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通常来说，人们认为海洋的运动是水平的，例如环绕在地球的强大洋流中，或是沿着海岸线进出的波浪中。但海洋其实也有大量的垂直运动，特别是在公海，深海的水可以上升，把营养物质带到上层海洋，而地表水可以下沉，把死亡的生物体连同氧气和碳一起送到深海内部。现在，麻省理工学院和伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）的研究人员已经设计出一种轻量级仪器，可以在一小块、一公里宽的区域内测量垂直海洋的物理和生物特征。  科学家准备从研究船的后甲板部署正在进行中的CTD 一直以来，海洋学家使用仪器来描述海水和生活在那里的生物群落的垂直混合，但这些工具在捕捉小尺度特征方面能力有限，这些小尺度特征对于了解给定体积海洋（如渔业）中存在的海洋生物的组成以及海洋能够吸收和隔离的碳量是必不可少的。例如在一个小的、km宽的海洋区域内，观测水和生物的上下涌流就变得有些困难。 现在，麻省理工学院和伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）的研究人员已经设计出一种轻量级仪器，可以在一小块、一km宽的区域内测量垂直海洋运动的物理和生物特征。“海洋廓线仪”名为EcoCTD，大约有一个齐腰高的火箭模型那么大，可以从一艘正在移动的飞船的后部落下。当它在水中自由下落时，它的传感器测量物理特征，如温度和盐度，以及生物特性，如叶绿素（浮游植物的绿色色素）的光散射。 麻省理工学院的研究人员Mara Freilich说：“通过EcoCTD，我们可以看到小范围的快速垂直运动区域，那里的营养物质可以供应到地表，叶绿素被向下携带，这说明这也可能是一个碳通道。” 海洋协同 海洋学家使用多种方法来测量海洋的物理性质，一些功能更强大、分辨率更高的仪器被称为CTD（Conductance Temperature Depth：温盐深仪），因为它们能够测量海洋的电导率、温度和深度。CTD通常体积庞大，因为它们包含多个传感器以及收集水和生物样本的组件。传统的CTD需要一艘船装载之后放入海洋，科学家将仪器放入水中，有时通过起重机系统。由于仪器收集测量数据和水样，船必须保持原位，只有在仪器被拖回船上后才能回到航行中。 物理海洋学家不学习海洋生物学，因此不需要收集水样本，有时可以使用“UCTD”（CTCT的进行中版本），而无需笨重的水采样组件，可以在航行中拖曳。这些仪器可以快速取样，因为它们不需要起重机或轮船就可以停下来。 Freilich和她的团队希望设计出一种UCTD的版本，这种UCTD还可以集成生物传感器，所有这些传感器都装在一个小巧、轻便、可拖拽的包裹中，这样在收集垂直测量数据时，也可以使船继续前进。 Freilich说：“这些现有的仪器之间似乎可以直接协同作用，设计出一种能够捕捉物理和生物信息的仪器，而且还可以在进行中做到这一点。”  麻省理工学院设计的新型海洋传感器旨在从移动中的船舶后部自由下落。该仪器可进行低至500米的物理和生物测量，可以在数分钟内将其拉回，然后再次下降，而无需停止研究船。 到达黑暗的海洋 首先，EcoCTD的核心是RBR Concerto Logger，它是一种测量水温和电导率的传感器，电导率是海洋盐度的代表。剖面仪还包括一个铅环，它提供足够的重量，使仪器能够以大约每秒3m的速度自由落水，这种速度使仪器在大约两分钟内下降到水面以下约500m处。 Freilich说：“在500m处，我们到达了暮光带的上部，透光带是海洋中有足够的光进行光合作用的地方，在大多数地方大约在100到200m处。所以我们到达了黑暗的海洋。” 其次，EcoCTD中的另一种传感器EcoPuck是其他UCTD所独有的，它测量海洋的生物特性。具体地说，它是一个小的、圆盘状的生物光学传感器，发出红色和蓝色两种波长的光。当这些光散射回来时，含有叶绿素的浮游植物对光产生荧光，传感器捕捉到这些光中的任何变化。如果接收到的红光类似于叶绿素的某个波长特征，科学家们就可以推断出在给定深度存在浮游植物。散射回传感器的红光和蓝光的变化可以指示水中的其他物质，如沉淀物或死细胞，这是对不同深度碳含量的测量。 第三，EcoCTD还包括UCTDs独有的另一个传感器Rinko III Do，它测量水中的氧浓度，这可以让科学家估计在给定的深度和范围内生活的任何微生物群落吸收了多少氧。 