Esplorare gli effetti dell'inquinamento atmosferico forcing per evaporazione: Integrazione sperimentale dello strato atmosferica Boundary e Subsurface Shallow

L'obiettivo generale di questa procedura è sviluppare un apparato costituito da una vasca per terreno e un protocollo associato per studiare sperimentalmente gli effetti delle forzanti atmosferiche sull'evaporazione. Questo obiettivo viene raggiunto innanzitutto costruendo una vasca per terreno su scala ridotta bidimensionale. Il secondo passaggio consiste nel costruire un apparato di galleria del vento con controllo climatico che si interfacci con la vasca per terreno.

Successivamente, la galleria del vento e il serbatoio del suolo vengono strumentati con diverse tecnologie di sensori utilizzate per misurare il suolo, l'umidità, la temperatura, l'umidità relativa e la velocità del vento. L'ultimo passaggio consiste nel riempire il serbatoio del suolo con terreno e acqua, determinare le forzanti atmosferiche desiderate e avviare l'esperimento. In definitiva, questo apparato sperimentale può essere utilizzato per generare dati in condizioni al contorno ben controllate, consentendo un migliore controllo e la raccolta di dati accurati alle scale di interesse, non realizzabili in campo.

Il principale vantaggio di questo procedimento rispetto ai metodi esistenti è che consente la generazione di set di dati precisi che possono essere utilizzati per validare modelli numerici e studiare l'interdipendenza tra le proprietà e i processi del suolo. I dati disponibili da siti di campo sono spesso incompleti e costosi da ottenere, e il grado di controllo necessario per comprendere i processi e generare dati per la validazione modellistica potrebbe ritenersi inadeguato. Questo procedimento permette di controllare con attenzione le condizioni atmosferiche come temperatura, umidità relativa, velocità del vento e le condizioni del suolo.

Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sull'evaporazione, come dimostrato in questo caso, può essere applicato anche ad altre problematiche che richiedono una comprensione delle interazioni tra suolo e atmosfera, come la fuoriuscita di anidride carbonica geologicamente sequestrata, i cambiamenti climatici del suolo, le risorse alimentari e idriche, la rilevazione accurata delle mine terrestri e il risanamento delle acque sotterranee e del suolo. Insieme al mio studente laureando, Andrew Trouts, Victoria Egan, una studentessa universitaria del mio laboratorio, illustrerà la procedura. Per iniziare, tagliare un grande pezzo di vetro acrilico spesso 1,2 centimetri in cinque lastre singole. Il vetro acrilico permette di osservare visivamente i processi nel sottosuolo.

Successivamente, disegnare una griglia di cinque per cinque. Ovvero 25 centimetri per 25 centimetri su ciascuno dei due grandi pannelli di vetro. Assicurarsi che ogni quadrato all'interno della griglia abbia un'area di 25 centimetri quadrati.

La griglia verrà utilizzata per una corretta spaziatura. I sensori all'interno del serbatoio del suolo su uno dei grandi pannelli di vetro eseguono un totale di 25 fori di diametro 1,0,9 centimetri per i sensori di umidità del suolo; praticare ogni foro al centro di ciascun quadrato della griglia in modo che i centri dei fori di due quadrati adiacenti siano distanti cinque centimetri. Il primo insieme di fori si trova a 2,5 centimetri sotto il bordo superiore del serbatoio.

Utilizzare maschi di dimensioni appropriate per creare filetti in ciascuno dei fori appena realizzati. La distanza di cinque centimetri tra i sensori garantisce che ogni sensore si trovi al di fuori del volume di campionamento del sensore più vicino. Nello stesso modo, praticare e filettare un totale di 25 fori di diametro 0,635 centimetri al centro di ciascuna maglia della griglia sull'altro pannello di vetro, utilizzato come fondo della vasca in acrilico.

Praticare e filettare un singolo foro di mezzo pollice di diametro al centro del pannello. Incollare una schermatura a maglie sul foro sul lato interno del vetro, sul lato esterno del piano inferiore. Installare un gomito ad angolo di 90 gradi collegato a un tubo flessibile con una valvola regolabile.

