一種海冰凍融過程實驗室內模擬系統的制作方法
【專利摘要】一種海冰凍融過程實驗室內模擬系統，涉及一種可以在實驗室內模擬自然環境中海洋表層海冰形成和融化過程的裝置。設有冰箱、半導體制冷裝置、儲水罐、采樣口、保溫層和溫度探頭；所述冰箱采用風冷冰箱，冰箱頂部設有孔洞；用于盛裝海水的儲水罐上部設有開口和上蓋，半導體制冷裝置嵌入儲水罐頂板，半導體制冷裝置的冷片直接接觸儲水罐內空氣；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；儲水罐罐體的側面設置采樣口，用于采集氣樣和水樣，采樣口用止水夾密封，儲水罐罐體底部設有排水孔，排水孔外接真空袋，在儲水罐罐體四周及底部設有溫度探頭，設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模擬系統
技術領域
[0001] 本發明設及一種可W在實驗室內模擬自然環境中海洋表層海冰形成和融化過程 的裝置，特別是設及在實驗室內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 程中的遷移轉化行為。
【背景技術】
[0002] 極區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海洋獨一 無二的重要特征，在全球生物地球化學循環中起重要作用，尤其在海洋營養鹽類、痕量金 屬、無機碳、W及具有重要環境意義的氣體(如二甲基硫(DMS)、氧化亞氮(化0)，甲燒(C也）） 的循環中起重要作用(Vancoppenolle et al,2013)。目前已有研究表明，海冰形成時產生 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)。近期研究結果顯示， 南大洋和北極海洋表層水體存在化0不飽和現象，極區夏季海冰融化水對表層的稀釋作用 可能是導致運種現象的原因（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，但是區域變化很大(Stammerjohn et al. ,2012)，因此了 解海冰對全球生物地球化學過程的影響至關重要。然而，極區自然環境惡劣，難W在那里進 行長期實地觀測，在實驗室模擬研究極區海冰凍融過程無疑將為我們理解極區海洋環境具 有重要參考意義。盡管已有少量研究在實驗室內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成分， 因此所使用的模擬系統都是非封閉系統，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推廣應用。
【發明內容】
[0003] 本發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模擬系統。
[0004] 本發明設有冰箱、半導體制冷裝置、儲水罐、采樣口、保溫層和溫度探頭；
[0005] 所述冰箱采用風冷冰箱，冰箱頂部設有孔桐，孔桐用于冰箱內部的電源線伸出冰 箱外連接電源；用于盛裝海水的儲水罐上部設有開口和上蓋，上蓋與開口通過螺絲固定連 接，半導體制冷裝置嵌入儲水罐頂板，半導體制冷裝置的冷片直接接觸儲水罐內空氣;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 罐體的側面設置采樣口，用于采集氣樣和水樣，采樣口用止水夾密封，儲水罐罐體底部設有 排水孔，排水孔外接真空袋，在儲水罐罐體四周及底部設有溫度探頭，設于儲水罐罐體上部 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] 半導體制冷裝置的冷片直接接觸罐內空氣，局部冷卻海水上層大氣，促使表層海 水結冰。
[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面自上而下設置一排采樣口，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，該排水孔關閉；而當罐體密閉， 海水降溫開始結冰時打開該排水孔，因結冰體積膨脹導致的罐內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，與外界聯通的氣球開始充氣膨脹來維持罐 內大氣壓恒定。需要采集儲水罐內水樣或氣樣時，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] 本發明具有W下有益效果：
[0015] 與其他海水結冰模擬系統相比，本發明不僅具有占地小、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，是在實驗室內模擬研究極地海洋環境的理想工具。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發明實施例的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017] W下實施例將結合附圖對本發明作進一步的說明。
[001引參見圖1，本發明實施例設有冰箱1，半導體制冷裝置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采用風冷冰箱，冰箱1頂部設有孔桐，孔桐用于冰 箱內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上部設有開口和上蓋，上 蓋與開口通過螺絲固定連接，半導體制冷裝置2嵌入儲水罐3頂板，半導體制冷裝置2的冷片 直接接觸儲水罐3內空氣;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罐體的側面設置采樣口 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 底部設有溫度探頭6,設于儲水罐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] 半導體制冷裝置的冷片直接接觸罐內空氣，局部冷卻海水上層大氣，促使表層海 水結冰。
[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面自上而下設置一排采樣口，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，該排水孔關閉；而當罐體密閉， 海水降溫開始結冰時打開該排水孔，因結冰體積膨脹導致的罐內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，與外界聯通的乳膠7-氣球開始充氣膨脹來 維持罐內大氣壓恒定。需要采集儲水罐內水樣或氣樣時，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。設定冰箱 溫度為-IOC并開啟位于儲水罐上蓋的半導體制冷裝置2,數小時后表層海水開始出現薄 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需要通過儲水罐側 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 層水面結冰達到預設厚度時關閉半導體制冷設備，調高冰箱溫度使海面冰層逐漸融化。
[0028] 實施例采用的風冷冰箱為訂制冰箱，內部無隔板，空間大，足W容納儲水罐和半導 體制冷裝置，且有充裕的操作空間。冰箱頂板小孔供半導體制冷和溫度探頭的用電需求。
[0029] -個與外界大氣聯通的未充氣乳膠氣球置于罐體內部。當罐體內氣壓降低時，外 界空氣進入乳膠氣球內使罐體內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，當結冰過程中體積膨脹導致儲水罐壓力增大時，罐體內海水可W排入該真空聚乙締袋 而減壓；當結冰過程中因抽取水樣導致罐體內壓力減小時，真空聚乙締袋內海水再次回到 儲水罐內。
【主權項】
1. 一種海冰凍融過程實驗室內模擬系統，其特征在于設有冰箱、半導體制冷裝置、儲水 罐、采樣口、保溫層和溫度探頭； 所述冰箱采用風冷冰箱，冰箱頂部設有孔洞，孔洞用于冰箱內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有開口和上蓋，上蓋與開口通過螺絲固定連接，半 導體制冷裝置嵌入儲水罐頂板，半導體制冷裝置的冷片直接接觸儲水罐內空氣;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 的側面設置采樣口，用于采集氣樣和水樣，采樣口用止水夾密封，儲水罐罐體底部設有排水 孔，排水孔外接真空袋，在儲水罐罐體四周及底部設有溫度探頭，設于儲水罐罐體上部的氣 球與儲水罐罐體外連通。2. 如權利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內模擬系統，其特征在于所述孔洞的直 徑為20mm。3. 如權利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內模擬系統，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. 如權利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內模擬系統，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. 如權利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內模擬系統，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. 如權利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內模擬系統，其特征在于半導體制冷裝 置的冷片直接接觸罐體內空氣，局部冷卻海水上層大氣，促使表層海水結冰。7. 如權利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內模擬系統，其特征在于所述保溫層采 用橡膠棉保溫層。8. 如權利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內模擬系統，其特征在于所述采樣口是 在儲水罐罐體側面自上而下設置一排采樣口，采樣口的直徑為5_，采樣口可采用止水夾密 封。9. 如權利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內模擬系統，其特征在于所述排水孔的 直徑為5mm。10. 如權利要求1所述一種海冰凍融過程實驗室內模擬系統，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