr)的速率在一定範圍空間內降雨。

該種雨水系統能有助於建立長期穩定的環境狀態,或是執行複雜的模擬;這種降水供水儲存系統具備靈活的設計,好讓科學家們能以恆定或是依據時變率的方式,添加追蹤劑到三種地貌的山坡上。LEO的設計者打造了一種客製化的灌溉系統,能個別控制三種地貌的水文循環,或說水的流動;當雨水降下、流入土壤,然後會有部份蒸發,如此不斷循環。

這個系統還整合了一個感測器網路,用以量測地面水平衡的儲存量與水流通量(flux)等元素,運用以下的方程式:ΔS = P-ET-Q;其中ΔS是地下水儲存量變化,P是降水量,ET是蒸發量,Q則是排水量(所有的變量都是時間函數)。

為了創造並控制實驗中的降雨,每個斜坡都有5個獨立的配管系統電路,包含14個知名品牌Hunter的MP Rotator系列旋轉灑水噴頭,以等距間隔放置在土壤表面上方約3公尺的高度(在每一塊地貌距離最長的兩側各佈置了7個)。這樣的系統能產生能被精準量測的降雨速率,科學家們是使用Thies Clima的衝力雨滴譜計(disdrometer)。

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衝力雨滴譜計是一種雷射式降水量監測器,能量測每滴雨滴的速度與大小
(來源:Thies Clima)

客製化設計的灌溉系統驅動水文循環,也就是在LEO地貌上的水循環蒸發與凝結;所配置的感測器網路用以量測地面水平衡的水儲存量與水流通量。

土壤濕度與溫度感測器

LEO採用Decagon的5TM感測器量測土壤濕度,該感測器上整合了熱敏電阻(thermistor)可提供溫度量測數字,以及利用電容/頻域(frequency domain)技術來量測精確的體積含水量(volumetric water content,VWC);後置訊號濾波器(post signal filters)將鹽度與質地效應最小化,以實現最高的量測精確度;並有一個資料紀錄器,透過串列式或是SDI-12通訊協定來記錄量測數據。(關於土壤濕度量測技術,Decagon Devices有一些不的線上資料可供參考)

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Decagon的5TM土壤濕度與溫度感測器
(來源:Loretta Taranovich)

介電式水勢能感測器

科學家們需要了解與每個地貌有關的水流動情況,以感測器來量測水含量以及水勢能(water potential)、結構勢能(matric potential),也就是植栽可取得的水量(採用Decagon的MPS-2產品);這些感測器大多數是埋在土壤下,以量測土壤以及其他多孔材質的水勢能與溫度。那些感測器的耗電量低,使其成為永久埋在土壤之下持續以資料紀錄器讀取數據的理想方案。

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MPS-2水勢能感測器
(來源:Decagon)

在土壤中也有水採樣器(samplers),是一種有許多微小毛孔的裝置,能在實驗場之外以一道吸力抽取水,以量測被施加於土壤的養份與同位素;因此透過提供內含某種化學記號的人造雨,科學家能觀察雨水是如何流動並滲入土壤。

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PRENART的土壤水採樣器
(來源:Loretta Taranovich)

二氧化碳感測器

LEO土壤內的固態、液態與氣態碳儲存量、轉換與流通量也受到監測。有一套由抽吸滲漏計(suction lysimeters)組成的龐大網路,能取得固態與液態的樣本;實驗現場也有一個分析實驗室,能量測溶解的有機與無機物質型態碳。還有一種客製化的自動採樣裝置,用以收集生成的放電。LEO土壤中裝置了48個二氧化碳感測器(Vaisala CARBOCAP GMM220),用以持續自動監測土壤中的氣態二氧化碳。

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Vaisala的二氧化碳感測器
(來源:Loretta Taranovich)

為了提取土壤中的個別氣體樣本以進行化學分析,LEO土壤中埋入了151根特製的氣體採樣管;這些管子很小、具有微小的孔隙,是以有許多微小孔洞的鐵氟龍(Teflon)管製成。氣態樣本的同位素分析,是利用一種流通迴路來完成,能透過雷射光譜進行連續量測;以充分時間取得相同的氣體量,能實現量測平衡。

四用途淨輻射計

淨輻射(net radiation)是來自太陽與天空入射輻射量,以及來自地面出射輻射量之間的平衡;通常會有0.3~3μm波長的短波輻射接觸地球表面,其中有部份反射了,其餘的能量則是被地表吸收。入射波長約在4.5~40μm以上的短波遠紅外線(FIR)輻射,也會被地表吸收,然後溫度會升高並將FIR射回天空。

淨輻射的四種主要成份,是入射與反射的太陽光輻射,從中可以計算反照率(Albedo)以及向上/向下的紅外線輻射;這些參數能利用一對天空輻射計(pyranometers),以及一對地面輻射計(pyrgeometers)來量測,但更常見的是將四種感測器結合在一台小巧儀器中的淨輻射計(如下圖)。

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Kipp & Zonen的四用途淨輻射計,能用以量測短波與紅外線輻射,以及能量的平衡,被裝設在LEO地貌中央的垂直桅桿上
(來源:Kipp & Zonen)

 
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編譯:Judith Cheng