Ausflüge in die Auswirkungen der Luft Antriebe auf Verdunstung: Experimental Integration der atmosphärischen Grenzschicht und oberflächennahen Untergrundes

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, eine Bodenbehälterapparatur und ein zugehöriges Protokoll zu entwickeln, um experimentell die Auswirkungen atmosphärischer Einflüsse auf die Verdunstung zu untersuchen. Dies wird erreicht, indem zunächst ein zweidimensionaler, messtechnisch nutzbarer Bodenbehälter konstruiert wird. Der zweite Schritt besteht darin, eine klimageregelte Windkanalapparatur zu bauen, die mit dem Bodenbehälter verbunden ist.

Als Nächstes werden Windkanal und Bodenbehälter mit verschiedenen Sensortechnologien ausgestattet, die zur Messung von Boden, Feuchtigkeit, Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit verwendet werden. Der letzte Schritt besteht darin, den Bodenbehälter mit Boden und Wasser zu befüllen, die gewünschten atmosphärischen Einflüsse festzulegen und das Experiment zu starten. Letztendlich kann diese experimentelle Apparatur genutzt werden, um Daten unter gut kontrollierten Randbedingungen zu erzeugen, was eine bessere Kontrolle und die Gewinnung genauer Daten in den interessierenden Maßstäben ermöglicht, die im Feld nicht realisierbar sind.

Der Hauptvorteil dieses Verfahrens gegenüber bestehenden Methoden liegt darin, dass es die Erzeugung präziser Datensätze ermöglicht, die zur Validierung numerischer Modelle und zur Untersuchung der Wechselbeziehungen zwischen Bodeneigenschaften und -prozessen verwendet werden können. Daten, die von Feldstandorten verfügbar sind, sind oft unvollständig und kostspielig zu beschaffen, und das erforderliche Maß an Kontrolle, um ein Verständnis der Prozesse zu erlangen und Daten zur Modellvalidierung zu generieren, kann als unzureichend angesehen werden. Mit diesem Verfahren lassen sich atmosphärische Bedingungen wie Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit sowie Bodenbedingungen sorgfältig steuern.

Obwohl diese Methode wie hier gezeigt Einblicke in die Verdunstung ermöglichen kann, ist sie auch auf andere Fragestellungen anwendbar, die ein Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre erfordern, wie das Austreten geologisch gespeicherten Kohlendioxids, den Klimawandel im Boden, Lebensmittel- und Wasserversorgung, die präzise Detektion von Landminen sowie die Sanierung von Grundwasser und Boden. Gemeinsam mit meinem Doktoranden Andrew Trouts wird Victoria Egan, eine Studierende aus meinem Labor, die Vorgehensweise demonstrieren. Zunächst schneiden Sie ein großes Stück Acrylglas mit einer Dicke von 1,2 Zentimetern in fünf einzelne Scheiben. Mit Acrylglas können Vorgänge im Untergrund visuell beobachtet werden.

Zeichnen Sie anschließend ein Gitter mit fünf mal fünf Feldern, also 25 Zentimeter mal 25 Zentimeter, auf jede der beiden großen Glasscheiben. Stellen Sie sicher, dass jedes Feld innerhalb des Gitters eine Fläche von 25 Quadratzentimetern aufweist.

Das Raster wird zur korrekten Abstandshaltung verwendet. Die Sensoren innerhalb des Bodentanks an einer der großen Glasscheiben bohren insgesamt 25 Löcher mit einem Durchmesser von 1,09 Zentimetern für die Bodenfeuchtesensoren. Bohren Sie jedes Loch in die Mitte jedes Quadrats im Raster, sodass die Mittelpunkte der Löcher benachbarter Quadrate fünf Zentimeter voneinander entfernt sind. Der erste Satz von Löchern befindet sich 2,5 Zentimeter unterhalb der Oberkante des Tanks.

Verwenden Sie passende Gewindebohrer, um Gewinde in jede der neu angefertigten Bohrungen einzuschneiden. Der Abstand von fünf Zentimetern zwischen den Sensoren stellt sicher, dass sich jeder Sensor außerhalb des Probenvolumens des jeweils benachbarten Sensors befindet. Auf die gleiche Weise bohren und gewindebohren Sie insgesamt 25 0 0,635 Zentimeter Durchmesser aufweisende Bohrungen in die Mitte jedes Rasterfelds auf der anderen Glasscheibe der als Tankboden verwendeten Acrylglasplatte.

Bohren und gewinden Sie eine einzige halbzöllige Bohrung in der Mitte der Platte. Kleben Sie ein Maschensieb über die Bohrung auf der Innenseite der Glasscheibe auf der Außenseite der unteren Platte. Installieren Sie einen 90-Grad-Winkelverbinder, der mit einem flexiblen Schlauch und einem verstellbaren Ventil verbunden ist.

