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在实验室里造一个微缩版海洋

2015年04月21日08:55    来源:中国科学报    手机看新闻
原标题:在实验室里造一个微缩版海洋

主体结构为6个模拟舱,每个舱体高48米、直径5米。这样一个前所未有的海洋气候舱已初步设计完成。

“海洋碳汇研究进行了三四十年,仍然有许多过程参数瓶颈尚未突破。而出海一天,每天的船舶运行费就十几万,再加上风浪、潮流的影响,现场操作很困难。”近日,中科院院士焦念志在接受《中国科学报》记者采访时表示,船舶科考或实验室模拟实验,都很难全面反映海洋长期多变的真实情况,因此建设参数可控的海洋气候环境模拟实验装备,就成为解决海洋科学问题的理想实验平台。

在陆地模拟海洋水体

在焦念志看来,做海洋科学研究,现场观测调查和科学实验缺一不可。同时,二者又各有弊端。船舶现场科学考察难以保证采样条件,无法涵盖所有关键物理、化学和生物学参数,很多指标没法系统、持续监测;而通常实验室的结果,虽然精度很高,但无法反映真实海洋现场的环境问题。

因此,焦念志提出“在实验室内模拟海洋环境”的设想,建设大尺度、精确可控的海洋模拟舱,搭建海洋气候环境模拟实验装备——“海洋气候舱”。

简单来讲,在陆上模拟海洋水体的装备就是在大楼里建几个大的水柱体系,把岸上的实验室与海洋水体结合在一起。

焦念志的科学构想很快得到了山东大学教授贾磊领衔的研发团队的支持。

“这个体系不一定要和哪个海洋现场完全一致。这个做不到。”贾磊指出,其重要意义在于可以提供生态系统水平上的情景,包括了从个体到种群、群落、生态系统的响应和反馈,为海洋环境变化和生态工程研发过程中的重大科学理论和假设提供理想的实验模拟平台。

向更深发展的大型实验水体

大型实验水体是认识海洋过程机制必不可少的实验设施。不过,贾磊告诉记者,尽管国际上若干大学和研究机构拥有可控的大型实验水体,但大都是以水平过程为目的设计的,如波、浪、潮、流过程参数。

2008年,上海交通大学建成了我国首座海洋深水试验池,可模拟4000米水深及风浪流等复杂海洋环境,应用于船舶和仪器试验,是一个微缩版仿真海洋。当前,国家深海基地在青岛、中科院三亚深海科学与工程研究所(筹)在三亚,也都在规划建设深水试验水池。

“迄今为止,尚未有足够深度(30~50米)以垂直过程为目的的大型实验水体。”贾磊说。

“从科学需求来讲,水体深度最好达到50米,这是陆架海的基本深度。”焦念志说,“像海洋碳汇这类涉及自然过程与人类活动的复杂问题,尤其需要‘海洋气候舱’这种大科学工程模拟各种环境边界条件和干预方式,在综合试验过程中进行多学科同步观测,获取前所未有的大数据,建立优化模型。”

成为世界级海洋科研中心

目前,“海洋气候舱”已经完成初步设计。

“不论从装备高度上,还是从模拟舱的容积上,都是国际上前所未有的。”贾磊介绍说,其主体结构为6个模拟舱,每个舱体高48米、直径5米,在舱内形成微生态海洋环境,可根据需要配置不同的实验仪器。6个舱体镶嵌在与之相配套的楼体内,建筑物既起到6个舱体的支撑作用,同时也是科研人员从事科学研究的活动平台和与之配套的实验室。

山东大学教授刘延俊负责模拟舱的设计研制,他坦言:“目前最大的水体也只有我们设计装备的八分之一,因此在研制过程中,肯定会面临很多的科学与技术难题。”

为此,研发团队将整个体系分为海洋模拟舱、自然光源模拟控制系统、流场控制系统、温度控制系统、移动监控平台、成分与理化参数控制系统六部分进行设计。各部分设计完成后,按照1:5的比例研制小型模拟舱模型,对模型的性能进行试验测试并调整。最后,进行模拟舱原型的加工,经过调试合格后交付使用。

焦念志希望,最终形成一个国际化的海洋科学研究基地,能够支撑未来30年甚至更长时间的海洋科学及其相关分支领域的前沿研究需要,成为世界级海洋科学研究中心。(陆琦)

(责编:王凤一(实习生)、赵竹青)


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