Questa valvola e tubo vengono utilizzati per drenare l'acqua dal serbatoio al termine di un esperimento o come metodo per installare dispositivi a carico costante al fine di mantenere un livello costante dell'acqua. Profondità delle tabelle. Utilizzare una colla marina o un adesivo polimerico resistente all'acqua simile per fissare e sigillare insieme il serbatoio.

Lasciare indurire l'adesivo per un giorno per sollevare il serbatoio dal suolo e creare spazio per il raccordo a 90 gradi. Fissare altre due parti di vetro acrilico spesso 1,2 centimetri con una lunghezza di 12 centimetri e un'altezza di cinque centimetri alla base del serbatoio. Costruire la sezione a monte del tunnel aerodinamico, lunga 215 centimetri, utilizzando materiale in lamiera d'acciaio zincato di forma rettangolare con una larghezza di 8,5 centimetri e un'altezza di 26 centimetri.

Avvolgere l'esterno del condotto con materiale isolante. Successivamente, installare cinque elementi riscaldanti a infrarossi in ceramica posizionati in parallelo all'interno di un riflettore lungo la parte iniziale della galleria del vento. Collegare gli elementi riscaldanti a infrarossi a un sistema di controllo della temperatura regolato da un sensore di temperatura a infrarossi.

Costruire la sezione centrale della galleria del vento utilizzando due pannelli in acrilico spessi 1,2 centimetri, lunghi 25 centimetri e alti 26 centimetri. Fissare i pannelli in acrilico alla sommità delle pareti laterali della vasca del suolo mediante un nastro adesivo resistente, assicurandosi che i pannelli della galleria del vento e della vasca del suolo siano allineati tra loro. Praticare due fori del diametro di 0,635 centimetri in uno dei pannelli della sezione centrale per inserire il sensore di temperatura e/o di umidità relativa.

I sensori di temperatura costruiscono quindi i primi 50 centimetri della sezione a valle della galleria del vento utilizzando lo stesso materiale di canale rettangolare di dimensioni identiche a quello usato in precedenza. Sul lato terminale, ridurre il canale rettangolare a un canale circolare di diametro 15,3 centimetri e lunghezza di 170 centimetri. Installare un registro in acciaio zincato, utilizzato per regolare le velocità del vento, all'estremità più lontana a valle del canale circolare, per facilitare il controllo della velocità del vento. Successivamente, installare un ventilatore assiale nel mezzo del canale circolare, orientato in modo da espellere l'aria dalla sezione a valle della galleria del vento.

Collegare il ventilatore a un controller della velocità variabile per un controllo più preciso della frequenza di rotazione e, di conseguenza, della velocità del vento prima dell'installazione all'interno del serbatoio del suolo. Fissare ciascun sensore di umidità e temperatura del suolo all'interno di un alloggiamento filettato NPT e sigillarlo con un sigillante impermeabile per prevenire l'ingresso di umidità. Non utilizzare prodotti sigillanti a base di silicone poiché possono interferire con l'elettronica di alcuni sensori.

Far maturare i sensori per circa una settimana. Avvolgere i filetti di ciascun alloggiamento NPPT con nastro per tubazioni prima dell'installazione nel serbatoio, in modo da garantire una migliore tenuta tra la filettatura NPT e il vetro acrilico. Quindi installare complessivamente 25 sensori di umidità e temperatura del suolo, inserendoli orizzontalmente attraverso le pareti del serbatoio.

Nelle posizioni della griglia, ruotare i cavi del sensore in sincronia con il contenitore NPT per non danneggiare il cablaggio interno dei cavi. Non applicare un eccessivo momento di serraggio ai MPT per evitare che il vetro si incrinasse una volta posizionato; collegare i sensori di umidità del suolo e i sensori di temperatura ai rispettivi data logger designati.

Installare un tubo di Pitot statico direttamente a valle del serbatoio del suolo, attraverso il foro praticato nella parte superiore della sezione a valle della galleria del vento. Mantenere il tubo di Pitot statico all'altezza desiderata rispetto al fondo della sezione. Successivamente, collegare il tubo a un trasduttore di pressione differenziale prima di riempire il serbatoio con il suolo.

