一種海冰凍融過程實驗室內(nèi)模擬系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種海冰凍融過程實驗室內(nèi)模擬系統(tǒng)，涉及一種可以在實驗室內(nèi)模擬自然環(huán)境中海洋表層海冰形成和融化過程的裝置。設(shè)有冰箱、半導(dǎo)體制冷裝置、儲水罐、采樣口、保溫層和溫度探頭；所述冰箱采用風(fēng)冷冰箱，冰箱頂部設(shè)有孔洞；用于盛裝海水的儲水罐上部設(shè)有開口和上蓋，半導(dǎo)體制冷裝置嵌入儲水罐頂板，半導(dǎo)體制冷裝置的冷片直接接觸儲水罐內(nèi)空氣；儲水罐罐體四周及底部分別包裹保溫層，用于阻止在儲水罐罐體四周及底部形成海冰；儲水罐罐體的側(cè)面設(shè)置采樣口，用于采集氣樣和水樣，采樣口用止水夾密封，儲水罐罐體底部設(shè)有排水孔，排水孔外接真空袋，在儲水罐罐體四周及底部設(shè)有溫度探頭，設(shè)于儲水罐罐體上部的氣球與儲水罐罐體外連通。
【專利說明】
-種海冰凍融過程實驗室內(nèi)模擬系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種可W在實驗室內(nèi)模擬自然環(huán)境中海洋表層海冰形成和融化過程 的裝置，特別是設(shè)及在實驗室內(nèi)模擬觀測和研究海水和上層大氣中生化成分在海冰凍融過 程中的遷移轉(zhuǎn)化行為。
【背景技術(shù)】
[0002] 極區(qū)在全球變化中扮演著極為重要的作用。它是一個氣候變化信號放大器，指示 全球變化過程化Olland et al，2003)。大范圍海冰形成和融解的自然過程是極區(qū)海洋獨一 無二的重要特征，在全球生物地球化學(xué)循環(huán)中起重要作用，尤其在海洋營養(yǎng)鹽類、痕量金 屬、無機碳、W及具有重要環(huán)境意義的氣體(如二甲基硫(DMS)、氧化亞氮(化0)，甲燒(C也）） 的循環(huán)中起重要作用(Vancoppenolle et al,2013)。目前已有研究表明，海冰形成時產(chǎn)生 的高密度鹽面水下沉促使表層水體中無機碳(DIC)向下層輸送(Papadimitriou et al.， 2004)，而夏季海冰融解時融冰水稀釋導(dǎo)致表層海水二氧化碳分壓(pC〇2)降低促使海洋吸 收大氣中二氧化碳（C〇2)( Rysgaard et al., 2007 ;Rysgaard et al., 2009)，由海冰驅(qū)動的 0)2吸收對于被海冰覆蓋海洋來說具有顯著意義(Swenet al. ,2011)。近期研究結(jié)果顯示， 南大洋和北極海洋表層水體存在化0不飽和現(xiàn)象，極區(qū)夏季海冰融化水對表層的稀釋作用 可能是導(dǎo)致運種現(xiàn)象的原因（Zhang et al.,2015;Zhan et al.,2015)。目前在全球變暖的 背景下，北極海冰覆蓋面積和厚度都在快速消退(化ncoppenolle et al. ,2013)，南極海冰 范圍雖然在過去30年有微弱增加，但是區(qū)域變化很大(Stammerjohn et al. ,2012)，因此了 解海冰對全球生物地球化學(xué)過程的影響至關(guān)重要。然而，極區(qū)自然環(huán)境惡劣，難W在那里進 行長期實地觀測，在實驗室模擬研究極區(qū)海冰凍融過程無疑將為我們理解極區(qū)海洋環(huán)境具 有重要參考意義。盡管已有少量研究在實驗室內(nèi)模擬海冰形成和融解過程(Papadimitriou et al .，2004;李志軍等，2008)，但由于運些研究的對象主要是海冰和水體中的化學(xué)成分， 因此所使用的模擬系統(tǒng)都是非封閉系統(tǒng)，不適用于海洋上層大氣成分的研究。另外他們的 模擬實驗均在大的低溫實驗室進行，而低溫實驗室造價昂貴，難W推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供造價便宜、操作簡便，且能在實驗室模擬觀測海冰凍融過 程中氣、液、固=相中生化成分的一種海冰凍融過程實驗室內(nèi)模擬系統(tǒng)。
