La exploración de los efectos de los forzamientos atmosféricos de evaporación: Integración experimental de la capa límite atmosférica y superficial del subsuelo

El objetivo general de este procedimiento es desarrollar un aparato de tanque de suelo y un protocolo asociado para estudiar experimentalmente los efectos de las fuerzas atmosféricas sobre la evaporación. Esto se logra primero construyendo un tanque de suelo a escala de banco bidimensional. El segundo paso consiste en construir un aparato de túnel de viento con control climático que se conecte al tanque de suelo.

A continuación, el túnel de viento y el tanque de suelo se instrumentan con diversas tecnologías de sensores utilizadas para medir el suelo, la humedad, la temperatura, la humedad relativa y la velocidad del viento. El paso final consiste en rellenar el tanque de suelo con tierra y agua, determinar las forzantes atmosféricas deseadas e iniciar el experimento. En última instancia, este aparato experimental puede utilizarse para generar datos bajo condiciones de contorno bien controladas, lo que permite un mejor control y la obtención de datos precisos a escalas de interés, no factibles en el campo.

La principal ventaja de este procedimiento frente a los métodos existentes es que permite generar conjuntos de datos precisos que pueden utilizarse para validar modelos numéricos y estudiar la interdependencia entre las propiedades y los procesos del suelo. Los datos disponibles de sitios de campo suelen ser incompletos y costosos de obtener, y el grado de control necesario para comprender los procesos y generar datos para la validación de modelos podría considerarse insuficiente. Este procedimiento permite controlar cuidadosamente las condiciones atmosféricas como temperatura, humedad relativa, velocidad del viento, así como las condiciones del suelo.

Aunque este método puede proporcionar información sobre la evaporación, como se ha demostrado aquí, también puede aplicarse a otros problemas que requieran comprender las interacciones entre la tierra y la atmósfera, como la fuga de dióxido de carbono geológicamente secuestrado, el cambio climático del suelo, los suministros de alimentos y agua, la detección precisa de minas terrestres y la remediación de aguas subterráneas y suelos. Junto con mi estudiante de posgrado, Andrew Trouts, Victoria Egan, una estudiante universitaria de mi laboratorio, demostrará el procedimiento. Para comenzar, corte un trozo grande de vidrio acrílico de 1,2 centímetros de grosor en cinco piezas individuales. El vidrio acrílico permite observar visualmente los procesos en el subsuelo.

A continuación, dibuje una cuadrícula de cinco por cinco. Es decir, 25 centímetros por 25 centímetros en cada uno de los dos paneles de vidrio grandes. Asegúrese de que cada cuadrado dentro de la cuadrícula tenga un área de 25 centímetros cuadrados.

La cuadrícula se utilizará para espaciar adecuadamente. Los sensores dentro del tanque de suelo en uno de los grandes paneles de vidrio perforan un total de 25 orificios de 1,0,9 centímetros de diámetro para los sensores de humedad del suelo; perforar cada orificio en el centro de cada cuadrado de la cuadrícula de modo que los centros de los orificios de dos cuadrados adyacentes estén separados por cinco centímetros. El primer conjunto de orificios se encuentra a 2,5 centímetros por debajo del borde superior del tanque.

Utilice machos de rosca de tamaño adecuado para cortar roscas en cada uno de los orificios recién creados. La separación de cinco centímetros entre sensores garantiza que cada sensor se encuentre fuera del volumen de muestreo del sensor más cercano. De la misma manera, taladre y roscene un total de 25 orificios de 0,635 centímetros de diámetro en el centro de cada casilla de la cuadrícula en el otro panel de vidrio del panel acrílico utilizado como fondo del tanque.

Perfore y roscene un orificio de medio pulgada de diámetro en el centro del panel. Pegue una pantalla de malla sobre el orificio en el lado interno del vidrio, en el lado externo del plano inferior. Instale un codo de 90 grados conectado a un tubo flexible con una válvula ajustable.

Esta válvula y tubería se utilizan para drenar el agua del tanque al finalizar un experimento o como medio para instalar dispositivos de carga constante que mantengan un nivel constante de agua. Utilice pegamento marino o un adhesivo polimérico resistente al agua similar para unir y sellar el tanque.

Deje que el adhesivo se cure durante un día para elevar el tanque del suelo y dejar espacio para el codo de 90 grados. Sujete dos piezas adicionales de vidrio acrílico de 1,2 centímetros de espesor con una longitud de 12 centímetros y una altura de cinco centímetros a la parte inferior del tanque. Construya la sección aguas arriba del túnel de viento, de 215 centímetros de largo, con material de conducto de acero galvanizado rectangular que tenga un ancho de 8,5 centímetros y una altura de 26 centímetros.

Rodee el exterior del conducto con aislamiento. A continuación, instale cinco elementos calefactores infrarrojos cerámicos colocados en paralelo dentro de un reflector a lo largo de la porción aguas arriba del túnel de viento. Conecte los elementos calefactores infrarrojos a un sistema de control de temperatura regulado por un sensor de temperatura infrarrojo.

Construya la sección media del túnel de viento con dos paneles de acrílico de 1,2 centímetros de espesor, con una longitud de 25 centímetros y una altura de 26 centímetros. Fije los paneles de acrílico a la parte superior de las paredes laterales del tanque de suelo utilizando cinta adhesiva resistente, asegurándose de que los paneles del túnel de viento y del tanque de suelo queden alineados entre sí. Perfore dos orificios de 0,635 centímetros de diámetro en uno de los paneles de la sección media para insertar el sensor de temperatura y/o de humedad relativa.

