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 quello di sviluppare un apparato per serbatoi nel suolo e un protocollo associato per studiare sperimentalmente gli effetti delle forzanti atmosferiche sull'evaporazione. Ciò si ottiene costruendo prima un serbatoio di terreno bidimensionale su scala di banco. Il secondo passo è quello di costruire un apparato di galleria del vento climatizzato che si interfaccia con il serbatoio del suolo.

Successivamente, la galleria del vento e il serbatoio del suolo sono dotati di varie tecnologie di sensori utilizzati per misurare il suolo, l'umidità, la temperatura, l'umidità relativa e la velocità del vento. Il passo finale consiste nel riempire il serbatoio del terreno con terra e acqua, determinare le forzanti atmosferiche desiderate e iniziare 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 su scale di interesse, non fattibili sul campo.

Il vantaggio principale di questa procedura rispetto ai metodi esistenti è che consente la generazione di set di dati di precisione che possono essere utilizzati per convalidare modelli numerici e studiare l'interdipendenza delle proprietà e dei processi del suolo. I dati disponibili dai siti sul campo sono spesso incompleti e costosi da ottenere, e il grado di controllo necessario per ottenere e comprendere i processi e per generare dati per la convalida modellata potrebbe essere considerato inadeguato. Questa procedura consente di controllare attentamente le condizioni atmosferiche come la temperatura, l'umidità relativa, la velocità del vento e le condizioni del suolo.

Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sull'evaporazione, come dimostrato qui, può essere applicato anche ad altre questioni che richiedono una comprensione delle interazioni atmosferiche terrestri, come la fuoriuscita di anidride carbonica sequestrata geologicamente e il cambiamento climatico del suolo, le forniture di cibo e acqua, il rilevamento accurato delle mine terrestri e la bonifica delle acque sotterranee e del suolo. Insieme al mio studente laureato, Andrew Trouts, Victoria Egan, una studentessa universitaria del mio laboratorio, dimostrerà la procedura per iniziare a tagliare un grande pezzo di vetro acrilico spesso 1,2 centimetri in cinque dolori individuali. Il vetro acrilico consente di osservare visivamente i processi nel sottosuolo.

Quindi, disegna una griglia cinque per cinque. Cioè 25 centimetri per 25 centimetri su ciascuna delle due grandi lastre di vetro. Assicurati che ogni quadrato all'interno della griglia abbia un'area di 25 centimetri quadrati.

La griglia verrà utilizzata per spaziare correttamente. I sensori all'interno del serbatoio del terreno su una delle grandi lastre di vetro praticano un totale di 25 fori da 0,9 centimetri di diametro per i sensori di umidità del suolo che praticano ogni foro al centro di ogni quadrato della griglia in modo che i centri del foro di due quadrati adiacenti siano distanti cinque centimetri l'uno dall'altro. La prima serie di fori si trova 2,5 centimetri sotto la parte superiore del serbatoio.

Utilizzare maschi di dimensioni adeguate per tagliare i fili in ciascuno dei fori appena creati. La distanza di cinque centimetri tra i sensori assicura che ogni sensore sia al di fuori del volume di campionamento del sensore più vicino. Allo stesso modo, praticare e picchiettare un totale di 25 0 0,635 fori di diametro centimetrico al centro di ciascuna scatola della griglia sull'altra lastra di vetro sul dolore acrilico utilizzato come fondo del serbatoio.

Praticare e picchiettare un singolo foro di mezzo pollice di diametro al centro del vetro. Incollare uno schermo a rete sul foro sul lato interno del vetro sul lato esterno del piano inferiore. Installare un gomito a 90 gradi fissato a un tubo flessibile con una valvola regolabile.

Questa valvola e tubo viene utilizzata per drenare l'acqua dal serbatoio al termine di un esperimento o come un modo per installare dispositivi a testa costante per mantenere l'acqua costante. Profondità del tavolo. Utilizzare colla di grado marino o adesivo polimerico resistente all'acqua simile per fissare e sigillare insieme il serbatoio.

Lasciare indurire l'adesivo per un giorno per sollevare il serbatoio da terra e fare spazio per il gomito a 90 gradi. Attacca due pezzi aggiuntivi di vetro acrilico spesso 1,2 centimetri con una lunghezza di 12 centimetri e un'altezza di cinque centimetri sul fondo del serbatoio. Costruire la parte a monte della galleria del vento, lunga 215 centimetri, con un materiale di canalizzazione rettangolare in acciaio zincato che ha una larghezza di 8,5 centimetri e un'altezza di 26 centimetri.

Circondare l'esterno del condotto con isolamento. Quindi, installa cinque elementi riscaldanti a infrarossi in ceramica posizionati in parallelo all'interno di un riflettore lungo la lunghezza della parte a monte 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.

Costruisci la sezione centrale della galleria del vento con due pannelli acrilici spessi 1,2 centimetri con una lunghezza di 25 centimetri e un'altezza di 26 centimetri. Fissare i pannelli acrilici alla parte superiore delle pareti laterali del serbatoio del terreno utilizzando un nastro adesivo resistente, assicurandosi che i pannelli della galleria del vento e del serbatoio del terreno siano a filo l'uno con l'altro. Praticare due fori di 0,635 centimetri di diametro in uno dei pannelli della sezione centrale per inserire la temperatura e/o l'umidità relativa.

