The Development of a Benthic Chamber (BelcI) for Benthic Boundary Layer Studies

저층 경계면 연구용 Benthic chamber(BelcI) 개발

We have developed an in-situ benthic chamber (BelcI) for use in coastal studies that can be deployed from a small boat. It is expected that BelcI will be useful in studying the benthic boundary layer because of its flexibility. BelcI is divided into three main areas: 1) frame and body chamber, 2) water sampler, and 3) stirring devices, electric controller, and data acquisition technology. To maximize in-situ use, the frame is constructed from two layers that consist of square cells. All electronic parts (motor controller, pA meter, data acquisition, etc.) are low-power consumers so that the external power supply can be safely removed from the system. The hydrodynamics of BelcI, measured by PIV (particle image velocimetry), show a typical "radial-flow impeller" pattern. Mixing time of water in the chamber is about 30 s, and shear velocity ($u^*$) near the bottom layer was calculated at $0.32\;cm\;s^{-1}$. Measurements of diffusivity boundary layer thickness showed a range of $180-230\;{\mu}m$. Sediment oxygen consumption rate, measured in-situ，was $84\;mmol\;O_2\;m^{-2}\;d_{-1}$, more than two times higher than on-board incubation results. Benthic fluxes assessed from in-situ incubation were estimated as follows: nitrate + nitrite = $0.18\;{\pm}\;0.07\;mmol\;m^{-2}\;d^{-1}$ ammonium $23\;{\pm}\;1\;mmol\;m^{-2}\;d^{-1}$ phosphate = $0.09\;{\pm}\;0.02\;mmol\;m^{-2}\;d^{-1}$ and silicate = $23\;{\pm}\;1\;mmol\;m^{-2}\;d^{-1}$.

소형선박에서 운영이 가능한 연안용 benthic chamber(BelcI)를 개발했다. 운영상에 유연성이 큰 BelcI는 연안 저층 경계면 연구에 폭넓게 이용될 수 있을 것으로 판단된다. BelcI는 몸체, 자동채수기, 교반기 및 전자제어부로 구성된다. 운영상에 유연성을 극대화하기 위해 몸체는 사각 셀 단위의 2단 구조로 설계했다. 센서신호의 증폭, 교반기 및 채수장치 제어회로를 초 전력 소모 회로로 구성하여 외부 전원장치를 제거했다. PIV(particle image velocimetry)기법으로 측정한 chamber 내부의 유체유통은 전형적인 radial-flow impeller의 특성을 나타냈다. chamber내 물의 혼합 시간은 약 30초로 추정되었으며, 바닥면에서 shear velocity($u^*$)는 약 $0.32\;cm\;s^{-1}$였다. 산경계층(DBL) 두께는 약 $180{\sim}230\;{\mu}m$였다. 현장에서 측정한 산소소모율은 약 $84\;mmol\;O_2\;m^{-2}\;d_{-1}$로 선상배양결과 보다 2배 이상 컸다. 저층 영양염 플럭스는 "질산+아질산"이 $0.18\;{\pm}\;0.07\;mmol\;m^{-2}\;d^{-1}$, 암모니움이 $2.3\;{\pm}\;0.5\;mmol\;m^{-2}\;d^{-1}$, 인산인이 $0.09\;{\pm}\;0.02\;mmol\;m^{-2}\;d^{-1}$, 규산규소가 $23\;{\pm}\;1\;mmol\;m^{-2}\;d^{-1}$로 추정되 었다.