증발에 대기 강제력의 효과를 탐구 : 대기 경계층과 얕은 표면 하의의 실험 통합

본 절차의 전반적인 목표는 대기 강제력이 증발에 미치는 영향을 실험적으로 연구하기 위한 토양 탱크 장치와 관련 프로토콜을 개발하는 것입니다. 이를 위해 먼저 2차원 벤치 규모의 토양 탱크를 제작합니다. 두 번째 단계는 토양 탱크와 연결되는 기후 제어 풍동 장치를 제작하는 것입니다.

다음으로, 토양, 수분, 온도, 상대 습도 및 풍속을 측정하는 데 사용되는 다양한 센서 기술을 풍동과 토양 탱크에 설치합니다. 마지막 단계는 토양 탱크에 토양과 물을 채우고, 원하는 대기 강제력을 결정하여 실험을 시작하는 것입니다. 궁극적으로, 이 실험 장치는 잘 제어된 경계 조건 하에서 데이터를 생성하는 데 사용할 수 있으며, 이를 통해 현장에서는 불가능한 관심 척도에서 보다 정밀한 제어와 정확한 데이터 수집이 가능해집니다.

기존 방법과 비교하여 이 절차의 주요 장점은 수치 모델을 검증하고 토양 특성과 공정 간의 상호 의존성을 연구하는 데 사용할 수 있는 정밀한 데이터 세트를 생성할 수 있다는 점입니다. 현장 사이트에서 얻을 수 있는 데이터는 불완전한 경우가 많고 획득 비용이 높으며, 공정을 이해하고 모델 검증용 데이터를 생성하는 데 필요한 제어 수준이 불충분하다고 간주될 수 있습니다. 본 절차를 통해 온도, 상대 습도, 풍속과 같은 대기 조건과 토양 조건을 세밀하게 제어할 수 있습니다.

본 방법은 여기서 입증한 바와 같이 증발에 대한 통찰을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 지질학적으로 격리된 이산화탄소의 누출, 토양 기후 변화, 식량 및 용수 공급, 지뢰의 정확한 탐지, 그리고 지하수 및 토양의 정화와 같이 지표-대기 상호작용에 대한 이해가 필요한 다른 문제들에도 적용될 수 있습니다. 저의 대학원생인 Andrew Trouts와 제 연구실의 학부생인 Victoria Egan이 함께 실험 절차를 시연하겠습니다. 먼저 1.2 centimeter 두께의 아크릴 유리를 큰 조각으로 잘라 다섯 개의 개별 판으로 나누십시오. 아크릴 유리를 사용하면 지하 표면에서 일어나는 과정들을 시각적으로 관찰할 수 있습니다.

다음으로, 5x5 격자를 그리십시오. 이는 두 개의 커다란 유리판 각각에 25 cm x 25 cm 크기로 그리는 것입니다. 격자 내의 각 사각형 면적이 25 cm²가 되도록 하십시오.

그리드는 적절한 간격을 배치하는 데 사용됩니다. 토양 탱크 내의 센서를 위해 대형 유리판 중 하나에 총 25개의 직경 0.9 centimeter 구멍을 뚫습니다. 각 구멍은 그리드의 모든 정사각형 중앙에 뚫어, 인접한 두 정사각형 구멍의 중심 간 거리가 5 centimeter가 되도록 합니다. 첫 번째 구멍 세트는 탱크 상단에서 2.5 centimeter 아래에 위치합니다.

적절한 크기의 탭을 사용하여 새로 만든 각 구멍에 나사산을 깎습니다. 센서 사이를 5 cm 간격으로 배치하여 각 센서가 인접한 센서의 샘플링 부피 영역 밖에 위치하도록 합니다. 동일한 방식으로, 탱크 바닥으로 사용되는 아크릴 판 위의 다른 유리판에 있는 각 그리드 박스 중앙에 직경 0.635 cm의 구멍을 총 25개 뚫고 탭 작업을 수행합니다.

