CN106016887A - 一种海冰冻融过程实验室内模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种海冰冻融过程实验室内模拟系统，涉及一种可以在实验室内模拟自然环境中海洋表层海冰形成和融化过程的装置。设有冰箱、半导体制冷装置、储水罐、采样口、保温层和温度探头；所述冰箱采用风冷冰箱，冰箱顶部设有孔洞；用于盛装海水的储水罐上部设有开口和上盖，半导体制冷装置嵌入储水罐顶板，半导体制冷装置的冷片直接接触储水罐内空气；储水罐罐体四周及底部分别包裹保温层，用于阻止在储水罐罐体四周及底部形成海冰；储水罐罐体的侧面设置采样口，用于采集气样和水样，采样口用止水夹密封，储水罐罐体底部设有排水孔，排水孔外接真空袋，在储水罐罐体四周及底部设有温度探头，设于储水罐罐体上部的气球与储水罐罐体外连通。

Description

一种海冰冻融过程实验室内模拟系统

技术领域

本发明涉及一种可以在实验室内模拟自然环境中海洋表层海冰形成和融化过程的装置，特别是涉及在实验室内模拟观测和研究海水和上层大气中生化成分在海冰冻融过程中的迁移转化行为。

背景技术

极区在全球变化中扮演着极为重要的作用。它是一个气候变化信号放大器，指示全球变化过程(Holland et al,2003)。大范围海冰形成和融解的自然过程是极区海洋独一无二的重要特征，在全球生物地球化学循环中起重要作用，尤其在海洋营养盐类、痕量金属、无机碳、以及具有重要环境意义的气体(如二甲基硫(DMS)、氧化亚氮(N₂O),甲烷(CH₄))的循环中起重要作用(Vancoppenolle et al,2013)。目前已有研究表明，海冰形成时产生的高密度盐卤水下沉促使表层水体中无机碳(DIC)向下层输送(Papadimitriou et al.,2004)，而夏季海冰融解时融冰水稀释导致表层海水二氧化碳分压(pCO₂)降低促使海洋吸收大气中二氧化碳(CO₂)(Rysgaard et al.,2007；Rysgaard et al.,2009)，由海冰驱动的CO₂吸收对于被海冰覆盖海洋来说具有显著意义(et al.,2011)。近期研究结果显示，南大洋和北极海洋表层水体存在N₂O不饱和现象，极区夏季海冰融化水对表层的稀释作用可能是导致这种现象的原因(Zhang et al.,2015；Zhan et al.,2015)。目前在全球变暖的背景下，北极海冰覆盖面积和厚度都在快速消退(Vancoppenolle et al.,2013)，南极海冰范围虽然在过去30年有微弱增加，但是区域变化很大(Stammerjohn et al.,2012)，因此了解海冰对全球生物地球化学过程的影响至关重要。然而，极区自然环境恶劣，难以在那里进行长期实地观测，在实验室模拟研究极区海冰冻融过程无疑将为我们理解极区海洋环境具有重要参考意义。尽管已有少量研究在实验室内模拟海冰形成和融解过程(Papadimitriou et al.,2004；李志军等,2008)，但由于这些研究的对象主要是海冰和水体中的化学成分，因此所使用的模拟系统都是非封闭系统，不适用于海洋上层大气成分的研究。另外他们的模拟实验均在大的低温实验室进行，而低温实验室造价昂贵，难以推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供造价便宜、操作简便，且能在实验室模拟观测海冰冻融过程中气、液、固三相中生化成分的一种海冰冻融过程实验室内模拟系统。

本发明设有冰箱、半导体制冷装置、储水罐、采样口、保温层和温度探头；

所述冰箱采用风冷冰箱，冰箱顶部设有孔洞，孔洞用于冰箱内部的电源线伸出冰箱外连接电源；用于盛装海水的储水罐上部设有开口和上盖，上盖与开口通过螺丝固定连接，半导体制冷装置嵌入储水罐顶板，半导体制冷装置的冷片直接接触储水罐内空气；储水罐罐体四周及底部分别包裹保温层，用于阻止在储水罐罐体四周及底部形成海冰；储水罐罐体的侧面设置采样口，用于采集气样和水样，采样口用止水夹密封，储水罐罐体底部设有排水孔，排水孔外接真空袋，在储水罐罐体四周及底部设有温度探头，设于储水罐罐体上部的气球与储水罐罐体外连通。