[0004] 本發(fā)明設(shè)有冰箱、半導(dǎo)體制冷裝置、儲水罐、采樣口、保溫層和溫度探頭；
[0005] 所述冰箱采用風(fēng)冷冰箱，冰箱頂部設(shè)有孔桐，孔桐用于冰箱內(nèi)部的電源線伸出冰 箱外連接電源；用于盛裝海水的儲水罐上部設(shè)有開口和上蓋，上蓋與開口通過螺絲固定連 接，半導(dǎo)體制冷裝置嵌入儲水罐頂板，半導(dǎo)體制冷裝置的冷片直接接觸儲水罐內(nèi)空氣;儲水 罐罐體四周及底部分別包裹保溫層，用于阻止在儲水罐罐體四周及底部形成海冰;儲水罐 罐體的側(cè)面設(shè)置采樣口，用于采集氣樣和水樣，采樣口用止水夾密封，儲水罐罐體底部設(shè)有 排水孔，排水孔外接真空袋，在儲水罐罐體四周及底部設(shè)有溫度探頭，設(shè)于儲水罐罐體上部 的氣球與儲水罐罐體外連通。
[0006] 所述孔桐的直徑可為20mm。
[0007] 所述儲水罐可采用厚度為5mm的透明聚甲基丙締酸甲醋板(俗稱有機玻璃或亞克 力）制成，儲水罐的罐體可為高600mm，長和寬均為350mm的長方體。
[000引所述開口四周墊襯硅膠墊圈W保持罐體密閉。
[0009] 半導(dǎo)體制冷裝置的冷片直接接觸罐內(nèi)空氣，局部冷卻海水上層大氣，促使表層海 水結(jié)冰。
[0010] 所述保溫層可采用橡膠棉保溫層。
[0011] 所述采樣口可在儲水罐罐體側(cè)面自上而下設(shè)置一排采樣口，采樣口的直徑可為 5mm，采樣口可采用止水夾密封，采樣時打開操作。
[0012]所述排水孔的直徑可為5mm;當罐體上蓋未密閉時，該排水孔關(guān)閉；而當罐體密閉， 海水降溫開始結(jié)冰時打開該排水孔，因結(jié)冰體積膨脹導(dǎo)致的罐內(nèi)壓力過高時排出部分海水 到袋中。采集大氣樣品后，冰層W上大氣壓降低，與外界聯(lián)通的氣球開始充氣膨脹來維持罐 內(nèi)大氣壓恒定。需要采集儲水罐內(nèi)水樣或氣樣時，直接從取樣口吸取樣品。而取冰樣時需要 打開上口，用手持電鉆鉆取冰忍樣品。
[0013] 所述真空袋可采用真空聚乙締袋。
[0014] 本發(fā)明具有W下有益效果：
[0015] 與其他海水結(jié)冰模擬系統(tǒng)相比，本發(fā)明不僅具有占地小、造格便宜、能耗小、取樣 簡便、密閉性好等優(yōu)點，而且適用于海水中多種生化成分(包含氣體)在海冰形成過程中在 氣、液、固=相中的行為觀測，是在實驗室內(nèi)模擬研究極地海洋環(huán)境的理想工具。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0017] W下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[001引參見圖1，本發(fā)明實施例設(shè)有冰箱1，半導(dǎo)體制冷裝置2,儲水罐3,采樣口 4,保溫層 5、溫度探頭6、氣球7和真空袋8;所述冰箱1采用風(fēng)冷冰箱，冰箱1頂部設(shè)有孔桐，孔桐用于冰 箱內(nèi)部的電源線伸出冰箱外連接電源A;用于盛裝海水的儲水罐3上部設(shè)有開口和上蓋，上 