Dieses Ventil und der Schlauch dienen dazu, das Wasser aus dem Tank am Ende eines Experiments abzulassen oder konstante Druckvorrichtungen zur Aufrechterhaltung eines konstanten Wasserstandes zu installieren. Verwenden Sie marinepoxidharz- oder ein ähnliches wasserbeständiges Polymerklebeband, um den Tank zu verbinden und abzudichten.

Lassen Sie den Klebstoff einen Tag lang aushärten, um den Tank vom Boden abzuheben und Platz für den 90-Grad-Winkelverbinder zu schaffen. Befestigen Sie zwei zusätzliche Acrylglasplatten mit einer Dicke von 1,2 Zentimetern, einer Länge von 12 Zentimetern und einer Höhe von fünf Zentimetern an der Unterseite des Tanks. Konstruieren Sie den 215 Zentimeter langen stromaufwärtigen Teil des Windkanals aus rechteckigem, verzinktem Stahlrohrmaterial mit einer Breite von 8,5 Zentimetern und einer Höhe von 26 Zentimetern.

Isolieren Sie die Außenseite des Kanals. Bringen Sie anschließend fünf keramische Infrarot-Heizelemente parallel zueinander in einem Reflektor entlang des stromaufwärtigen Abschnitts des Windkanals an. Verbinden Sie die Infrarot-Heizelemente mit einer Temperaturregelung, die durch einen Infrarot-Temperatursensor gesteuert wird.

Konstruieren Sie den Mittelteil des Windkanals aus zwei 1,2 cm dicken Acrylplatten mit einer Länge von 25 cm und einer Höhe von 26 cm. Befestigen Sie die Acrylplatten mit einem starken Klebeband an der Oberseite der Seitenwände des Bodentanks, sodass die Platten von Windkanal und Bodentank bündig zueinander liegen. Bohren Sie zwei Löcher mit einem Durchmesser von 0,635 cm in eine der Mittelplatten, um die Temperatur- und/oder relative-Feuchte-Sensoren einzuführen.

Temperatursensoren konstruieren dann die ersten 50 Zentimeter des nachgeschalteten Bereichs des Windkanals aus dem gleichen rechteckigen Kanalmaterial wie zuvor. Reduzieren Sie auf der abschließenden Seite das rechteckige Kanalmaterial auf einen runden Kanal mit einem Durchmesser von 15,3 Zentimetern und einer Länge von 170 Zentimetern. Installieren Sie am weit entfernten nachgeschalteten Ende des runden Kanals eine aus verzinktem Stahl gefertigte Drosselklappe zur Einstellung der Windgeschwindigkeiten, um die Regelung der Windgeschwindigkeit zu unterstützen. Installieren Sie anschließend einen Inline-Kanallüfter in der Mitte des runden Kanals, so ausgerichtet, dass er Luft aus dem nachgeschalteten Bereich des Windkanals ausstößt.

Schließen Sie den Lüfter an einen regelbaren Drehzahlregler an, um die Drehfrequenz und damit die Windgeschwindigkeit vor der Installation im Bodentank präziser steuern zu können. Befestigen Sie jeden Bodenfeuchte- und Temperatursensor in einem Gewindegehäuse mit NPT-Gewinde und dichten Sie ihn mit einer Dichtfolie ab, um Feuchtigkeitseintritt zu verhindern. Verwenden Sie keine silikonbasierten Dichtmittel, da diese die Elektronik einiger Sensoren beeinträchtigen können.

Die Sensoren etwa eine Woche lang aushärten lassen. Vor der Installation im Tank die Gewinde jedes NPPT-Gehäuses mit Klempnerband umwickeln, um eine bessere Dichtung zwischen dem NPT-Gewinde und dem Acrylglas zu gewährleisten. Anschließend insgesamt jeweils 25 Bodenfeuchte- und Temperatursensoren horizontal durch die Wände des Tanks einbauen.

An den Rasterpositionen. Drehen Sie die Sensorkabel synchron mit dem NPT-Gehäuse, um die internen Leitungen in den Kabeln nicht zu beschädigen. Überdrehen Sie die MPTs nicht, um ein Zerbrechen des Glases zu verhindern. Bringen Sie die Bodenfeuchtesensoren und Temperatursensoren an ihren vorgesehenen Datenloggern an.

Bringen Sie ein Pitot-Statikrohr direkt stromabwärts des Bodenbehälters durch das in der Oberseite des stromabwärts gelegenen Windkanalsegments gebohrte Loch an. Halten Sie das Pitot-Statikrohr in der gewünschten Höhe über dem Boden des Segments. Anschließend schließen Sie das Rohr an einen differentiellen Druckaufnehmer an, bevor der Behälter mit Boden befüllt wird.

