沉积物捕捉器

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第685页（1920字）

自20世纪70年代以来，沉积物捕捉器的应用对于化学海洋学和生物海洋学的发展起着一定的推进作用。

海水中沉降的颗粒物质不仅受到重力作用，同时也受到流作用。当将捕捉器放置在海水中时，它周围的流场将受到阻碍和扰动。

多数情况下，由于捕捉器的阻挡，周围的流将加速，并受到分散，此时，在捕捉器开口处，流速加大，压力减小。当捕捉器上方的压力梯度和分散作用足够大时，海水在捕捉器周围将产生涡动，涡流沿着捕捉器的外壁旋转进入捕捉器底部，从而引起捕捉器内的静止水产生运动。

涡动的大小和频率取决于捕捉器的几何形状和流场的特性，由涡动引起流场变化，严重地影响了海洋中沉降的悬浮颗粒，控制着水体的交换和停留时间。因此，Butman等人提出了捕捉器设计中的6个参数：流速(μ)；捕捉器开口外径(D)；流体运动学粘度系数(v)；捕捉器高度(H)；颗粒重力沉降速度(w)；捕捉器开口内径(d)。

对于典型的圆柱形捕捉器，可用3个综合参数表示：

Re=μD／v

A=H／D

流速与沉降速度比：μ／w

式中，Re为雷诺数；A为外形比。公式中最主要的几何参数是Rt和A。D同时影响Rt和A。

沉积物捕捉器设计的基本要求 为保证收集各种颗粒度的沉降物质，必须要最大限度地减少捕捉器内外的涡动和防止沉积物的再悬浮。由于捕捉效率取决于悬浮体的浓度、颗粒的大小和密度、捕捉器的几何形状以及流速，因而必须进行实验室和现场研究，马萨得斯技术学院和伍兹霍尔海洋研究所曾共同进行了如下研究：捕捉器的几何形状与捕捉效率的关系；捕捉时间、流速与捕捉效率的关系；不同流速下的各种漏斗形捕捉器的捕捉效率等动力学实验。要求足够大的开口面积，使得捕捉器能在预定的投放时间内收集足够量的样品。

列举一些海域的颗粒物质通量(单位为mg／(m²·d))的大约范围：北太平洋、大西洋为500～100，Sarga-sso海为40，巴拿马海盆地为500～1000，Funka湾(日本)为2900～24000，萨尼奇湾(加拿大)为700～6000mg／(m²·d)。要求时间系列控制系统可靠和具有较大范围的可调性。这是因为通量研究要求获得月、季度以至年度变化资料，所以要求捕捉器必须具备定时分步收集的功能。

时间控制系统是准确无误地工作的重要部分，目前主要由石英定时控制器和微型计算机控制系统组成时间控制系统。

要求分步收集样品，分别贮存，并与周围的海水隔离，能安全回收。捕捉器的材料和结构应适应于在海洋任何正常深度下投放。要求能运用普通的海洋调查船进行投放和回收。

常用捕捉器 (1)圆柱形捕捉器。

适用于物质通量较大的近海和海湾，中国科学院海洋研究所、加拿大海洋科学研究所和哥伦比亚大学以及日本的S．Tstinogai等人都长期使用过。其特点是开口面积小、结构紧凑、成对悬挂、投放和回收简便。直径一般为20cm左右，H／D为3～3．5。不能分步捕捉样品。

(2)梅花形捕捉器。其外形与圆柱形捕捉器相似，但直径小，H／D大。

具备圆柱形捕捉器的特点，配置蜂窝巢。(3)圆柱形与漏斗形组合捕捉器。

由日本的K．1seki博士设计，曾用于白令海有机碳海洋通量研究。体形为圆柱形与漏斗形的组合，开口面积较前两种大，不配备蜂窝巢，但是配有密封盖，投放时打开密封盖，回收前，借用使锤启动，将捕捉器的开口覆盖。

(4)漏斗形捕捉器。美国伍兹霍尔海洋研究所S．Honjo设计的3种尺度的漏斗形捕捉器(Mark2，Mark5和Mark6)是该类型的代表。

具有分步捕捉的功能，可以投放la，以至更长，设有12个搜集杯。时间系列控制系统准确、可靠，又称时间系列捕捉器。它们已先后应用于北太平洋、大西洋、北冰洋、Saragasso海和巴拿马海盆地等海域的海洋物质通量研究。Mark2，Mark5和Mark6的结构和性能基本一样，不同之处在于所用材料不同，分步捕捉控制系统不同，方法和开口面积不同。

海洋通量研究已成为世界海洋研究的3大主要课题之一。沉积物捕捉器是研究海洋能量(垂直通量)的基本可靠手段，中国的少数单位已开始设计和使用这种设备，但是还不成熟，特别是今后将从事海洋通量的年季变化研究，需要采用微程序动力控制的时间系列捕捉器，因而本文论述了沉积物捕捉器设计的基本原理和目前国内外运用捕捉器的研究动向，以有利于国内有关单位参考和运用，促进这个研究领域的发展。

(中国科学院海洋研究所詹滨秋、李鹏程、任建伟撰)