판 중앙에 직경 1/2인치 구멍 하나를 뚫고 탭을 냅니다. 유리판의 내부 쪽과 바닥면의 외부 쪽 구멍 위에 메쉬 스크린을 접착제로 붙입니다. 조절 가능한 밸브가 달린 유연한 튜브에 연결된 90도 엘보우를 설치합니다.

이 밸브와 튜브는 실험 종료 시 탱크에서 물을 배수하거나, 일정한 수위를 유지하기 위한 정수두 장치를 설치하는 용도로 사용됩니다. 수조 깊이는 표를 참조하십시오. 탱크를 결합하고 밀봉할 때는 해양 등급 접착제 또는 이와 유사한 내수성 폴리머 접착제를 사용하십시오.

접착제가 하루 동안 경화되도록 하여 탱크를 지면에서 띄우고 90도 엘보우가 들어갈 공간을 확보합니다. 길이 12cm, 높이 5cm의 1.2cm 두께 아크릴 유리 조각 두 개를 탱크 바닥에 부착합니다. 너비 8.5cm, 높이 26cm의 직사각형 아연 도금 강철 덕트 자재를 사용하여 풍동의 215cm 길이 상류 부분을 제작합니다.

덕트 외부를 단열재로 감쌉니다. 다음으로, 풍동 상류 부분의 길이를 따라 반사판 내에 병렬로 배치된 5개의 세라믹 적외선 가열 소자를 설치합니다. 적외선 가열 소자를 적외선 온도 센서로 조절되는 온도 제어 시스템에 연결합니다.

길이 25cm, 높이 26cm의 1.2cm 두께 아크릴 패널 두 장으로 풍동의 중간 섹션을 제작합니다. 풍동과 토양 탱크 패널이 서로 밀착되도록 강력 접착 테이프를 사용하여 아크릴 패널을 토양 탱크 측벽 상단에 고정합니다. 온도 및 상대 습도 센서를 삽입하기 위해 중간 섹션 패널 중 하나에 직경 0.635cm의 구멍 두 개를 뚫습니다.

그다음 온도 센서를 설치하고, 풍동의 하류 부분 처음 50 centimeters를 이전과 동일한 크기의 직사각형 덕트 재질로 제작합니다. 끝나는 지점에서는 직사각형 덕트 재질을 길이 170 centimeters, 직경 15.3 centimeter의 원형 덕트로 축소합니다. 풍속 제어를 돕기 위해 원형 덕트의 최하류 끝단에 풍속 조절용 아연 도금 강철 댐퍼를 설치합니다. 이어서 원형 덕트 중간에 풍동의 하류 부분에서 공기를 배출하도록 방향을 맞춘 인라인 덕트 팬을 설치합니다.

회전 주파수를 더 정밀하게 제어하여 토양 탱크 설치 전 풍속을 조절할 수 있도록 팬을 가변 속도 제어기에 연결하십시오. 각 토양 수분 및 온도 센서를 나사산 NPT 하우징 내에 고정하고, 습기 침투를 방지하기 위해 플래싱 실란트로 밀봉하십시오. 실리콘 기반 실란트 제품은 일부 센서 내부의 전자 부품에 간섭을 일으킬 수 있으므로 사용하지 마십시오.

센서를 약 일주일 동안 경화시킵니다. NPT 나사산과 아크릴 유리 사이의 밀폐력을 높이기 위해, 탱크에 설치하기 전 각 NPPT 하우징의 나사산에 배관용 테이프를 감습니다. 그 다음, 총 25개의 토양 수분 및 온도 센서를 탱크 벽면에 수평으로 각각 설치합니다.

그리드 위치에서 센서 케이블을 NPT 하우징과 동기화하여 비틀어 케이블 내부 배선이 손상되지 않도록 합니다. 유리가 파손되는 것을 방지하기 위해 MPT를 과도하게 조이지 마십시오. 설치가 완료되면 토양 수분 센서와 온도 센서를 지정된 데이터 로거에 연결합니다.

하류측 풍동 섹션 상단에 뚫린 구멍을 통해 토양 탱크의 바로 하류 방향으로 P toe 정압관을 설치하십시오. 정압관을 섹션 바닥으로부터 원하는 높이에 맞추어 고정하십시오. 그다음, 탱크에 토양을 채우기 전에 튜브를 차압 트랜스듀서에 연결하십시오.