蓋與開口通過螺絲固定連接，半導(dǎo)體制冷裝置2嵌入儲水罐3頂板，半導(dǎo)體制冷裝置2的冷片 直接接觸儲水罐3內(nèi)空氣;儲水罐3罐體四周及底部分別包裹保溫層5,用于阻止在儲水罐3 罐體四周及底部形成海冰;儲水罐3罐體的側(cè)面設(shè)置采樣口 4，用于采集氣樣和水樣，采樣口 4用止水夾密封，儲水罐3罐體底部設(shè)有排水孔，排水孔外接真空袋8，在儲水罐3罐體四周及 底部設(shè)有溫度探頭6,設(shè)于儲水罐3罐體上部的氣球7與儲水罐3罐體外連通。
[0019] 所述孔桐的直徑可為20mm。
[0020] 所述儲水罐3可采用厚度為5mm的透明聚甲基丙締酸甲醋板(俗稱有機玻璃或亞克 力）制成，儲水罐3的罐體可為高600mm，長和寬均為350mm的長方體。
[0021] 所述開口四周墊襯硅膠墊圈W保持罐體密閉。
[0022] 半導(dǎo)體制冷裝置的冷片直接接觸罐內(nèi)空氣，局部冷卻海水上層大氣，促使表層海 水結(jié)冰。
[0023] 所述保溫層可采用橡膠棉保溫層。
[0024] 所述采樣口可在儲水罐罐體側(cè)面自上而下設(shè)置一排采樣口，采樣口的直徑可為 5mm，采樣口 W止水夾密封，采樣時打開操作。
[0025] 所述排水孔的直徑可為5mm;當罐體上蓋未密閉時，該排水孔關(guān)閉；而當罐體密閉， 海水降溫開始結(jié)冰時打開該排水孔，因結(jié)冰體積膨脹導(dǎo)致的罐內(nèi)壓力過高時排出部分海水 到袋中。采集大氣樣品后，冰層W上大氣壓降低，與外界聯(lián)通的乳膠7-氣球開始充氣膨脹來 維持罐內(nèi)大氣壓恒定。需要采集儲水罐內(nèi)水樣或氣樣時，直接從取樣口吸取樣品。而取冰樣 時需要打開上口，用手持電鉆鉆取冰忍樣品。
[00%]所述真空袋8可采用真空聚乙締袋。
[0027] 使用時，首先將冰箱1放置在能接通電源A的水平位置，儲水罐3放置于冰箱1中間。 然后將實驗海水累入儲水罐3至1/2~2/3容積處，開啟冰箱1，將冰箱1溫度設(shè)定為-2°C，待 儲水罐3中海水溫度降低到臨近冰點（鹽度為35時冰點為-1.9°C)時，采集水樣和上層大氣 樣品；然后關(guān)閉儲水罐上蓋，并在上蓋四周涂抹真空油脂W保障儲水罐的氣密性。設(shè)定冰箱 溫度為-IOC并開啟位于儲水罐上蓋的半導(dǎo)體制冷裝置2,數(shù)小時后表層海水開始出現(xiàn)薄 冰，海冰層隨時間不斷增長，增長速度為1~2cm。大氣和海水樣品可根據(jù)需要通過儲水罐側(cè) 面采樣口 4采集。海冰樣品可W打開上蓋后，用電鉆鉆取。融冰過程則與上述過程相反，當上 層水面結(jié)冰達到預(yù)設(shè)厚度時關(guān)閉半導(dǎo)體制冷設(shè)備，調(diào)高冰箱溫度使海面冰層逐漸融化。
[0028] 實施例采用的風(fēng)冷冰箱為訂制冰箱，內(nèi)部無隔板，空間大，足W容納儲水罐和半導(dǎo) 體制冷裝置，且有充裕的操作空間。冰箱頂板小孔供半導(dǎo)體制冷和溫度探頭的用電需求。
[0029] -個與外界大氣聯(lián)通的未充氣乳膠氣球置于罐體內(nèi)部。當罐體內(nèi)氣壓降低時，外 界空氣進入乳膠氣球內(nèi)使罐體內(nèi)壓力仍維持一個大氣壓。