蒸発させる上で大気強制力の影響を探る：大気境界層と浅い地下の実験的インテグレーション

蒸発で大気の強制力の影響を研究するために、小さな空調風洞にインタフェース土壌タンクの設計と建設のためのプロトコルを提示します。土壌タンクと風洞の両方が環境条件のその場測定の連続のためのセンサー技術が装備されています。

この手順の全体的な目標は、蒸発に対する大気強制力の影響を実験的に研究するための土壌タンク装置と関連プロトコルを開発することです。これは、最初に2次元ベンチスケールの土壌タンクを構築することによって達成されます。2番目のステップは、土壌タンクとインターフェースする温度制御された風洞装置を構築することです。

次に、風洞と土壌タンクには、土壌、水分、温度、相対湿度、風速を測定するためのさまざまなセンサー技術が計装されています。最後のステップは、土壌タンクに土と水を詰め、目的の大気強制力を決定して実験を開始することです。最終的に、この実験装置は、適切に制御された境界条件下でデータを生成するために使用できるため、現場では実現不可能な関心のあるスケールで正確なデータをより適切に制御および収集できます。

この手順が既存の方法よりも優れている主な点は、数値モデルの検証や土壌特性とプロセスの相互依存性の研究に使用できる精度データセットを生成できることです。現場から入手できるデータは、不完全で取得にコストがかかることが多く、プロセスの取得と理解、およびモデル化された検証のためのデータの生成に必要な制御の程度が不十分であると見なされる可能性があります。この手順により、温度、相対湿度、風速、土壌条件などの大気条件を慎重に制御できます。

この手法は、ここで示したように蒸発に関する洞察を得ることができますが、地質学的に隔離された二酸化炭素の漏れや土壌気候変動、食料や水の供給、地雷の正確な検出、地下水や土壌の浄化など、陸地の大気相互作用を理解する必要がある他の問題にも適用できます。私の大学院生であるアンドリュー・トラウトス、ビクトリア・イーガンと一緒に、私の研究室の学部生が手順を実演します まず、厚さ1.2センチメートルのアクリルガラスの大きな部分を5つの個別の痛みにカットします。アクリルガラスは、地下のプロセスを視覚的に観察することを可能にします。

次に、5 x 5 のグリッドを描きます。これは、2 つの大きなガラス パネルのそれぞれに 25 センチメートル x 25 センチメートルです。グリッド内の各正方形の面積が 25 平方センチメートルであることを確認します。

グリッドは、適切なスペースを確保するために使用されます。大きなガラス板の1つにある土壌タンク内のセンサーは、土壌水分センサーがグリッド内のすべての正方形の中央に各穴を開け、2つの隣接する正方形の穴の中心が5センチメートル離れるように、合計25 1 0.9センチメートルの直径の穴を開けます。最初の穴のセットは、タンクの上部から2.5センチメートル下にあります。

適切なサイズのタップを使用して、新しく作成した各穴に糸をカットします。センサー間の間隔が 5 cm であるため、各センサーは次に近いセンサーのサンプリング ボリュームの外側にあります。同様に、タンクの底として使用されるアクリルの痛みに、他のガラス板の各グリッドボックスの中央に直径25 0.635センチ

ペインの中央に直径1/2インチの穴を開けてタップします。底面の外側にあるガラスの内側の穴にメッシュスクリーンを接着します。調整可能なバルブを備えたフレキシブルチューブに取り付けられた90度のエルボを取り付けます。

このバルブとチューブは、実験の終了時にタンクから水を排出するため、または一定の水を維持するためのコンスタントヘッドデバイスを取り付ける方法として使用されます。テーブルの深さ。マリングレードの接着剤または同様の耐水性ポリマー接着剤を使用して、タンクを一緒に取り付けて密封します。

接着剤を1日硬化させて、タンクを地面から持ち上げ、90度の肘のためのスペースを確保します。タンクの底に、長さ12センチ、高さ5センチメートルの厚さ1.2センチのアクリルガラスを追加で2枚取り付けます。風洞の215センチメートルの長さの上流部分を、幅8.5センチメートル、高さ26センチメートルの長方形の亜鉛メッキ鋼ダクト材料で構築します。

ダクトの外側を断熱材で囲みます。次に、風洞の上流部分の長さに沿ってリフレクター内に平行に配置された5つのセラミック赤外線発熱体を取り付けます。赤外線発熱体を、赤外線温度センサーによって調整される温度制御システムに接続します。

風洞の中央部は、長さ25センチ、高さ26センチメートルの1.2センチメートルの厚さのアクリルパネル2枚で構築します。アクリルパネルを強力な粘着テープを使用してソイルタンクの側壁の上部に固定し、風洞とソイルタンクパネルが互いに同じ高さになるようにします。中央部パネルの1つに直径0.635センチメートルの穴を2つ開けて、温度や相対湿度を挿入します。

