استكشاف تأثيرات الغلاف الجوي التأثيرات على التبخر: تجربة دمج طبقة الغلاف الجوي الحدود وتحت السطحية الضحلة

الهدف العام من هذا الإجراء هو تطوير جهاز خزان تربة وبروتوكول مرتبط به لدراسة تأثيرات القوى الجوية على التبخر تجريبياً. ويتم تحقيق ذلك أولاً من خلال بناء خزان تربة ثنائي الأبعاد على مقياس مخبري، ثم تتمثل الخطوة الثانية في بناء جهاز نفق رياح يتم التحكم في مناخه ويتصل بخزان التربة.

بعد ذلك، يتم تزويد نفق الرياح وخزان التربة بتقنيات استشعار متنوعة تُستخدم لقياس التربة والرطوبة ودرجة الحرارة والرطوبة النسبية وسرعة الرياح. وتتمثل الخطوة النهائية في ملء خزان التربة بالتربة والماء، وتحديد القوى الجوية المطلوبة، ثم بدء التجربة. وفي نهاية المطاف، يمكن استخدام هذا الجهاز التجريبي لتوليد بيانات تحت ظروف حدّية مضبوطة بدقة، مما يتيح تحكماً أفضل وجمع بيانات دقيقة بمقاييس الاهتمام التي لا يمكن تحقيقها في الميدان.

تتمثل الميزة الرئيسية لهذا الإجراء مقارنة بالطرق الحالية في أنه يسمح بتوليد مجموعات بيانات دقيقة يمكن استخدامها للتحقق من صحة النماذج العددية ودراسة الاعتماد المتبادل بين خصائص التربة وعملياتها. وغالباً ما تكون البيانات المتاحة من المواقع الميدانية غير مكتملة ومكلفة في الحصول عليها، كما يمكن اعتبار درجة التحكم المطلوبة لفهم العمليات وتوليد بيانات للتحقق من النماذج غير كافية. ويسمح هذا الإجراء بالتحكم الدقيق في الظروف الجوية مثل درجة الحرارة، والرطوبة النسبية، وسرعة الرياح، بالإضافة إلى ظروف التربة.

على الرغم من أن هذه الطريقة يمكن أن توفر رؤية متعمقة حول التبخر كما هو موضح هنا، إلا أنه يمكن تطبيقها أيضاً على قضايا أخرى تتطلب فهماً للتفاعلات الجوية الأرضية، مثل تسرب ثاني أكسيد الكربون المحتجز جيولوجياً، وتغير مناخ التربة، وإمدادات الغذاء والمياه، والكشف الدقيق عن الألغام الأرضية، ومعالجة المياه الجوفية والتربة. وبمشاركة طالبي في مرحلة الدراسات العليا، Andrew Trouts، ستقوم Victoria Egan، وهي طالبة جامعية من مختبري، بتوضيح الإجراء. للبدء، يتم قص قطعة كبيرة من الزجاج الأكريليكي بسماكة 1.2 centimeter إلى خمس قطع فردية. يسمح الزجاج الأكريليكي بمراقبة العمليات التي تحدث تحت السطح بصرياً.

بعد ذلك، ارسم شبكة بمقاس خمسة في خمسة. أي بمقاس 25 سنتيمتر في 25 سنتيمتر على كل من اللوحين الزجاجيين الكبيرين. تأكد من أن مساحة كل مربع داخل الشبكة تبلغ 25 سنتيمتر مربع.

ستُستخدم الشبكة لضمان توزيع المسافات بشكل صحيح. بالنسبة للمستشعرات الموجودة داخل خزان التربة، يتم حفر ما مجموعه 25 ثقباً بقطر 0.9 سنتيمتر في أحد الألواح الزجاجية الكبيرة؛ حيث يُحفر كل ثقب في مركز كل مربع من مربعات الشبكة بحيث تكون المسافة بين مركزي الثقبين في المربعين المتجاورين 5 سنتيمترات. وتكون المجموعة الأولى من الثقوب على عمق 2.5 سنتيمتر أسفل الجزء العلوي من الخزان.

استخدم لقم تثقيب (taps) ذات حجم مناسب لعمل سنون لولبية في كل من الثقوب التي تم إنشاؤها حديثاً. تضمن المسافة الفاصلة البالغة 5 cm بين المستشعرات وجود كل مستشعر خارج حجم أخذ العينات الخاص بأقرب مستشعر تالٍ له. وبنفس الطريقة، قم بثقب وعمل سنون لولبية لإجمالي 25 ثقباً بقطر 0.635 cm في مركز كل مربع من مربعات الشبكة على اللوح الزجاجي الآخر أو اللوح الأكريليكي المستخدم كقاعدة للخزان.