I sensori di temperatura costruiscono quindi i primi 50 centimetri della parte a valle della galleria del vento con il materiale del condotto rettangolare delle stesse dimensioni di prima Sul lato terminale, ridurre il materiale del condotto rettangolare a un condotto rotondo di 15,3 centimetri di diametro con una lunghezza di 170 centimetri. Installare un ammortizzatore in acciaio zincato utilizzato per regolare la velocità del vento all'estremità a valle del condotto rotondo per facilitare il controllo della velocità del vento. Quindi, installare un ventilatore da condotto in linea al centro del condotto rotondo orientato per espellere l'aria dalla parte a valle della galleria del vento.

Interfaccia la ventola con un regolatore di 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 terreno. Fissare ogni sensore di umidità e temperatura del suolo all'interno di un alloggiamento NPT filettato e sigillarlo con sigillante lampeggiante per evitare l'intrusione di umidità. Non utilizzare prodotti sigillanti a base di silicone in quanto possono interferire con l'elettronica all'interno di alcuni sensori.

Polimerizzare i sensori per circa una settimana. Avvolgere le filettature di ciascun alloggiamento NPPT con nastro adesivo idraulico prima dell'installazione nel serbatoio per fornire una migliore tenuta tra la filettatura NPT e il vetro acrilico. Quindi installare un totale di 25 sensori di umidità e temperatura del suolo, ciascuno orizzontalmente attraverso le pareti del serbatoio.

Nelle posizioni della griglia. Attorcigliare i cavi del sensore in sincronia con la custodia NPT in modo da non danneggiare il cablaggio interno all'interno dei cavi. Non serrare eccessivamente gli MPT in modo da evitare che il vetro si rompa una volta in posizione, collegare i sensori di umidità del suolo e i sensori di temperatura ai data logger designati.

Installare un tubo statico a P toe direttamente a valle del serbatoio del terreno attraverso il foro praticato nella parte superiore della sezione della galleria del vento a valle. Tenere il tubo statico P toe all'altezza desiderata dal pavimento della sezione. Quindi collegare il tubo a un trasduttore di pressione differenziale prima di riempire il serbatoio con il terreno.

Verificarne l'integrità eseguendo un test di tenuta. Riempire il serbatoio con acqua e attendere dalle quattro alle sei ore per assicurarsi che non si siano sviluppate perdite nella struttura o nei sensori. Dopo aver eseguito la perdita, la perdita, il test e lo svuotamento del serbatoio.

Procurarsi del terreno asciutto per imballare il serbatoio del terreno. Caratterizzare separatamente le proprietà idrauliche e termiche del terreno selezionato in conformità con i metodi precedentemente pubblicati. Imballare accuratamente il serbatoio del terreno utilizzando terra e acqua deionizzata per bagnare il serbatoio del terreno.

Per prima cosa, versa circa cinque centimetri d'acqua nel serbatoio, usando un misurino, aggiungi lentamente del terriccio asciutto all'acqua nel serbatoio. Con incrementi di profondità di 2,5 centimetri, registrare il peso della sabbia aggiunta durante ogni sollevamento in modo che la porosità dell'impacchettamento del terreno possa essere calcolata al completamento di ogni strato. Picchiettare ripetutamente le pareti del serbatoio da 100 a 200 volte utilizzando un martello di gomma per ottenere una densità apparente uniforme.

Durante il tocco, evitare il contatto con i sensori e i cavi del sensore. L'uso di dispositivi vibranti dovrebbe essere evitato, in modo da non danneggiare la rete di sensori sensibili. Posizionare il serbatoio su una bilancia per monitorare la perdita d'acqua cumulativa, che a sua volta può essere utilizzata per calcolare il tasso di evaporazione.

Una volta completata la configurazione, 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 la ventola e il sistema di controllo della temperatura.

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

Sebbene siano stati eseguiti quattro esperimenti a diverse velocità e temperature del vento, la maggior parte dei risultati sperimentali qui presentati si riferiscono a 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 una tendenza all'aumento nel tempo prima di stabilizzarsi. Queste tendenze sono state osservate in tutti e quattro gli esperimenti e possono essere spiegate in termini di essiccazione del suolo.

La temperatura superficiale e il vento sono meno influenti 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, che sono definite dalle differenze nei tassi di evaporazione. Posizione del fronte di essiccazione e meccanismi di trasporto dominanti.

L'aumento della velocità del vento porta a un aumento del tasso di evaporazione e a una riduzione della durata dell'evaporazione della prima fase. L'aumento della velocità del vento oltre i tre metri al secondo, tuttavia, mostra un piccolo impatto aggiuntivo sull'evaporazione della prima fase. L'evaporazione del secondo stadio, governata principalmente dalle proprietà del mezzo poroso, sembra essere indipendente o solo leggermente influenzata dalla velocità del vento.

Questo protocollo sperimentale è applicabile a una varietà di condizioni ambientali per includere i cambiamenti nelle condizioni del suolo, del clima, dei confini o del sottosuolo. Le dimensioni e la disposizione dei sensori dell'apparato descritto possono essere modificate per soddisfare le esigenze di diversi esperimenti. Inoltre, la procedura di impaccamento può essere modificata in modo analogo per tenere conto delle diverse configurazioni di impacchettamento, come le condizioni di porosità variabili e l'eterogeneità del suolo.