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

この手順の全体的な目的は、大気強制力が蒸発に及ぼす影響を実験的に研究するための土壌タンク装置および関連プロトコルを開発することです。まず、二次元のベンチスケール土壌タンクを構築します。次に、土壌タンクと連携する温度・湿度制御可能な風洞装置を構築します。

次に、土壌、水分、温度、相対湿度、および風速を測定するために、風洞と土壌タンクにさまざまなセンサー技術を組み込みます。最後のステップとして、土壌タンクに土壌と水を充填し、目的の大気強制力を決定して実験を開始します。最終的に、この実験装置を用いることで、厳密に制御された境界条件下でデータを生成でき、野外では不可能な、関心のあるスケールでのより優れた制御と正確なデータの収集が可能になります。

この手順の既存の手法に対する主な利点は、数値モデルの検証や、土壌の特性とプロセスの相互依存性の研究に使用できる精密なデータセットの生成が可能である点です。野外サイトから得られるデータは不完全であることが多く、取得コストが高く、プロセスの理解やモデル検証用のデータを生成するために必要な制御度は不十分であると考えられます。本手順では、温度、相対湿度、風速などの大気条件および土壌条件を精密に制御することが可能です。

この手法は、ここで実証したように蒸発に関する知見を得るのに有用ですが、地質学的隔離された二酸化炭素の漏出や、土壌の気候変動、食糧および水資源の供給、地雷の正確な検知、地下水および土壌の浄化など、陸域と大気の相互作用の理解が必要な他の課題にも適用可能です。私の大学院生であるAndrew Troutsとともに、私の研究室の学部生であるVictoria Eganがこの手順を実演します。まず、厚さ1.2 centimeterのアクリルガラスの大きな断片を、5枚の個別のパネルに切り分けます。アクリルガラスを使用することで、地下のプロセスを視覚的に観察することができます。

次に、5×5の格子を描きます。これは、2枚の大きなガラス板それぞれに25 cm×25 cmの範囲で描きます。格子内の各正方形の面積が25 cm²になるようにしてください。

グリッドを使用して適切に間隔を配置します。土壌タンク内のセンサーを設置するため、大きなガラス板の一枚に、直径0.9 cmの穴を計25か所開けます。グリッドの各正方形の中心に穴を開け、隣接する2つの正方形の穴の中心の間隔が5 cmになるようにします。最初の穴のセットは、タンクの上端から2.5 cm下に配置します。

適切なサイズのタップを使用して、新しく作成した各孔にネジを切ります。センサーの間隔を5 centimeterにすることで、各センサーが隣接するセンサーのサンプリング体積の外側に配置されるようにします。同様に、もう一方のガラス板および水槽の底面として使用するアクリル板の各グリッドボックスの中心に、直径0.635 centimeterの孔を計25箇所ドリルで開け、タップでネジを切ります。

パネルの中央に直径1/2インチの穴を1つ開け、タップを立てます。ガラスの内側および底面パネルの外側にある穴の上に、メッシュスクリーンを接着します。調整可能なバルブ付きのフレキシブルチューブに接続された90度エルボを取り付けます。

このバルブとチューブは、実験終了時にタンクから水を排出する場合や、一定の水深を維持するための定水位装置を設置する場合に使用します。タンクの接合および密封には、船舶用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ください。

接着剤を1日間硬化させ、タンクを地面から浮かせ、90度のエルボを設置するためのスペースを確保します。長さ12 cm、高さ5 cm、厚さ1.2 cmのアクリルガラスをさらに2枚、タンクの底部に取り付けます。幅8.5 cm、高さ26 cmの長方形の亜鉛メッキ鋼製ダクト材を用いて、風洞の上流側215 cmの部分を構築します。

ダクトの外周を断熱材で囲みます。次に、風洞の上流部分に沿って、リフレクター内に5本のセラミック赤外線加熱エレメントを平行に配置して設置します。赤外線加熱エレメントを、赤外線温度センサーで制御される温度制御システムに接続します。

厚さ1.2 cm、長さ25 cm、高さ26 cmのアクリルパネル2枚を用いて、風洞の中間部を構築します。アクリルパネルを強力粘着テープで土壌タンク側壁の上部に固定し、風洞と土壌タンクのパネルが隙間なく密着するようにします。中間部パネルの片方に直径0.635 cmの穴を2つ開け、温度計および相対湿度計を挿入できるようにします。

