美國生物圈2 號及其的研究

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1、ｓｕｎｓｈｉｎｅ美國生物圈2號及其研究郭雙生/孫金鏢生物圈2號的外觀圖表1圈內(nèi)各個組成部分及結(jié)構(gòu)參數(shù)一覽表區(qū)域面積(m2)體積(m3)土壤(m3)水分(m3)大氣(m3)集約農(nóng)業(yè)區(qū)20003800027206035220居住區(qū)1000110002110997熱帶雨林200035000600010028900熱帶草原/海洋/沼澤2500490004000340041600沙漠140022000400040017600“西肺”1800150000015000“南肺”180015750075015000注:上述兩“肺”的體積僅為其完全膨脹的50%美國建于亞利

2、桑那州圖森市以北沙漠中的生物圈2號是一座微型人工生態(tài)循環(huán)系統(tǒng),因把地球本身稱作生物圈1號而得此名。它由美國前橄欖球運動員約翰·艾倫發(fā)起,并與幾家財團聯(lián)手出資,委托空間生物圈風(fēng)險投資公司承建,歷時8年,耗資15億美元。1991年9月26日4男4女共8名科研人員首次進駐生物圈2號,1993年6月26日走出,停留共計21個月,在各自的研究領(lǐng)域內(nèi)均積累了豐富的科學(xué)數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗。來自英國、墨西哥、尼泊爾、南斯拉夫和美國等5國的4男3女共7位實驗人員在對首批結(jié)果進行評估并改進技術(shù)后,于1994年3月6日二次進駐,工作10個月后于1995年1月走出。他們在這期間對大氣、水和廢物循

3、環(huán)利用及食物生產(chǎn)進行了廣泛而系統(tǒng)的科學(xué)研究。生物圈2號是世界上最大的閉式人工生態(tài)系統(tǒng)。它使人類首次能夠在整體水平上研究生態(tài)學(xué),從而開辟了了解目前地球生物圈全球范圍生態(tài)變化過程的新途徑。更為重要的是,它將作為首例永久性生物再生式生保系統(tǒng)的地面模擬裝置而有可能應(yīng)用于人類未來的地外星球定居和宇宙載人探險。一、概況占地128公頃的生物圈2號的地上部分為涂有粉劑的立體鋼架構(gòu)型,配有雙層玻璃窗板;地面部分為焊接不銹鋼板,并用鋼墊密封。總體積約為180000m３。其內(nèi)部主要由7種生態(tài)群落區(qū)和兩個大氣擴張室(也稱作“肺”)組成。此外,還設(shè)有能量中心和冷卻塔等設(shè)施ｓｕｎｓｈｉｎｅｓ

4、ｕｎｓｈｉｎｅ。其外觀及有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1和圖1所示。為了減輕立體結(jié)構(gòu)的負荷,生物圈2號的內(nèi)部壓力略高于周圍大氣壓。眾所周知,溫度改變必然導(dǎo)致壓力變化,而這種伸縮中的壓力變化足以破壞玻璃窗板(計算值極易超過kPa）。為了解決這一矛盾,沒有像通常那樣采取抵抗壓力的措施,而是為該圈裝配了兩個稱為“肺”的體積可變室，以使大氣在恒壓下脹縮。兩“肺”就如同巨大活塞通過密封膜連接在氣缸上一樣,上下垂直運動距離約達15m?；钊亓慨a(chǎn)生相對于周圍大氣壓力的內(nèi)部正壓。正壓具有兩大優(yōu)點:不論什么地方有泄漏,內(nèi)部大氣就會向外擴散從而保證排除外界污染；活塞的持續(xù)下滑則表明某處出現(xiàn)泄漏。兩“肺

5、”的體積占到該圈密閉體積的30%。除上述設(shè)施外,其內(nèi)部還包括分析、醫(yī)療、獸醫(yī)、監(jiān)控、維修、鍛煉、影視等室,分布在不同部位。與地球生物圈類同,生物圈2號在物質(zhì)上閉環(huán),通過工程手段禁止它與外界大氣和地下土壤進行物質(zhì)變換。在能量上開環(huán),允許太陽光通過玻璃結(jié)構(gòu)供植物進行光合作用,同時引入電能供技術(shù)系統(tǒng)操作運轉(zhuǎn)。在信息上也同樣開環(huán),通過計算機系統(tǒng)、電話、攝像、電視與外界進行數(shù)據(jù)信息交換,并通過電視可以與外界工作人員及親屬進行面對面的交談,還可放映電影和收看商業(yè)電視節(jié)目。電能及熱控能源從外界通過氣密裝置輸送進來,當(dāng)進行能量轉(zhuǎn)移時,不允許內(nèi)外流體進行任何形式的交換或混合。表2圈內(nèi)大

6、氣溫度、壓力及重量范圍生物群落溫度(°C)最高最低大氣成分壓力(kPa)百分比(%)總重量(kg)熱帶雨林3513O21810205131800熱帶草原/3813N２67517651103775海洋/沼澤CO200300367沙漠432H２O1782021761集約農(nóng)業(yè)區(qū)3013Ar0810921782居住區(qū)3515總量882410000139185生物圈2號的“神經(jīng)系統(tǒng)”是一個完整的計算機數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng),它是從位于居住區(qū)的指揮室輻射出的微處理機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這一內(nèi)部“神經(jīng)系統(tǒng)”通過信息通路與外界附近的“飛行控制”樓內(nèi)的計算中心相

7、聯(lián)通。該樓作為分析中心而成為生物圈1號和2號間獲取分析數(shù)據(jù)及通訊的主要窗口。居住區(qū)內(nèi)的指揮室通過遍布圈內(nèi)的5000多個傳感器(每15分鐘記錄一次并讀入無限增長數(shù)據(jù)庫)能夠有效地控制所有主要的操作參數(shù),如溫度、濕度、光強、水流量、pH值、CO２濃度、土壤濕度、儀器運作狀態(tài)等,并能進行數(shù)據(jù)傳感器及所有報警裝置的狀態(tài)顯示。每件裝置均有手動控制開關(guān)以防“神經(jīng)系統(tǒng)”任何部位的失靈。盡管整個圈內(nèi)為熱帶氣候,但由于不同生物群落的冷暖要求不同,因此,各自又有相對獨立的溫度。由于生物圈2號位于海拔1200m的沙漠上,其外圍大氣壓不是標(biāo)準壓力1013kPa，而僅約為8