Verificare l'integrità eseguendo un test di tenuta. Riempire il serbatoio con acqua e attendere da quattro a sei ore per assicurarsi che non si siano sviluppate perdite nella struttura o nei sensori. Dopo aver eseguito il test di tenuta e svuotato il serbatoio.

Reperire del terreno secco per riempire il serbatoio del terreno. Caratterizzare separatamente le proprietà idrauliche e termiche del terreno selezionato seguendo metodi precedentemente pubblicati. Riempire con cura il serbatoio del terreno con terreno e acqua deionizzata per il condizionamento umido del serbatoio.

Per prima cosa, versare circa cinque centimetri di acqua nel serbatoio utilizzando una paletta; aggiungere lentamente il terreno secco nell'acqua presente nel serbatoio. A incrementi di 2,5 centimetri di profondità, registrare il peso della sabbia aggiunta durante ogni strato, in modo da poter calcolare la porosità del confezionamento del terreno al termine di ciascun livello. Tamporre ripetutamente le pareti del serbatoio da 100 a 200 volte utilizzando un martello di gomma per ottenere una densità apparente uniforme in tutto il campione.

Durante il prelievo, evitare il contatto con i sensori e i fili dei sensori. L'uso di dispositivi vibranti deve essere evitato, per non danneggiare la rete di sensori sensibili. Posizionare il serbatoio su una bilancia pesapersona per monitorare la perdita cumulativa di acqua, che a sua volta può essere utilizzata per calcolare la velocità di evaporazione.

Una volta completata l'installazione, determinare le condizioni atmosferiche desiderate. Assicurarsi che i data logger e gli altri sistemi di acquisizione dati siano accesi e impostati sugli intervalli di campionamento corretti. Avviare il sistema del ventilatore e di controllo della temperatura.

Lasciare che le condizioni climatiche si equilibrino prima di rimuovere il coperchio di plastica dalla superficie del serbatoio del suolo. Infine, eseguire l'esperimento per il tempo desiderato. L'apparato combinato di tunnel a vento e serbatoio del suolo è stato utilizzato per eseguire una serie di esperimenti in cui sono state applicate diverse condizioni al contorno alla superficie del suolo.

Sebbene siano stati eseguiti quattro esperimenti a diverse velocità del vento e temperature, la maggior parte dei risultati sperimentali presentati in questo studio riguarda una velocità del vento di 1,22 metri al secondo. L'umidità relativa della superficie del suolo diminuisce nel tempo, mentre la temperatura della superficie del suolo mostra un andamento crescente nel tempo prima di stabilizzarsi. Questi andamenti sono stati osservati in tutti e quattro gli esperimenti e possono essere spiegati in termini di essiccazione del suolo.

La temperatura superficiale e il vento hanno un'influenza minore sulle temperature locali a profondità maggiori, non mostrando alcun effetto a profondità inferiori a 12,5 centimetri. La saturazione può essere correlata alle diverse fasi dell'evaporazione, definite in base alle differenze nei tassi di evaporazione. Posizione del fronte di essiccazione e meccanismi di trasporto predominanti.

L'aumento della velocità del vento porta a un incremento della velocità di evaporazione e a una riduzione della durata della fase uno dell'evaporazione. Tuttavia, un aumento della velocità del vento oltre i tre metri al secondo mostra un effetto aggiuntivo limitato sulla fase uno dell'evaporazione. La fase due dell'evaporazione, regolata principalmente dalle proprietà del mezzo poroso, sembra essere indipendente o influenzata solo leggermente dalla velocità del vento.

Questo protocollo sperimentale è applicabile a una varietà di condizioni ambientali, incluse variazioni nel suolo, nel clima, nei confini o nelle condizioni sotterranee. Le dimensioni e la disposizione dei sensori dell'apparato descritto possono essere modificate per soddisfare le esigenze di diversi esperimenti. Inoltre, la procedura di imballaggio può essere analogamente adattata per tenere conto di diverse configurazioni di imballaggio, come condizioni di porosità variabili e eterogeneità del suolo.