次に、温度センサーを設置し、風洞の下流部分の最初の50cmを、これまでと同様のサイズの矩形ダクト材で構成します。終端側では、矩形ダクト材を直径15.3cm、長さ170cmの円形ダクトに変換します。風速制御を容易にするため、円形ダクトの最下流端に風速調整用の亜鉛メッキ鋼製ダンパーを設置します。続いて、風洞の下流側から空気を排出するように、円形ダクトの中間にインラインダクトファンを設置します。

回転数、およびそれに伴う土壌タンク設置前の風速をより精密に制御するため、ファンを可変速コントローラーに接続します。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、水分が浸入しないようフラッシングシーラントで密封します。シリコン系シーラント製品は、一部のセンサー内部の電子部品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週間キュアします。NPTネジ山とアクリルガラスの間のシール性を高めるため、タンクに設置する前に各NPPTハウジングのネジ部にシールテープを巻いてください。その後、計25個の土壌水分および温度センサーを、タンクの壁面を貫通するように水平に設置します。

グリッド位置にて、センサーケーブル内部の配線を損傷させないよう、NPTハウジングに合わせてケーブルをねじりながら回します。設置後にガラスが割れるのを防ぐため、MPTを締めすぎないようにしてください。その後、土壌水分センサーと温度センサーを、指定のデータロガーに接続します。

下流側の風洞セクション上部に開けられた穴を通して、土壌タンクの直下流にP toe静圧管を設置します。P toe静圧管をセクション底面から所定の高さに保持します。その後、タンクに土壌を充填する前に、管を差圧トランスデューサーに接続します。

リークテストを行い、完全性を確認します。タンクに水を満たし、4〜6時間待機して、構造体やセンサーに漏れが発生していないことを確認してください。リークテストを行い、タンクの排水後、

土壌タンクに充填するための乾燥土壌を用意します。選択した土壌の透水性と熱特性を、既報の方法に従って個別に評価します。土壌と脱イオン水を用い、注意深く湿式充填して土壌タンクを作成します。

まず、スクープを用いてタンクに約5 cmの水を注ぎ、乾いた土をゆっくりとタンク内の水に加えます。2.5 cmの深さごとに、各層で加えた砂の重量を記録し、各層の完了後に土壌充填の空隙率を算出できるようにします。ゴムマレットでタンクの壁面を100回から200回繰り返し叩き、全体的に均一なかさ密度を得ます。

タッピングを行う際は、センサーおよびセンサー配線に触れないようにしてください。感度の高いセンサーネットワークを損傷させないため、振動装置の使用は避けてください。タンクを電子天秤に載せて累積水分損失量をモニタリングし、それを用いて蒸発率を算出します。

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。データロガーおよびその他のデータ収集システムがオンになっており、サンプリング間隔が正しく設定されていることを確認してください。ファンと温度制御システムを始動させます。

土壌タンク表面のプラスチックカバーを取り外す前に、気候条件を平衡状態にしてください。最後に、希望する時間分、実験を行います。この風洞と土壌タンクを組み合わせた装置を用いて、土壌表面に異なる境界条件を適用した一連の実験を実施しました。

異なる風速および温度条件下で4つの実験を行いましたが、ここで提示する実験結果の大部分は、風速1.22 meters per secondでのものです。土壌表面の相対湿度は時間とともに低下し、土壌表面の温度は時間とともに上昇傾向を示した後、安定します。これらの傾向は4つすべての実験で観察され、土壌の乾燥という観点から説明できます。

地表面温度と風が局所的な温度に及ぼす影響は深くなるほど小さくなり、12.5 cm以上の深さでは影響が見られません。飽和度は、蒸発速度の違いによって定義される蒸発の異なる段階に関連しています。乾燥フロントの位置と支配的な輸送メカニズムについて述べます。

風速が増加すると蒸発率が高まり、ステージ1の蒸発期間が短縮されます。しかし、風速が3 m/sを超えると、ステージ1の蒸発への追加的な影響はほとんど見られません。多孔質媒体の特性に主的に支配されるステージ2の蒸発は、風速に依存しないか、あるいはわずかに影響を受けるのみであると考えられます。

この実験プロトコルは、土壌、気候、境界条件、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可能です。記述された装置の寸法およびセンサーの配置は、異なる実験のニーズに合わせて変更することができます。さらに、充填手順についても同様に変更が可能であり、孔隙率の変化や土壌の不均一性など、異なる充填構成に対応させることができます。