次に、温度センサーは、風洞の下流部分の最初の50センチメートルを、以前と同じサイズの長方形ダクト材料で構築します終端側で、長方形ダクト材料を直径15.3センチメートル、長さ170センチメートルの丸いダクトに縮小します。風速制御を支援するために、丸いダクトの遠端に風速を調整するために使用される亜鉛メッキ鋼ダンパーを取り付けます。次に、風洞の下流部分から空気を排出する向きの丸いダクトの中央にインラインダクトファンを設置します。

ファンを可変速度コントローラーとインターフェースして、回転周波数をより正確に制御し、その結果、土壌タンク内に設置する前に風速を制御します。各土壌水分および温度センサーをネジ付きNPTハウジング内に固定し、フラッシングシーラントでシールして湿気の侵入を防ぎます。シリコーンベースのシーラント製品は、一部のセンサー内の電子機器に干渉する可能性があるため、使用しないでください。

センサーを約1週間硬化させます。タンクに取り付ける前に、各NPPTハウジングのネジ山を配管工用テープで包み、NPTネジとアクリルガラスの間の密閉性を高めます。次に、合計25個の土壌水分および温度センサーをタンクの壁を通じて水平に取り付けます。

グリッドの位置で。センサーケーブルをNPTハウジングと同期させてねじり、ケーブル内の内部配線を傷つけないようにします。ガラスが所定の位置に入ると割れるのを防ぐためにMPTに過度のトルクをかけないように、土壌水分センサーと温度センサーを指定されたデータロガーに接続します。

下流の風洞セクションの上部に開けられた穴を通して、土壌タンクの直接下流にPトースタティックチューブを取り付けます。Pトースタティックチューブをセクションの床から希望の高さに保持します。次に、タンクを土で梱包する前に、チューブを差圧トランスデューサーに接続します。

リークテストを実行して、その完全性をテストします。タンクに水を入れ、4〜6時間待って、構造やセンサーに漏れが発生していないことを確認します。リークを行った後、タンクのリーク、テスト、および排水を行います。

土壌タンクを梱包するための乾燥した土壌を入手します。以前に公開された方法に従って、選択した土壌の水理学的特性と熱的特性を別々に特徴付けます。土壌タンクを慎重にウェットパックし、土壌タンクをウェットパックするために、土壌と脱イオン水を使用します。

まず、スコップを使用してタンクに約5センチの水を注ぎ、タンク内の水に乾燥した土をゆっくりと加えます。2.5センチメートルの深さ刻みで、各リフト中に追加された砂の重量を記録して、各層の完了時に土壌パッキンの空隙率を計算できるようにします。ゴム槌を使用してタンクの壁を100〜200回繰り返したたいて、全体に均一なかさ密度を得ます。

タップするときは、センサーやセンサーワイヤーに触れないようにしてください。敏感なセンサーのネットワークを損傷しないように、振動デバイスの使用は避けてください。タンクを計量スケールに載せて累積水損失を監視し、蒸発速度の計算に使用できます。

セットアップが完了したら、目的の大気条件を決定します。データロガーやその他のデータ収集システムの電源がオンになっていて、正しいサンプリング間隔に設定されていることを確認します。ファンと温度制御システムを始動します。

土壌タンクの表面にあるプラスチックカバーを取り外す前に、気候条件が平衡化するのを待ちます。最後に、必要な時間だけ実験を実行します。風洞と土タンクを組み合わせた装置を使用して、地盤表面に異なる境界条件を適用する一連の実験を行いました。

風速と温度の異なる4つの実験が行われましたが、ここで紹介する実験結果の大部分は、風速1.22メートル/秒のものです。土壌表面の相対湿度は時間とともに減少しますが、土壌表面の温度は安定する前に時間の経過とともに上昇傾向を示します。これらの傾向は4つの実験すべてで観察され、土壌の乾燥の観点から説明できます。

地表温度と風は、より深い場所では局所的な気温にあまり影響を与えず、12.5センチメートル未満の深さでは影響を示しません。飽和度は、蒸発速度の違いによって定義される蒸発のさまざまな段階に関連付けることができます。乾燥フロントと主要な輸送メカニズムの位置。

風速が上がると、蒸発率が増加し、第1段階の蒸発時間が短縮されます。しかし、風速が毎秒3メートルを超えて増加すると、第1段階の蒸発にはほとんど影響が及びません。第2段階の蒸発は、主に多孔質媒体の特性によって支配され、風速とは無関係であるか、風速の影響をわずかに受けるだけであるように見えます。

この実験プロトコルは、土壌、気候、境界、または地下条件の変化を含むさまざまな環境条件に適用できます。記載された装置の寸法およびセンサレイアウトは、異なる実験のニーズに合わせて変更することができる。さらに、保圧手順も同様に、さまざまな空隙率条件や土壌の不均一性など、さまざまな保圧構成を考慮して変更できます。