היכרות האפקטים של האטמוספרה Forcings באידוי: שילוב ניסיוני של שכבת האטמוספרה הגבול ומתחת לפני קרקע רדודה

המטרה הכוללת של הליך זה היא לפתח התקן של מיכל קרקע ופרוטוקול נלווה כדי לחקור ניסיונית את ההשפעות של כוחות אטמוספריים על התאיידות. דבר זה מושג תחילה על ידי בניית מיכל קרקע דו-ממדי בקנה מידה מעבדתי. השלב השני הוא בניית התקן של מנהרת רוח בעלת בקרת אקלים המתממשקת עם מיכל הקרקע.

בשלב הבא, מכתב הרוח ומכל האדמה מצוידים בטכנולוגיות חיישנים שונות המשמשות למדידת אדמה, לחות, טמפרטורה, לחות יחסית ומהירות רוח. השלב הסופי הוא מילוי מכל האדמה באדמה ובמים, קביעת הכוחות האטמוספריים הרצויים ותחילת הניסוי. בסופו של דבר, ניתן להשתמש במערך ניסויי זה כדי להפיק נתונים תחת תנאי שפה מבוקרים היטב, מה שמאפשר שליטה טובה יותר ואיסוף נתונים מדויקים בקנייני העניין, דבר שאינו בר-ביצוע בשטח.

היתרון המרכזי של הליך זה על פני שיטות קיימות הוא שהוא מאפשר יצירת מערכי נתונים מדויקים שניתן להשתמש בהם כדי לתקף מודלים נומריים ולחקור את התלות ההדדית בין תכונות קרקע לתהליכים. נתונים הזמינים מאתרי שטח הם לרוב חלקיים ויקרים להשגה, ורמת הבקרה הדרושה כדי להשיג הבנה של תהליכים וליצור נתונים לצורך תיקוף מודלים עשויה להיחשב לבלתי מספקת. הליך זה מאפשר בקרה קפדנית על תנאי אטמוספירה כגון טמפרטורה, לחות יחסית, מהירות רוח ותנאי קרקע.

למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנות לגבי אידוי כפי שהודגם כאן, ניתן ליישמה גם לסוגיות אחרות הדורשות הבנה של אינטראקציות בין הקרקע לאטמוספירה, כגון דליפה של פחמן דו-חמצני שנאגר גאולוגית, שינויי אקלים בקרקע, אספקת מזון ומים, גילוי מדויק של מוקשים ושיקום של מי תהום וקרקע. יחד עם סטודנט התארים המתקדמים שלי, Andrew Trouts, תדגים Victoria Egan, סטודנטית לתואר ראשון מהמעבדה שלי, את הפרוצדורה. לתחילת העבודה, חתכו חתיכה גדולה של זכוכית אקרילית בעובי 1.2 centimeter לחמש לוחות בודדים. זכוכית אקרילית מאפשרת תצפית ויזואלית על תהליכים המתרחשים מתחת לפני השטח.

בשלב הבא, שרטטו רשת של חמישה על חמישה. כלומר, שטח של 25 סנטימטרים על 25 סנטימטרים על כל אחת משתי לוחות הזכוכית הגדולות. ודאו שלכל ריבוע בתוך הרשת יש שטח של 25 סנטימטרים רבועים.

הרשת תשמש ליצירת מרווחים מדויקים. עבור החיישנים בתוך מיכל האדמה, קדחו סה"כ 25 חורים בקוטר 0.9 סנטימטר באחת הזכוכיות הגדולות; קדחו כל חור במרכז כל ריבוע ברשת, כך שהמרחקים בין מרכזי החורים של שני ריבועים סמוכים יהיו חמישה סנטימטרים. מערכת החורים הראשונה תמוקם 2.5 סנטימטרים מתחת לראש המיכל.

השתמשו במקדחי הברשה (taps) בגודל המתאים כדי ליצור הברגות בכל אחד מהחורים שנוצרו. הרווח של 5 ס"מ בין החיישנים מבטיח שכל חיישן נמצא מחוץ לנפח הדגימה של החיישן הקרוב ביותר אליו. באופן דומה, קדחו והבריגו סה"כ 25 חורים בקוטר 0.635 ס"מ במרכז כל תיבת רשת על לוח הזכוכית השני על גבי לוח האקרילי המשמש כתחתית המיכל.

קדחו והבריגו חור יחיד בעובי חצי אינץ' במרכז המשטח. הדביקו רשת מסננת מעל החור בצד הפנימי של הזכוכית בצד החיצוני של המשטח התחתון. התקינו מחבר זווית של 90 מעלות המחובר לצינור גמיש עם שסתום כיוון.

