美國生物圈2號及其研究

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1、美國生物圈2號及其研究圖1〓生物圈2號的外觀圖表1〓〖WB〗圈內各個組成部分及結構參數(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”18001575007501500

2、0注:上述兩“肺”的體積僅為其完全膨脹的50%美國建于亞利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,在各自的研究領域內均積累了豐富的科學數(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

3、員在對首批結果進行評估并改進技術后,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、水和廢物循環(huán)利用及食物生產(chǎn)進行了廣泛而系統(tǒng)的科學研究。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,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128公頃的生物圈2號的地上部分為涂有粉劑的立體鋼架構型

4、,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?？傮w積約為180000m3。其內部主要由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,還設有能量中心和冷卻塔等設施。其外觀及有關結構參數(shù)如表1和圖1所示。為了減輕立體結構的負荷,生物圈2號的內部壓力略高于周圍大氣壓。眾所周知,溫度改變必然導致壓力變化,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

5、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部正壓。正壓具有兩大優(yōu)點:不論什么地方有泄漏,內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”的體積占到該圈密閉體積的30%。除上述設施外,其內部還包括分析、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變換。在能量上開環(huán),允許太陽光通過玻璃結構供植

6、物進行光合作用,同時引入電能供技術系統(tǒng)操作運轉。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,當進行能量轉移時,不允許內外流體進行任何形式的交換或混合。表2〓圈內大氣溫度、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3513O21810205131800熱帶草原3813N２67517

7、651103775海洋/沼澤CO200300367沙漠432H２O1782021761集約農(nóng)業(yè)區(qū)3013Ar0810921782居住區(qū)3515總量882410000139185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)絡系統(tǒng)。這一內部“神經(jīng)系統(tǒng)”通過信息通路與外界附近的“飛行控制”樓內的計算中心相聯(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)內的指揮室通過遍布圈內的5000多個傳感器(每15分鐘記錄

8、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、CO2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以防“神經(jīng)系統(tǒng)”任何部位的失靈。盡管整個圈內為熱帶氣候,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準壓力1013kPa，而僅約為882kPa,因此,其內壓只能略高,即為8824kPa。詳細情況見表2。利用機械系統(tǒng)模擬