A continuación, los sensores de temperatura construyen los primeros 50 centímetros de la sección aguas abajo del túnel de viento utilizando el mismo material de conducto rectangular de tamaño anterior. En el extremo de salida, reduzca el material del conducto rectangular a un conducto redondo de 15,3 centímetros de diámetro y una longitud de 170 centímetros. Instale una compuerta de acero galvanizado, utilizada para ajustar las velocidades del viento, en el extremo más alejado aguas abajo del conducto redondo, para ayudar al control de la velocidad del aire. A continuación, instale un ventilador axial dentro del conducto redondo, ubicado en el centro del mismo y orientado para expulsar el aire desde la sección aguas abajo del túnel de viento.

Conecte el ventilador a un controlador de velocidad variable para un control más preciso de la frecuencia de rotación, y en consecuencia, de la velocidad del viento antes de su instalación dentro del tanque de suelo. Fije cada sensor de humedad y temperatura del suelo dentro de una carcasa roscada NPT y selle con un sellador impermeable para evitar la entrada de humedad. No utilice productos selladores a base de silicona, ya que pueden interferir con la electrónica de algunos sensores.

Deje curar los sensores durante aproximadamente una semana. Envuelva los hilos de cada carcasa NPPT con cinta para fontanería antes de instalarlos en el tanque, para ayudar a lograr un mejor sellado entre la rosca NPT y el vidrio acrílico. Luego, instale un total de 25 sensores de humedad del suelo y 25 sensores de temperatura, pasándolos horizontalmente a través de las paredes del tanque.

En las ubicaciones de la cuadrícula, gire los cables del sensor sincronizados con el alojamiento NPT para no dañar el cableado interno de los cables. No apriete en exceso los MPT para evitar que el vidrio se agriete una vez colocados; conecte los sensores de humedad del suelo y los sensores de temperatura a sus registradores de datos designados.

Instale un tubo de presión estática P justo aguas abajo del tanque de suelo a través del orificio perforado en la parte superior de la sección del túnel de viento aguas abajo. Sujete el tubo de presión estática P a la altura deseada desde el piso de la sección. Luego, conecte el tubo a un transductor de presión diferencial antes de llenar el tanque con suelo.

Compruebe su integridad realizando una prueba de fugas. Llene el tanque con agua y espere de cuatro a seis horas para asegurarse de que no se hayan desarrollado fugas en la estructura ni en los sensores. Después de realizar la prueba de fugas y vaciar el tanque.

Obtenga suelo seco para rellenar el tanque de suelo. Caracterice las propiedades hidráulicas y térmicas del suelo seleccionado por separado, de acuerdo con métodos publicados previamente. Rellene cuidadosamente el tanque de suelo con suelo y agua desionizada para compactar el suelo en estado húmedo.

Primero, vierta aproximadamente cinco centímetros de agua en el tanque utilizando una cuchara y agregue lentamente suelo seco al agua en el tanque. En incrementos de profundidad de 2,5 centímetros, registre el peso de la arena agregada durante cada capa para que la porosidad del empaquetado del suelo pueda calcularse al finalizar cada estrato. Tape repetidamente las paredes del tanque de 100 a 200 veces utilizando un mazo de goma para obtener una densidad aparente uniforme en toda la muestra.

Mientras golpee, evite el contacto con los sensores y los cables de los sensores. Se debe evitar el uso de dispositivos vibratorios para no dañar la red de sensores sensibles. Coloque el tanque sobre una balanza para monitorear la pérdida acumulada de agua, lo cual a su vez puede utilizarse para calcular la tasa de evaporación.

Una vez que la configuración esté completa, determine las condiciones atmosféricas deseadas. Asegúrese de que los registradores de datos y otros sistemas de adquisición de datos estén encendidos y configurados con los intervalos de muestreo correctos. Encienda el ventilador y el sistema de control de temperatura.

Deje que las condiciones climáticas se equilibren antes de retirar la cubierta de plástico de la superficie del tanque de suelo. Finalmente, realice el experimento durante el tiempo deseado. El aparato combinado de túnel de viento y tanque de suelo se utilizó para realizar una serie de experimentos en los que se aplicaron diferentes condiciones de contorno en la superficie del suelo.

Aunque se realizaron cuatro experimentos a diferentes velocidades del viento y temperaturas, la mayoría de los resultados experimentales presentados aquí corresponden a una velocidad del viento de 1,22 metros por segundo. La humedad relativa de la superficie del suelo disminuye con el tiempo, mientras que la temperatura de la superficie del suelo muestra una tendencia creciente con el tiempo antes de estabilizarse. Estas tendencias se observaron en los cuatro experimentos y pueden explicarse en términos del secado del suelo.

La temperatura superficial y el viento tienen menos influencia sobre las temperaturas locales a mayores profundidades, mostrando ningún efecto a profundidades por debajo de 12,5 centímetros. La saturación puede relacionarse con las diferentes etapas de la evaporación, que se definen por diferencias en las tasas de evaporación. Ubicación del frente de secado y mecanismos de transporte dominantes.

El aumento de las velocidades del viento conduce a una mayor tasa de evaporación y a una duración más corta de la etapa uno de la evaporación. Sin embargo, incrementar la velocidad del viento más allá de tres metros por segundo muestra poco impacto adicional sobre la evaporación en la etapa uno. La evaporación en la etapa dos, regida principalmente por las propiedades del medio poroso, parece ser independiente o solo ligeramente influenciada por la velocidad del viento.

Este protocolo experimental es aplicable a una variedad de condiciones ambientales, incluyendo cambios en el suelo, el clima, los límites o las condiciones del subsuelo. Las dimensiones y la disposición de los sensores del aparato descrito pueden modificarse para satisfacer las necesidades de diferentes experimentos. Además, el procedimiento de empaquetado puede modificarse de manera similar para tener en cuenta diferentes configuraciones de empaquetado, como condiciones de porosidad variables y heterogeneidad del suelo.