قم بثقب وتسنين ثقب واحد بقطر نصف بوصة في منتصف اللوح. قم بلصق شاشة شبكية فوق الثقب على الجانب الداخلي للزجاج وفي الجانب الخارجي من اللوح السفلي. قم بتركيب كوع بزاوية 90 درجة متصل بأنبوب مرن مع صمام قابل للتعديل.

يُستخدم هذا الصمام والأنابيب لتصريف المياه من الخزان عند انتهاء التجربة أو كوسيلة لتركيب أجهزة الرأس الثابت للحفاظ على مستويات ثابتة من عمق المياه في الطاولة. استخدم غراءً مخصصاً للمعدات البحرية أو لاصق بوليمر مماثلاً مقاوماً للماء لتجميع الخزان وإحكام غلقه.

اترك المادة اللاصقة لتجف لمدة يوم واحد لرفع الخزان عن الأرض وإفساح المجال لكوع الـ 90 درجة. قم بتثبيت قطعتين إضافيتين من الزجاج الأكريليكي بسماكة 1.2 centimeter وطول 12 centimeters وارتفاع خمسة centimeters في قاع الخزان. قم بتشييد الجزء العلوي من نفق الرياح بطول 215 centimeter باستخدام مادة مجاري صلبة مجلفنة مستطيلة الشكل بعرض 8.5 centimeters وارتفاع 26 centimeters.

قم بتغليف الجزء الخارجي من القناة بمادة عازلة. بعد ذلك، قم بتركيب خمسة عناصر تسخين بالأشعة تحت الحمراء من السيراميك، بحيث تكون موزعة على التوازي داخل عاكس على طول الجزء العلوي من نفق الرياح. صِل عناصر التسخين بالأشعة تحت الحمراء بنظام تحكم في درجة الحرارة يتم تنظيمه بواسطة مستشعر درجة حرارة يعمل بالأشعة تحت الحمراء.

قم ببناء الجزء الأوسط من نفق الرياح باستخدام لوحين من الأكريليك بسمك 1.2 centimeter، وبطول 25 centimeters وارتفاع 26 centimeters. ثبت ألواح الأكريليك في الجزء العلوي من الجدران الجانبية لخزان التربة باستخدام شريط لاصق قوي، مع التأكد من استواء ألواح نفق الرياح وألواح خزان التربة مع بعضها البعض. احفر ثقبين بقطر 0.635 centimeter في أحد ألواح الجزء الأوسط لإدخال مستشعر درجة الحرارة و/أو الرطوبة النسبية.

يتم بعد ذلك بناء أول 50 سنتيمتر من الجزء السفلي من نفق الرياح باستخدام نفس مادة القنوات المستطيلة ذات الحجم السابق. وفي الجانب النهائي، يتم تحويل مادة القنوات المستطيلة إلى قناة مستديرة بقطر 15.3 سنتيمتر وطول 170 سنتيمتر. يتم تركيب خامد من الفولاذ المجلفن يُستخدم لضبط سرعات الرياح عند الطرف السفلي البعيد من القناة المستديرة للمساعدة في التحكم في سرعة الرياح. بعد ذلك، يتم تركيب مروحة قناة مدمجة في منتصف القناة المستديرة بحيث تكون موجهة لطرد الهواء من الجزء السفلي من نفق الرياح.

قم بتوصيل المروحة بوحدة تحكم متغيرة السرعة لتحقيق تحكم أكثر دقة في تردد الدوران، وبالتالي في سرعة الرياح قبل التركيب داخل خزان التربة. ثبت كل مستشعر لرطوبة التربة ودرجة حرارتها داخل مبيت NPT مسنن وأحكم إغلاقه بمادة سد الفواصل لمنع تسرب الرطوبة. لا تستخدم منتجات السد القائمة على السيليكون لأنها قد تتداخل مع الإلكترونيات الموجودة داخل بعض المستشعرات.

قم بمعالجة المستشعرات لمدة أسبوع تقريبًا. لف خيوط كل مبيت NPPT بشريط سباكة قبل التركيب في الخزان للمساعدة في توفير سدادة أفضل بين تسنين NPT والزجاج الأكريليكي. ثم قم بتركيب ما مجموعه 25 مستشعرًا لرطوبة التربة ودرجة الحرارة، بحيث يتم تركيب كل منها أفقيًا عبر جدران الخزان.

عند مواقع الشبكة. قم بلف كابلات المستشعرات بالتزامن مع مبيت NPT لتجنب إتلاف الأسلاك الداخلية الموجودة داخل الكابلات. لا تبالغ في شد الـ MPTs لمنع تشقق الزجاج بمجرد استقراره في مكانه، ثم قم بتوصيل مستشعرات رطوبة التربة ومستشعرات درجة الحرارة بأجهزة تسجيل البيانات المخصصة لها.