最后，整个仪器被包裹在一个铝管中，设计成通过一根长线连接到船后部的绞盘上。当船在移动时，一个小组可以将仪器从船上放下，并使用绞盘以仪器直接下降的速度放出绳索，即使船在移动。大约两分钟后，一旦仪器到达大约500m的深度，研究小组就启动绞盘，将仪器拉上来，速度是仪器在12分钟内追上船。然后，机组人员可以再次放下仪器，这次是在距离他们最后一个落下点一定距离的地方。 Freilich说：“比较好的是，当我们进入下一个演员阵容时，我们距离第一次的位置有500m远，所以我们正是下一次想取样的地方。” 他们在2018年和2019年的两艘巡洋舰上测试了EcoCTD，一艘驶往地中海，另一艘驶往大西洋，在这两种情况下，他们都能够以比现有ctd更高的分辨率收集物理和生物数据。 Freilich说：“EcoCTD以金标准的质量捕获这些海洋特征，更加方便和多功能。” 研究小组将进一步完善他们的设计，并希望他们的高分辨率、易于部署和更有效的替代方案能够被两位科学家用于监测海洋对气候变化的小规模反应，以及希望跟踪某个区域生物生产力的渔业。 延伸阅读 海洋传感器的重要性及我国的发展现状 物理海洋学的研究离不开大量的实测海洋数据，集成了各种性能优异的传感器仪器设备是海洋调查的基础。作为国之重器，海洋传感器值得各方面的重视。比如一台超大型智能钻井平台，便安装有2万多个探测传感器和5万多个感应报检点。  海洋仪器监测设备 海洋传感器对海洋监测的重要性 海洋仪器设备的一个最大特点是，生产批量小、应用范围窄、使用寿命短，而稳定、可靠性和一致性，以及测量分辨率和精度等要求又特别高，需要在不断应用中改进制造工艺和提高技术性能。 传感器技术是海洋仪器设备的基础，其各方面性能是衡量仪器设备好坏的关键，同时也是调查数据质量的保证，各种数据订正方案应运而生，但是在长期的观测中，传感器的稳定性、漂移、准确度等指标依然是最重要的部分。  温盐深测量仪 海洋传感器在海洋监测、观测领域的应用十分广泛，可测量并提供各种海洋环境要素，如温度、电导率/盐度和压力/深度等基本物理海洋学要素的原始数据，不仅用于海洋科学研究，还是海洋资源开发领域应用不可或缺的重要数据源。因此，开发、研制海洋传感器，意义深远。 CTD温盐深测量仪的应用 海洋的温盐深观测，是现今海洋调查的基本内容之一，从20世纪60年代开始，温盐深测量仪（CTD）已被广泛用于海洋调查中，它的发展随着科学技术的进步而同步前进。 CTD能适应如走航实时观测、定点自容观测、抛弃式探头观测等多种观测方式，并且获取调查海区水体现场实时的高精度物理环境参数，是目前物理海洋调查中使用最为广泛的仪器设备之一。 其实，在海洋仪器设备研发领域，不光要有重金投入，更要有技术积累。像美国著名的海鸟（SBE）公司，是全球最大的海洋监测设备和方案供应商，在研制和生产海洋传感器及其各类CTD仪器领域已有45年历史，但它们也会不断遇到新的技术问题。 比如，由该公司研制生产的剖面浮标，就曾发现其油压系统存在空洞症状和气阀粘滞等问题；此外，还曾在不同类型的CTD中发现了压力传感器的微泄露和压力传感器的压力偏差等问题，也都及时做了召回处理。  国产海洋传感器设备 我国海洋传感器设备的使用和研发现状 这对我国海洋仪器设备研制单位而言，也就更不用说了，更需要在不断使用中积累经验、提高技术水平。目前，我国海洋仪器设备主要用于环境监测和观测领域，且大都以公益性和基础研究应用为主。 如今，我国研制的海洋传感器，如CTD仪，其实验室测量精度已与国外同类产品不相上下，与世界先进水平也已相差无几，但由于缺乏海上工作的稳定、可靠性，现场观测精度难以保证，所以，实际应用较少。 目前，进口CTD仪、ADCP仪等海洋仪器设备几乎占据了我国海洋调查的“整壁江山”。甚至在研制中的移动观测平台，如自动剖面浮标、水下滑翔机等，以及成批量应用的锚碇观测平台，如海面浮标、潜标、海床基等上，使用的温度、电导率和压力传感器等，也几乎都是从国外进口。 现阶段，国内相关领域的传感器研发和生产还相对落后，在智慧海洋的传感、传输、应用链条中，应用层面已经做得不错，但传输效率还不高，传感器更是90%靠进口。眼下，在全球范围内，传感器有超过2万亿的市场规模，且传感器更新换代一般在20年左右，如今我国传感器相关企业应该抓住机遇，在新的起跑线上，实现行业突破。 1 END 1 ■本文均来自传感器专家网，文章观点仅代表作者本人，不代表平台立场。   |
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