누수 테스트를 수행하여 무결성을 확인합니다. 탱크에 물을 채우고 4~6시간 동안 기다려 구조물이나 센서에 누수가 발생하지 않았는지 확인합니다. 누수 테스트를 수행한 후 탱크의 물을 배수합니다.

토양 탱크를 충전하기 위한 건조 토양을 준비합니다. 선정된 토양의 수리적 및 열적 특성을 이전에 발표된 방법에 따라 각각 분석합니다. 토양과 탈이온수를 사용하여 토양 탱크를 주의 깊게 습식 충전합니다.

먼저, 스쿱을 사용하여 수조에 약 5cm 높이로 물을 붓고, 수조의 물에 건조한 토양을 천천히 추가합니다. 2.5cm 깊이 간격으로 각 층을 쌓을 때마다 추가된 모래의 무게를 기록하여, 각 층이 완성된 후 토양 충진의 공극률을 계산할 수 있도록 합니다. 고무 망치로 수조 벽면을 100~200회 반복해서 두드려 전체적으로 균일한 겉보기 밀도를 얻습니다.

태핑 시 센서 및 센서 와이어에 닿지 않도록 주의하십시오. 민감한 센서 네트워크가 손상되지 않도록 진동 장치 사용은 피해야 합니다. 누적 수분 손실을 모니터링하기 위해 수조를 저울 위에 배치하며, 이는 증발률을 계산하는 데 사용될 수 있습니다.

설치가 완료되면 원하는 대기 조건을 결정하십시오. 데이터 로거 및 기타 데이터 수집 시스템의 전원이 켜져 있고 샘플링 간격이 정확하게 설정되었는지 확인하십시오. 팬과 온도 제어 시스템을 작동시키십시오.

토양 탱크 표면의 플라스틱 커버를 제거하기 전에 기후 조건이 평형을 이룰 때까지 기다립니다. 마지막으로, 원하는 시간 동안 실험을 진행합니다. 풍동과 토양 탱크가 결합된 장치를 사용하여 토양 표면에 서로 다른 경계 조건을 적용한 일련의 실험을 수행하였습니다.

서로 다른 풍속과 온도에서 네 차례의 실험이 수행되었으나, 여기에서 제시된 실험 결과의 대부분은 풍속 1.22 meters per second 기준입니다. 토양 표면의 상대 습도는 시간이 지남에 따라 감소하는 반면, 토양 표면 온도는 시간이 지남에 따라 증가하는 경향을 보이다가 안정화됩니다. 이러한 경향은 네 가지 모든 실험에서 관찰되었으며, 이는 토양 건조 관점에서 설명될 수 있습니다.

지표 온도와 바람은 더 깊은 곳의 국소 온도에 미치는 영향이 적으며, 12.5 centimeters 이하의 깊이에서는 영향이 나타나지 않습니다. 포화도는 증발 속도의 차이에 의해 정의되는 증발의 서로 다른 단계와 연관될 수 있습니다. 건조 전선의 위치와 주요 이동 메커니즘입니다.

풍속이 증가하면 증발률이 높아지고 1단계 증발 기간이 단축됩니다. 하지만 풍속이 3m/s를 초과하면 1단계 증발에 미치는 추가적인 영향은 거의 없는 것으로 나타났습니다. 주로 다공성 매질의 특성에 의해 결정되는 2단계 증발은 풍속과 무관하거나 풍속의 영향을 매우 적게 받는 것으로 보입니다.

본 실험 프로토콜은 토양, 기후, 경계 또는 지하 조건의 변화를 포함한 다양한 환경 조건에 적용 가능합니다. 설명된 장치의 크기와 센서 배치는 서로 다른 실험의 요구 사항에 맞게 수정할 수 있습니다. 또한, 충진 절차 역시 다양한 공극률 조건 및 토양 불균질성과 같은 서로 다른 충진 구성을 반영하여 유사하게 수정할 수 있습니다.