שסתום וצינור אלו משמשים לניקוז מים מהמיכל בסיום ניסוי או כדרך להתקנת התקני ראש קבוע לשמירה על עומק מים קבוע. השתמשו בדבק המיועד לסביבה ימית או בדבק פולימרי דומה עמיד למים כדי להדביק ולאטום את המיכל.

השאירו את הדבק להתייבש למשך יום אחד כדי להגביה את המכל מהקרקע ולפנות מקום למחבר הזווית של 90 מעלות. הצמידו שתי חתיכות נוספות של זכוכית אקרילית בעובי 1.2 centimeter, באורך של 12 centimeters ובגובה של חמישה centimeters, לתחתית המכל. בנו את החלק העליון (upstream) של מנהרת הרוח, באורך 215 centimeter, מחומר תעלות פלדה מגולוונת מלבני, ברוחב של 8.5 centimeters ובגובה של 26 centimeters.

עטפו את החלק החיצוני של התעלה בבידוד. לאחר מכן, התקינו חמישה גופי חימום אינפרא-אדום קרמיים הממוקמים במקביל בתוך מחזיר אור לאורך החלק העליון של מנהרת הרוח. חברו את גופי חימום האינפרא-אדום למערכת בקרת טמפרטורה המנוהלת על ידי חיישן טמפרטורה אינפרא-אדום.

בנו את החלק המרכזי של מנהרת הרוח משני לוחות אקרילי בעובי 1.2 סנטימטר, באורך 25 סנטימטר ובגובה 26 סנטימטר. הצמידו את לוחות האקרילי לחלק העליון של דפנות מיכל הקרקע באמצעות סרט דביק חזק, תוך וידוא שלוחות מנהרת הרוח ומיכל הקרקע מונחים בקו אחד וצמודים זה לזה. קדחו שני חורים בקוטר 0.635 סנטימטר באחד מלוחות החלק המרכזי לצורך הכנסת חיישני הטמפרטורה ו/או הלחות היחסית.

חיישני טמפרטורה בונים לאחר מכן את 50 הסנטימטרים הראשונים של החלק במורד הזרם של מנהרת הרוח מאותו חומר של תעלה מלבנית כפי שהיה קודם לכן. בצד המסתיים, צמצמו את חומר התעלה המלבנית לתעלה עגולה בקוטר 15.3 סנטימטר ובאורך 170 סנטימטרים. התקינו מדף (damper) מפלדה מגולוונת המשמש לכיוון מהירויות הרוח בקצה המורד של התעלה העגולה כדי לסייע בבקרת מהירות הרוח. לאחר מכן, התקינו מאוורר תעלה בתוך התעלה העגולה במרכזה, כאשר הוא מכוון להוציא אוויר מהחלק במורד הזרם של מנהרת הרוח.

חברו את המאוורר לבקר מהירות משתנה כדי להשיג שליטה מדויקת יותר בתדר הסיבוב, וכתוצאה מכך, במהירות הרוח לפני ההתקנה בתוך מיכל הקרקע. הדקו כל חיישן לחות וטמפרטורה של קרקע בתוך בית הברגה מסוג NPT ואטמו עם חומר איטום למניעת חדירת לחות. אין להשתמש במוצרי איטום מבוססי סיליקון, שכן הם עלולים להפריע לאלקטרוניקה בתוך חלק מהחיישנים.

בצעו אשייה (Cure) לחיישנים למשך כשבוע. עטפו את ההברגות של כל בית NPPT בסרט איטום (טפלון) לפני ההתקנה במיכל, כדי לסייע בהשגת איטום טוב יותר בין ההברגת ה-NPT לזכוכית האקרילית. לאחר מכן, התקינו סך של 25 חיישני לחות וטמפרטורת קרקע, כאשר כל אחד מהם מותקן באופן אופקי דרך דפנות המיכל.

במיקומי הרשת. סבבו את כבלי החיישנים בסנכרון עם בית ה-NPT כדי למנוע נזק לחיווט הפנימי בתוך הכבלים. אין להדק את ה-MPTs בעוצמה רבה מדי כדי למנוע סדקים בזכוכית לאחר ההתקנה; חברו את חיישני לחות הקרקע וחיישני הטמפרטורה למגששי הנתונים הייעודיים להם.

התקינו צינור סטטי מסוג P toe ישירות במורד מיכל הקרקע, דרך החור שנקדח בחלק העליון של מקטע מנהרת הרוח במורד. החזיקו את הצינור הסטטי בגובה הרצוי מרצפת המקטע. לאחר מכן, חברו את הצינור למתמר לחץ דיפרנציאלי לפני מילוי המיכל בקרקע.

