「生物圈二号」探险：传感器技术助力地貌观测
2017-08-28 16:21:28 来源：微迷 评论：0 点击：
& 8203;定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。& 8203;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可提供温度量测数字。
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定制化的灌溉系统，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）。
冲力雨滴谱计是一种激光式降水量监测器，能测量每滴雨滴的速度与大小
定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可提供温度量测数字，以及利用电容/频域技术来量测精确的体积含水量（volumetric water content，VWC）；后置信号滤波器（post signal filters）将盐度与质地效应最小化，以实现最高的测量精确度；并有一个资料纪录器，通过串列式或是SDI-12通讯协议来记录测量数据。
Decagon的5TM土壤湿度与温度传感器
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（採用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资料纪录器读取数据的理想方案。
MPS-2水势能传感器
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，以测量被施加于土壤的养份与同位素；因此通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。
PRENART的土壤水采样器
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，能测量溶解的有机与无机物质型态碳。还有一种定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。
Vaisala的二氧化碳传感器
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，能透过激光光谱进行连续测量；以充分时间取得相同的气体量，能实现量测平衡。
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