所述孔洞的直径可为20mm。

所述储水罐可采用厚度为5mm的透明聚甲基丙烯酸甲酯板(俗称有机玻璃或亚克力)制成，储水罐的罐体可为高600mm，长和宽均为350mm的长方体。

所述开口四周垫衬硅胶垫圈以保持罐体密闭。

半导体制冷装置的冷片直接接触罐内空气，局部冷却海水上层大气，促使表层海水结冰。

所述保温层可采用橡胶棉保温层。

所述采样口可在储水罐罐体侧面自上而下设置一排采样口，采样口的直径可为5mm，采样口可采用止水夹密封，采样时打开操作。

所述排水孔的直径可为5mm；当罐体上盖未密闭时，该排水孔关闭；而当罐体密闭，海水降温开始结冰时打开该排水孔，因结冰体积膨胀导致的罐内压力过高时排出部分海水到袋中。采集大气样品后，冰层以上大气压降低，与外界联通的气球开始充气膨胀来维持罐内大气压恒定。需要采集储水罐内水样或气样时，直接从取样口吸取样品。而取冰样时需要打开上口，用手持电钻钻取冰芯样品。

所述真空袋可采用真空聚乙烯袋。

本发明具有以下有益效果：

与其他海水结冰模拟系统相比，本发明不仅具有占地小、造格便宜、能耗小、取样简便、密闭性好等优点，而且适用于海水中多种生化成分(包含气体)在海冰形成过程中在气、液、固三相中的行为观测，是在实验室内模拟研究极地海洋环境的理想工具。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明实施例设有冰箱1，半导体制冷装置2，储水罐3，采样口4，保温层5、温度探头6、气球7和真空袋8；所述冰箱1采用风冷冰箱，冰箱1顶部设有孔洞，孔洞用于冰箱内部的电源线伸出冰箱外连接电源A；用于盛装海水的储水罐3上部设有开口和上盖，上盖与开口通过螺丝固定连接，半导体制冷装置2嵌入储水罐3顶板，半导体制冷装置2的冷片直接接触储水罐3内空气；储水罐3罐体四周及底部分别包裹保温层5，用于阻止在储水罐3罐体四周及底部形成海冰；储水罐3罐体的侧面设置采样口4，用于采集气样和水样，采样口4用止水夹密封，储水罐3罐体底部设有排水孔，排水孔外接真空袋8，在储水罐3罐体四周及底部设有温度探头6，设于储水罐3罐体上部的气球7与储水罐3罐体外连通。

所述孔洞的直径可为20mm。

所述储水罐3可采用厚度为5mm的透明聚甲基丙烯酸甲酯板(俗称有机玻璃或亚克力)制成，储水罐3的罐体可为高600mm，长和宽均为350mm的长方体。

所述开口四周垫衬硅胶垫圈以保持罐体密闭。

半导体制冷装置的冷片直接接触罐内空气，局部冷却海水上层大气，促使表层海水结冰。

所述保温层可采用橡胶棉保温层。

所述采样口可在储水罐罐体侧面自上而下设置一排采样口，采样口的直径可为5mm，采样口以止水夹密封，采样时打开操作。

所述排水孔的直径可为5mm；当罐体上盖未密闭时，该排水孔关闭；而当罐体密闭，海水降温开始结冰时打开该排水孔，因结冰体积膨胀导致的罐内压力过高时排出部分海水到袋中。采集大气样品后，冰层以上大气压降低，与外界联通的乳胶7-气球开始充气膨胀来维持罐内大气压恒定。需要采集储水罐内水样或气样时，直接从取样口吸取样品。而取冰样时需要打开上口，用手持电钻钻取冰芯样品。