儲水罐底部連接一個真空聚乙締 袋，當結(jié)冰過程中體積膨脹導(dǎo)致儲水罐壓力增大時，罐體內(nèi)海水可W排入該真空聚乙締袋 而減壓；當結(jié)冰過程中因抽取水樣導(dǎo)致罐體內(nèi)壓力減小時，真空聚乙締袋內(nèi)海水再次回到 儲水罐內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種海冰凍融過程實驗室內(nèi)模擬系統(tǒng)，其特征在于設(shè)有冰箱、半導(dǎo)體制冷裝置、儲水 罐、采樣口、保溫層和溫度探頭； 所述冰箱采用風(fēng)冷冰箱，冰箱頂部設(shè)有孔洞，孔洞用于冰箱內(nèi)部的電源線伸出冰箱外 連接電源；用于盛裝海水的儲水罐上部設(shè)有開口和上蓋，上蓋與開口通過螺絲固定連接，半 導(dǎo)體制冷裝置嵌入儲水罐頂板，半導(dǎo)體制冷裝置的冷片直接接觸儲水罐內(nèi)空氣;儲水罐罐 體四周及底部分別包裹保溫層，用于阻止在儲水罐罐體四周及底部形成海冰;儲水罐罐體 的側(cè)面設(shè)置采樣口，用于采集氣樣和水樣，采樣口用止水夾密封，儲水罐罐體底部設(shè)有排水 孔，排水孔外接真空袋，在儲水罐罐體四周及底部設(shè)有溫度探頭，設(shè)于儲水罐罐體上部的氣 球與儲水罐罐體外連通。2. 如權(quán)利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內(nèi)模擬系統(tǒng)，其特征在于所述孔洞的直 徑為20mm。3. 如權(quán)利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內(nèi)模擬系統(tǒng)，其特征在于所述儲水罐采 用厚度為5_的透明聚甲基丙烯酸甲酯板制成。4. 如權(quán)利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內(nèi)模擬系統(tǒng)，其特征在于所述儲水罐的 罐體為高600mm，長和寬均為350mm的長方體。5. 如權(quán)利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內(nèi)模擬系統(tǒng)，其特征在于所述開口四周 墊襯硅膠墊圈以保持罐體密閉。6. 如權(quán)利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內(nèi)模擬系統(tǒng)，其特征在于半導(dǎo)體制冷裝 置的冷片直接接觸罐體內(nèi)空氣，局部冷卻海水上層大氣，促使表層海水結(jié)冰。7. 如權(quán)利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內(nèi)模擬系統(tǒng)，其特征在于所述保溫層采 用橡膠棉保溫層。8. 如權(quán)利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內(nèi)模擬系統(tǒng)，其特征在于所述采樣口是 在儲水罐罐體側(cè)面自上而下設(shè)置一排采樣口，采樣口的直徑為5_，采樣口可采用止水夾密 封。9. 如權(quán)利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內(nèi)模擬系統(tǒng)，其特征在于所述排水孔的 直徑為5mm。10. 如權(quán)利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內(nèi)模擬系統(tǒng)，其特征在于所述真空袋采 用真空聚乙烯袋。
【文檔編號】F25D29/00GK106016887SQ201610319454
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】吳曼, 詹力揚, 陳立奇
【申請人】國家海洋局第三海洋研究所