قم بتركيب أنبوب سكوني P toe مباشرة في اتجاه التدفق من خزان التربة عبر الثقب المحفور في الجزء العلوي من مقطع نفق الري في اتجاه التدفق. ثبّت الأنبوب السكوني P toe على الارتفاع المطلوب من أرضية المقطع. ثم قم بتوصيل الأنبوب بمحول ضغط تفاضلي قبل ملء الخزان بالتربة.

اختبر سلامته عن طريق إجراء اختبار للتسريب. املأ الخزان بالماء وانتظر من أربع إلى ست ساعات للتأكد من عدم حدوث أي تسريبات في الهيكل أو المستشعرات. بعد إجراء اختبار التسريب وتفريغ الخزان.

احصل على تربة جافة لتعبئة خزان التربة. قم بتوصيف الخصائص الهيدروليكية والحرارية للتربة المختارة بشكل منفصل وفقاً للطرق المنشورة سابقاً. قم بتعبئة خزان التربة بعناية باستخدام التربة والمياه منزوعة الأيونات لترطيب وتعبئة خزان التربة.

أولاً، صُب حوالي خمسة سنتيمترات من الماء في الخزان باستخدام مغرفة، ثم أضف التربة الجافة ببطء إلى الماء الموجود في الخزان. سجل وزن الرمل المضاف خلال كل طبقة بزيادات قدرها 2.5 سنتيمتر في العمق، وذلك لتمكين حساب مسامية تعبئة التربة عند اكتمال كل طبقة. اطرق جدران الخزان بشكل متكرر من 100 إلى 200 مرة باستخدام مطرقة مطاطية للحصول على كثافة ظاهرية موحدة في جميع أنحاء الخزان.

أثناء النقر، تجنب ملامسة المستشعرات وأسلاكها. كما يجب تجنب استخدام الأجهزة الاهتزازية لضمان عدم إتلاف شبكة المستشعرات الحساسة. ضع الخزان على ميزان لمراقبة الفقد التراكمي للمياه، والذي يمكن استخدامه بدوره لحساب معدل التبخر.

بمجرد اكتمال الإعداد، حدد الظروف الجوية المطلوبة. تأكد من تشغيل مسجلات البيانات وأنظمة تجميع البيانات الأخرى وضبطها على فترات أخذ العينات الصحيحة. قم بتشغيل المروحة ونظام التحكم في درجة الحرارة.

اترك الظروف المناخية لتصل إلى حالة التوازن قبل إزالة الغطاء البلاستيكي الموجود على سطح خزان التربة. وأخيراً، قم بتشغيل التجربة للمدة الزمنية المطلوبة. وقد استُخدم الجهاز المكون من نفق الرياح وخزان التربة معاً لإجراء سلسلة من التجارب التي طُبقت فيها ظروف حدّية مختلفة عند سطح التربة.

على الرغم من إجراء أربع تجارب بسرعات رياح ودرجات حرارة مختلفة، فإن غالبية النتائج التجريبية المعروضة هنا هي لسرعة رياح تبلغ 1.22 meters per second. وتنخفض الرطوبة النسبية لسطح التربة بمرور الوقت، بينما تظهر درجة حرارة سطح التربة اتجاهاً تزايدياً بمرور الوقت قبل أن تستقر. وقد لوحظت هذه الاتجاهات في جميع التجارب الأربع ويمكن تفسيرها بدلالة جفاف التربة.

تكون درجة حرارة السطح والرياح أقل تأثيراً على درجات الحرارة المحلية في الأعماق الأكبر، حيث لا يظهر أي تأثير عند أعماق تقل عن 12.5 سنتيمتر. يمكن ربط التشبع بمراحل التبخر المختلفة، والتي يتم تحديدها بناءً على الاختلافات في معدلات التبخر. موقع جبهة التجفيف وآليات النقل السائدة.

تؤدي زيادة سرعات الرياح إلى ارتفاع معدل التبخر وتقليص مدة المرحلة الأولى من التبخر. ومع ذلك، فإن زيادة سرعة الرياح بما يتجاوز 3 m/s تظهر تأثيراً إضافياً ضئيلاً على المرحلة الأولى من التبخر. أما المرحلة الثانية من التبخر، والتي تحكمها أساساً خصائص الوسط المسامي، فيبدو أنها مستقلة عن سرعة الرياح أو تتأثر بها بشكل طفيف فقط.

يُمكن تطبيق هذا البروتوكول التجريبي على مجموعة متنوعة من الظروف البيئية، بما في ذلك التغيرات في التربة، أو المناخ، أو الحدود، أو ظروف ما تحت السطح. كما يمكن تعديل أبعاد وتوزيع المستشعرات في الجهاز الموصوف لتلبية احتياجات التجارب المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تعديل إجراء التعبئة بشكل مشابه لمراعاة تكوينات تعبئة مختلفة، مثل ظروف المسامية المتغيرة وغير المتجانسة للتربة.