所述真空袋8可采用真空聚乙烯袋。

使用时，首先将冰箱1放置在能接通电源A的水平位置，储水罐3放置于冰箱1中间。然后将实验海水泵入储水罐3至1/2～2/3容积处，开启冰箱1，将冰箱1温度设定为-2℃，待储水罐3中海水温度降低到临近冰点(盐度为35时冰点为-1.9℃)时，采集水样和上层大气样品；然后关闭储水罐上盖，并在上盖四周涂抹真空油脂以保障储水罐的气密性。设定冰箱温度为-10℃并开启位于储水罐上盖的半导体制冷装置2，数小时后表层海水开始出现薄冰，海冰层随时间不断增长，增长速度为1～2cm。大气和海水样品可根据需要通过储水罐侧面采样口4采集。海冰样品可以打开上盖后，用电钻钻取。融冰过程则与上述过程相反，当上层水面结冰达到预设厚度时关闭半导体制冷设备，调高冰箱温度使海面冰层逐渐融化。

实施例采用的风冷冰箱为订制冰箱，内部无隔板，空间大，足以容纳储水罐和半导体制冷装置，且有充裕的操作空间。冰箱顶板小孔供半导体制冷和温度探头的用电需求。

一个与外界大气联通的未充气乳胶气球置于罐体内部。当罐体内气压降低时，外界空气进入乳胶气球内使罐体内压力仍维持一个大气压。储水罐底部连接一个真空聚乙烯袋，当结冰过程中体积膨胀导致储水罐压力增大时，罐体内海水可以排入该真空聚乙烯袋而减压；当结冰过程中因抽取水样导致罐体内压力减小时，真空聚乙烯袋内海水再次回到储水罐内。

Claims (10)

1.一种海冰冻融过程实验室内模拟系统，其特征在于设有冰箱、半导体制冷装置、储水罐、采样口、保温层和温度探头；

所述冰箱采用风冷冰箱，冰箱顶部设有孔洞，孔洞用于冰箱内部的电源线伸出冰箱外连接电源；用于盛装海水的储水罐上部设有开口和上盖，上盖与开口通过螺丝固定连接，半导体制冷装置嵌入储水罐顶板，半导体制冷装置的冷片直接接触储水罐内空气；储水罐罐体四周及底部分别包裹保温层，用于阻止在储水罐罐体四周及底部形成海冰；储水罐罐体的侧面设置采样口，用于采集气样和水样，采样口用止水夹密封，储水罐罐体底部设有排水孔，排水孔外接真空袋，在储水罐罐体四周及底部设有温度探头，设于储水罐罐体上部的气球与储水罐罐体外连通。

2.如权利要求1所述一种海冰冻融过程实验室内模拟系统，其特征在于所述孔洞的直径为20mm。

3.如权利要求1所述一种海冰冻融过程实验室内模拟系统，其特征在于所述储水罐采用厚度为5mm的透明聚甲基丙烯酸甲酯板制成。

4.如权利要求1所述一种海冰冻融过程实验室内模拟系统，其特征在于所述储水罐的罐体为高600mm，长和宽均为350mm的长方体。

5.如权利要求1所述一种海冰冻融过程实验室内模拟系统，其特征在于所述开口四周垫衬硅胶垫圈以保持罐体密闭。

6.如权利要求1所述一种海冰冻融过程实验室内模拟系统，其特征在于半导体制冷装置的冷片直接接触罐体内空气，局部冷却海水上层大气，促使表层海水结冰。

7.如权利要求1所述一种海冰冻融过程实验室内模拟系统，其特征在于所述保温层采用橡胶棉保温层。

8.如权利要求1所述一种海冰冻融过程实验室内模拟系统，其特征在于所述采样口是在储水罐罐体侧面自上而下设置一排采样口，采样口的直径为5mm，采样口可采用止水夹密封。

9.如权利要求1所述一种海冰冻融过程实验室内模拟系统，其特征在于所述排水孔的直径为5mm。

10.如权利要求1所述一种海冰冻融过程实验室内模拟系统，其特征在于所述真空袋采用真空聚乙烯袋。