Prüfen Sie die Dichtheit, indem Sie einen Lecktest durchführen. Füllen Sie den Tank mit Wasser und warten Sie vier bis sechs Stunden, um sicherzustellen, dass keine Lecks in der Struktur oder den Sensoren entstanden sind. Nach Durchführung des Lecktests und dem anschließenden Entleeren des Tanks.

Trockener Boden zur Befüllung des Bodentanks beschaffen. Die hydraulischen und thermischen Eigenschaften des ausgewählten Bodens separat gemäß zuvor veröffentlichter Methoden charakterisieren. Den Bodentank unter Zugabe von Boden und entionisiertem Wasser vorsichtig nass verdichten, um den Bodentank nass zu verdichten.

Geben Sie zunächst etwa fünf Zentimeter Wasser langsam mithilfe einer Schöpfkelle in den Behälter und fügen Sie trockenen Boden zum Wasser im Behälter hinzu. Notieren Sie bei Erhöhungen der Tiefe um jeweils 2,5 Zentimeter das Gewicht des hinzugefügten Sandes pro Schicht, damit die Porosität der Bodenverdichtung nach Abschluss jeder Schicht berechnet werden kann. Klopfen Sie wiederholt 100 bis 200 Mal mit einem Gummihammer an die Wände des Behälters, um eine gleichmäßige Schüttdichte über das gesamte Volumen zu erreichen.

Während des Anklopfens vermeiden Sie den Kontakt mit den Sensoren und den Sensorleitungen. Die Verwendung von vibrierenden Geräten sollte vermieden werden, um das Netzwerk empfindlicher Sensoren nicht zu beschädigen. Stellen Sie den Tank auf eine Waage, um den kumulativen Wasserverlust zu überwachen, der wiederum zur Berechnung der Verdunstungsrate verwendet werden kann.

Nachdem der Aufbau abgeschlossen ist, legen Sie die gewünschten atmosphärischen Bedingungen fest. Stellen Sie sicher, dass die Datenlogger und andere Datenerfassungssysteme eingeschaltet sind und auf die korrekten Abtastintervalle eingestellt sind. Schalten Sie den Ventilator und die Temperaturregelung ein.

Lassen Sie die Klimabedingungen sich einstellen, bevor Sie die Plastikabdeckung von der Oberfläche des Bodentanks entfernen. Führen Sie schließlich das Experiment über den gewünschten Zeitraum durch. Mit der kombinierten Windkanal- und Bodentankanordnung wurden eine Reihe von Experimenten durchgeführt, bei denen unterschiedliche Randbedingungen an der Bodenoberfläche angewendet wurden.

Obwohl vier Experimente bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten und Temperaturen durchgeführt wurden, beziehen sich die meisten hier präsentierten experimentellen Ergebnisse auf eine Windgeschwindigkeit von 1,22 Metern pro Sekunde. Die relative Luftfeuchtigkeit der Bodenoberfläche nimmt im Laufe der Zeit ab, während die Temperatur der Bodenoberfläche zunächst einen ansteigenden Trend zeigt, bevor sie sich stabilisiert. Diese Trends wurden in allen vier Experimenten beobachtet und lassen sich anhand der Bodentrocknung erklären.

Die Oberflächentemperatur und der Wind beeinflussen die lokalen Temperaturen in größeren Tiefen weniger und zeigen keine Wirkung in Tiefen unterhalb von 12,5 Zentimetern. Die Sättigung kann mit den verschiedenen Verdunstungsstadien in Verbindung gebracht werden, die durch Unterschiede in den Verdunstungsraten definiert sind. Lage der Trocknungsfront und dominante Transportmechanismen.

Zunehmende Windgeschwindigkeiten führen zu einer erhöhten Verdunstungsrate und verkürzen die Dauer der ersten Verdunstungsphase. Eine Steigerung der Windgeschwindigkeit über drei Meter pro Sekunde zeigt jedoch kaum zusätzliche Auswirkungen auf die erste Verdunstungsphase. Die zweite Verdunstungsphase, die hauptsächlich von den Eigenschaften des porösen Mediums bestimmt wird, scheint unabhängig von der Windgeschwindigkeit zu sein oder nur geringfügig davon beeinflusst zu werden.

Dieses experimentelle Protokoll ist auf eine Vielzahl von Umweltbedingungen anwendbar, einschließlich Änderungen im Boden, Klima, Rand- oder Untergrundbedingungen. Die Abmessungen und die Anordnung der Sensoren der beschriebenen Apparatur können an die Anforderungen unterschiedlicher Experimente angepasst werden. Außerdem kann das Verpackungsverfahren entsprechend modifiziert werden, um unterschiedliche Verpackungskonfigurationen zu berücksichtigen, wie beispielsweise variierende Porositätsbedingungen und Bodenheterogenität.