בדקו את תקינותו על ידי ביצוע בדיקת נזילות. מלאו את המיכל במים והמתינו ארבע עד שש שעות כדי לוודא שלא התפתחו נזילות במבנה או בחיישנים. לאחר ביצוע בדיקת הנזילות וריקון המיכל.

השג קרקע יבשה לאריזת מכל הקרקע. אפיין את התכונות ההידראוליות והתרמיות של הקרקע שנבחרה בנפרד, בהתאם לשיטות שפורסמו בעבר. ארז בזהירות את מכל הקרקע באופן רטוב באמצעות קרקע ומים דה-יוניים כדי לבצע את אריזת הקרקע הרטובה.

ראשית, שפכו כחמישה סנטימטרים של מים לתוך המיכל. בעזרת כף, הוסיפו לאט קרקע יבשה למים במיכל. בכל פעם שנוסףת שכבה בעומק של 2.5 סנטימטרים, רשמו את משקל החול שהתווסף בכל שלב, כדי שניתן יהיה לחשב את נקביות דחיסת הקרקע עם השלמת כל שכבה. הקישו שוב ושוב על דפנות המיכל 100 עד 200 פעמים בעזרת פטיש גומי כדי להשיג צפיפות נפחית אחידה בכל חלקי הדגימה.

בזמן הנקישה, הימנעו ממגע עם החיישנים ומחוטי החיישנים. יש להימנע משימוש במכשירי רטט, כדי לא לפגוע ברשת החיישנים הרגישים. הניחו את המיכל על מאזניים כדי לנטר את אובדן המים המצטבר, שבו ניתן להשתמש בתורו לחישוב קצב האידוי.

לאחר השלמת ההתקנה, קבעו את תנאי האטמוספירה הרצויים. ודאו שרושמי הנתונים ומערכות רכישת הנתונים האחרות דלוקים ומוגדרים למרווחי דגימה נכונים. הפעילו את המאוורר ואת מערכת בקרת הטמפרטורה.

יש לאפשר לתנאי האקלים להגיע לשיווי משקל לפני הסרת הכיסוי הפלסטי מפניו של מיכל הקרקע. לבסוף, הפעילו את הניסוי למשך פרק הזמן הרצוי. המערכת המשולבת של מנהרת הרוח ומיכל הקרקע שימשה לביצוע סדרה של ניסויים שבהם הוחלו תנאי שפה שונים על פני השטח של הקרקע.

למרות שבוצעו ארבעה ניסויים במהירויות רוח ובטמפרטורות שונות, מרבית התוצאות הניסיוניות המוצגות כאן הן עבור מהירות רוח של 1.22 meters per second. הלחות היחסית של פני הקרקע פוחתת עם הזמן, בעוד שטמפרטורת פני הקרקע מראה מגמה עולה עם הזמן לפני שהיא מתייצבת. מגמות אלו נצפו בכל ארבעת הניסויים וניתן להסבירן במונחים של התייבשות הקרקע.

לטמפרטורת הפני השטח ולרוח יש השפעה מועטה יותר על הטמפרטורות המקומיות בעומקים גדולים יותר, ללא השפעה נראית לעין בעומקים שמתחת ל-12.5 centimeters. ניתן לקשור את הרוויה לשלבים השונים של האידוי, המוגדרים על ידי הבדלים בקצבי האידוי. מיקום חזית הייבוש ומנגנוני ההובלה הדומיננטיים.

עלייה במהירות הרוח מובילה לקצב אידוי מוגבר ולקיצור משך האידוי בשלב הראשון. עם זאת, הגברת מהירות הרוח מעבר לשלושה מטרים לשנייה מראה השפעה נוספת מועטה על האידוי בשלב הראשון. האידוי בשלב השני, הנשלט בעיקר על ידי תכונות התווך הפורוזי, נראה כבלתי תלוי במהירות הרוח או מושפע ממנה באופן קל בלבד.

פרוטוקול ניסויי זה ייתשם במגוון תנאים סביבתיים, כולל שינויים בקרקע, באקלים, בתנאי השפה או בתנאי תת-הקרקע. ניתן לשנות את הממדים ואת פריסת החיישנים של המכשיר המתואר כדי להתאים אותם לצרכים של ניסויים שונים. בנוסף, ניתן לשנות את הליך הדחיסה באופן דומה כדי להתאים לתצורות דחיסה שונות, כגון תנאי נקבוביות משתנים והטרוגניות של הקרקע.