接續前文:「生物圈二號」探險:感測器技術助力地貌觀測  

除了利用感測器來觀察土壤、水流、空氣,LEO還裝備了Campbell Scientific提供的3D聲波風速計#CSAT3B (如下圖);這種裝置能透過渦流協變性(eddy-covariance)量測方法,執行精確的風速與風向量測。該風速計會量測三個正交風場分量,以及聲波溫度(sonic temperature),然後以最高100Hz的速率輸出資料。

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Campbell Scientific的聲波風速計也是裝設在LEO地貌正中央的垂直桅桿上
(來源:Campbell Scientific)

地形變化與漫地流量測

針對擴散型地形作用(diffusive geomorphic processes)──例如雨水濺擊、生命有機體造成的沉積物擾動、由植物根生長造成的生物擾動(bioturbation)──以及因為漫地流(overland flow)造成的土壤移動,LEO是利用Leica (編按:就是那家相機大廠)的C10雷射掃描儀來量測;該種掃描儀是安裝在LEO三個地貌底盤框架外的邊緣位置,來自三個地貌觀測站的掃描結果,會與環繞著LEO框架間隔裝設的高解析度掃描儀鎖定目標之高解析度掃描結果共同登錄。

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Leica C10雷射掃描儀能量測LEO土壤因雨水濺擊、植物根生長等造成的地形變化
(來源:Leica)

Leica的Cyclone軟體則能生成一致的點雲(point cloud),是依據主座標系統經過精確地理定位參考的;而數值高程模型(Digital elevation model,DEM)會依據固定時間間隔、或在有可能改變地形的事件發生後建構。該雷射掃描儀也會在LEO的地貌植被完成後,用於量化地面植物生質(biomass)的物理特性(例如樹冠結構)。

排水量測

排水的量測是在LEO的地貌下斜坡末端滲流面邊界進行,在這個邊界上以碎石與玄武岩層界接,如此能加速滲入土壤中的水份快速排出;下斜坡的碎石邊界與一片有鋼架支撐的穿孔塑膠板緊鄰,並有堅固的分隔板將整個滲流面區域分成六大塊。

從滲流面各區域排出的水流,會導引通過磁流量計(SeaMetrics的PE102流量計),然後通過一個傾斗式雨量計(tipping bucket gauge,NovaLynx的26-2501-A);該雨量計會在時間內重複校準,以評估量測性能中任何的偏移。

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從圖中可見到裝設於LEO地貌斜坡下的6個傾斗式雨量計以及磁流量計,這些設備用以監測每一塊LEO地貌表面子區塊的滲流面排水
(來源:Loretta Taranovich)

碳循環監測

在LEO的大氣、地貌以及生物社群之間的碳循環,是利用以下的方程式來表示:ΔC =CP + CA + CW−CR−CQ;其中ΔC代表LEO土壤與生質內部的碳儲存量,而等號右邊則代表與各種作用相關連的時間變化碳通量,包括降水滲入(precipitation inputs,P)、經過光合作用的總同化量(gross assimilation,A),以及地質化學風化反應(geochemical weathering reactions,W)、生態系統呼吸(ecosystem respiration,R),以及放電中的碳排放(carbon exports in discharge,Q)。

資料擷取與儲存

LEO所有的感測器(包括數位、類比或脈衝產生裝置)會將資料傳送到4個小巧的可重新配置控制與擷取系統(NI的CompactRIO平台,型號cRIO-9074);該系統具備扮演輸入/輸出裝置,或是通訊匯流排的模組。

類比裝置會持續被採樣,cRIO系統則以程式設定為執行基礎訊號處理(例如移動平均數);總計整個LEO有992個Decagone感測器(包括在上一篇文章看到的MPS-2與5TM系列感測器),是利用SDI-12通訊協定,透過特製的分線板與cRIO系統介接。所有其他紀錄儀器則直接與cRIO系統內部的模組連結。

cRIO系統以程式設定為儲存來自整個地貌監測系統≈30天的資料,這能在網路中斷的任何時期提供復原功能;資料儲存與傳播則是以「生物圈二號」內兩台伺服器上的Oracle集中式資料庫執行。

Honeywell荷重元

每一塊重量約600公噸的地貌,都在結構中嵌入了荷重元(load cell),以量測整體系統的質量變化;其滿刻度重複性(full-scale repeatability)為0.05%──相當於小於1cm的降水量。這有助於即時計算地貌坡度上的水文分配。

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在LEO下方的Honeywell荷重元,以鋁箔隔熱材料包裹
(來源:Loretta Taranovich)

LEO需要以非常精確的磅秤──也就是荷重元──來即時平衡整個水循環預算;荷重元放置在每塊地貌結構中,用以量測每塊地貌總重量非常微小的變化,例如當雨水降下滲入土壤、然後變成地下水流排出,或是經過蒸發、植物蒸散(transpiration)。透過這種方式,科學家能更了解水在地貌的流動與滲入;LEO的荷重元能量測100~150噸(ton)或22萬~33萬磅。

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Honeywell荷重元是長這樣的
(來源:Loretta Taranovich)

土壤採樣

LEO的三塊地貌都內含一個空間密集的感測器/採樣器網路,能解決在濕度、能量與碳狀態/通量方面的公尺(meter)等級橫向異質性(heterogeneity)以及次公尺(sub-meter)等級垂直異質性;感測器的密度與在量測中被輪詢的頻率,是在大自然場域中不可能做到的設定。嵌入式解決方案以及氣體採樣器,可量化生物地質化學循環程序,並有助於利用化學追蹤劑,以非常空間密集的尺度來研究水的流動。

週期性的土壤採樣以往都是以人工在LEO地貌中的大面積區域中進行,而新技術則是利用真空吸取器,週期性地將水樣本抽取到LEO地貌下的大量塑膠管中(如下圖)。研究人員會定期取走一定數量的管子(對應地貌中特定網格位置),並執行水成份的分析,以判斷土壤是如何過濾水,吸收了哪些成份、又讓那些成份通過。

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真空吸取器會週期性吸取水樣本到LEO地貌下方的大量塑膠管中。
(來源:Loretta Taranovich)

最後,筆者要特別感謝讓我這次「生物圈二號」探險如此豐富的、兩位親切又知識淵博的嚮導:研究技術員Aaron Bugaj (下圖中),以及亞利桑那大學「生物圈二號」副主任John Adams (下圖右)。沒有他們兩位,這一系列的LEO技術報導無法如此完整。

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感謝「生物圈二號」的科學家嚮導!
(來源:Loretta Taranovich)

對於「生物圈二號」的LEO與熱帶雨林研究有興趣的讀者,可以連結由亞利桑納大學負責經營的Wiki網站上,看到各種分享的研究成果;接下來EDN還會有關於「生物圈二號」熱帶雨林的獨家報導,屆時會有更多感測器技術亮相,讓你興奮地發現科學家們正如何利用這些技術,研究讓我們居住的這個地球環境更美好。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: The Landscape Evolution Observatory: Improving life with sensors ,by Steve Taranovich)