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Cryoegg – 使用 KELLER 压力测量技术进行冰川研究【2022已更新(今日/动态)】


冰川是地球上最重要的淡水水库——我们约有四分之三的淡水储量储存在地球上的冰川冰中。在两极,覆盖南极洲和格陵兰的大冰盖储存了足够的水,如果它们融化,它们将显着提高全球海平面,导致大面积的沿海洪水。随着碳排放导致全球气温迅速升高,我们现在正在完全失去许多山地冰川,而且极地地区也存在大量冰层流失的风险。

为了更深入地了解气候变化将如何影响山地冰川和极地冰盖,威尔士卡迪夫大学开发了一种新设备,该团队命名为 Cryoegg。它包含 KELLER PA-20D 压力变送器,一种用于测量水压的可靠传感器,初步研究已经产生了令人印象深刻的结果。

Cryoegg 旨在帮助改进研究并获得有关未来冰川和冰盖内部和下方液态水流动的精确过程的更具体信息。研究结果有望为我们为后代保护冰川提供新的方法。

冰冻圈和气候变化

科学家使用的术语“冰冻圈”是指行星上所有冰冻水的来源。在地球上,冰冻圈对气候系统也有非常重要的影响,因为冰由于其高度反射性而将大量阳光和热量反射回太空。这种效应被称为“反照率效应”,负责间接冷却我们的星球。

持续寒冷的极地地区也是全球气候系统的一部分——大气和海洋中的热量流动有助于推动天气和海洋环流。例如,墨西哥湾流内的水域将热能从墨西哥湾穿过大西洋输送到挪威,为欧洲创造了温和的气候。

然而,自工业化时代开始以来,温室气体排放量不断上升,因此,不幸的是,我们星球的基础温度反过来又增加了。这意味着我们的冰川和极地每年都在越来越多地融化,这已经对我们的生态系统产生了许多生态和社会影响。但是,受到威胁的不仅是我们世界的动植物群。我们也正在经历越来越频繁的环境灾难,这些灾难越来越影响我们人类的生存。展望未来,我们的冰川融化可能会导致更严重的问题,例如全球饮用水短缺。因此,研究和保护我们的冰川和极地对于我们当前和未来在地球上的生活至关重要。瑞士KELLER自记式水位计,自容式水位计应用于寒冷的冰川融化研究领域案例,欢迎咨询瑞士KELLER授权代理商-卓米物联0531-81762819。

 

冰川的工作原理

如果您在夏季走过冰川,冰川不仅是坚固的冰,您还经常会看到小溪或河流从冰面上流过。这是融水。如果你沿着这些溪流中的一条走,很可能在某个时候它会消失在一个洞里,继续在地下旅行。这些洞被称为“磨坊”,法语为“磨”,因为它们类似于传统水磨机的快速流动的水。

水消失在磨坊中,在冰川冰层内部和下方流动,直到它出现在冰川的尽头——要么进入下方的山谷,要么进入大海。因为我们看不到冰川冰层下面,所以很难理解这些水流的行为,以及它们如何影响冰川的流动。研究表明,在山地冰川上,春季水压会增加,润滑冰川并使其流动得更快。在夏秋季节的晚些时候,水在冰下开辟了通道,降低了压力并再次减缓了冰川的速度。

研究人员研究这些冰臼不仅仅是为了更深入地了解我们山地冰川的隐藏通道。更重要的是,他们正在寻找更好的方法来研究和了解大型极地地区及其地下通道在格陵兰等地的运作方式。

磨坊非常危险。它们充满了冰冷的、快速流动的水,受到强大的水流的影响。因此,潜水员无法研究冰川。迄今为止进行的研究已使用“冰下探测器”来研究冰川如何流动。冰下意味着“冰下”。冰下探测器包含各种传感器,专为冰川研究而设计。到目前为止,科学家们经常通过机械方式或在热水钻头的帮助下钻孔。然后将探头放入电缆末端的钻孔中。电缆为传感器供电,传感器将其记录的数据发送回地面的计算机。冰川的移动导致钻孔变形,拉伸电缆直至断裂。因此,目前冰下探测器的寿命大多仅限于几周。

 

具有附加值的开发:Cryoegg

来自威尔士卡迪夫大学地球与环境科学学院的冰川学家 Liz Bagshaw 和工程师 Mike Prior-Jones 开发了一种创新的新型冰下探测器:Cryoegg。

Cryoegg是一种无线球状设备,包含电池、传感器和无线电发射器。其近乎球形的形状使其能够轻松顺畅地滑过冰川内的水道。因此,卡住的可能性很小。由于Cryoegg是无线的,因此可以简单地将其放入磨坊或放入钻孔中。

 

压力、温度和电导率这三个参数是使用集成在Cryoegg中的传感器测量的。压力传感器是 KELLER PA-20D (250 bar) 压力变送器。它具有真空密封隔膜,并通过数字 I2C 接口与微控制器通信。变送器向微控制器提供 16 位压力值,但仅使用可用范围的一半。其余部分用于报告略高于校准范围的压力。 这意味着最小的可报告压力间隔为 7.6 毫巴。在实际现场测试中,KELLER 传感器甚至能够以高达 0.1 bar 的精度检测水压变化。 单独的、独立的传感器被安装用于温度和电导率测量。

 

«KELLER 的压力传感器具有承受最恶劣环境影响所需的可靠性和坚固性。 数字 I2C 接口还使我们能够非常轻松地将其集成到我们的电气设计中。» Mike Prior-Jones说道。

 

田间试验

Cryoegg的现场试验于2019年在瑞士的罗纳冰川上进行。该团队将Cryoegg连接到一根绳子上,并将其放入磨坊进行测试。一旦Cryoegg到达磨坊底部,它使用KELLER PA-20D传感器测量的水压就会出现在监视器上。随着压力在一个小时内持续下降到零,该团队能够得出结论,储存的水正在从磨坊中流出。

冰对无线电波也非常透明,这就是冰川学家长期以来使用雷达来透视它的原因。

在东格陵兰冰芯项目的钻孔中进行了进一步的现场试验。这表明Cryoegg可以通过超过1.3公里的冰层返回数据,并且传感器可以承受-30 °C的操作。

 

未来的计划

Cryoegg团队打算在未来几年返回东格陵兰冰芯项目 (EastGRIP) 站点。该钻孔钻入格陵兰冰盖东北部冰流 (NEGIS),这是格陵兰冰盖移动速度非常快的部分。了解 NEGIS如何响应气候变化对于预测格陵兰冰盖的冰到达海洋并提高全球海平面的速度非常重要。一旦EastGRIP 冰芯完成,他们将留下一个 2.5 公里深的钻孔,Cryoegg将通过该钻孔进入冰盖下方的环境。

Cryoegg目前正在卡迪夫大学进行进一步优化,以使其能够应对 NEGIS 下方的高压。调整外壳并安装 KELLER 7LD 传感器将能够可靠、实时地可靠地测量水压。KELLER-7LD 压力变送器可能是最佳解决方案。除了其紧凑的尺寸外,它还提供非常可靠的测量,其油中芯片技术使其对环境影响极为稳健。在这里,I2C 接口也支持轻松集成到现有系统中。压力变送器的低功耗也使其非常适用于电池供电系统。


【为 Cryoegg 在瑞士罗纳冰川的首次实地试验做准备】


【Cryoegg 系在绳子上并放入磨坊】

Cryoegg 团队的目标是使用最新技术来更好地了解冰川及其工作原理。反过来,这最终将使我们能够找到长期维护和有效保护我们的冰川和极地地区的解决方案。

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