Badanie wpływu wymuszeń atmosferycznych na parowanie: eksperymentalna integracja atmosferycznej warstwy granicznej i płytkiej warstwy podpowierzchniowej

Ogólnym celem niniejszej procedury jest opracowanie aparatury w postaci zbiornika z glebą oraz powiązanego z nią protokołu do eksperymentalnego badania wpływu wymuszeń atmosferycznych na parowanie. Cel ten realizowany jest najpierw poprzez zbudowanie dwuwymiarowego laboratoryjnego zbiornika z glebą. Drugim krokiem jest konstrukcja tunelu aerodynamicznego z kontrolą klimatu, który integruje się ze zbiornikiem z glebą.

Następnie tunel aerodynamiczny i zbiornik z glebą zostają wyposażone w różnorodne technologie czujników służące do pomiaru właściwości gleby, wilgotności, temperatury, wilgotności względnej oraz prędkości wiatru. Ostatnim krokiem jest wypełnienie zbiornika glebą i wodą, określenie pożądanych wymuszeń atmosferycznych oraz rozpoczęcie eksperymentu. W rezultacie aparatura ta może być wykorzystywana do generowania danych w ściśle kontrolowanych warunkach brzegowych, co pozwala na lepszą kontrolę i gromadzenie dokładnych danych w interesujących badacza skalach, co nie byłoby możliwe w warunkach terenowych.

Główną zaletą tej procedury w stosunku do istniejących metod jest to, że umożliwia ona generowanie precyzyjnych zestawów danych, które mogą zostać wykorzystane do walidacji modeli numerycznych oraz badania współzależności między właściwościami a procesami glebowymi. Dane dostępne z obszarów badawczych w terenie są często niepełne i kosztowne w pozyskaniu, a stopień kontroli niezbędny do zrozumienia procesów i wygenerowania danych do walidacji modeli może zostać uznany za niewystarczający. Niniejsza procedura pozwala na dokładną kontrolę warunków atmosferycznych, takich jak temperatura, wilgotność względna, prędkość wiatru, a także warunków glebowych.

Choć metoda ta może dostarczyć informacji na temat parowania, jak pokazano w niniejszym materiale, można ją również zastosować do innych zagadnień wymagających zrozumienia oddziaływań między lądem a atmosferą, takich jak wycieki geologicznie sekwestrowanego dwutlenku węgla, zmiany klimatu gleby, zasoby żywności i wody, dokładne wykrywanie min lądowych oraz remediacja wód gruntowych i gleby. Procedurę zaprezentują mój student studiów magisterskich, Andrew Trouts, oraz Victoria Egan, studentka studiów licencjackich z mojego laboratorium. Aby rozpocząć, należy pociąć duży arkusz szkła akrylowego o grubości 1,2 cm na pięć oddzielnych tafli. Szkło akrylowe umożliwia wizualną obserwację procesów zachodzących w podłożu.

Następnie narysuj siatkę pięć na pięć. Powinna ona mieć wymiary 25 cm na 25 cm na każdej z dwóch dużych szyb szklanych. Upewnij się, że każdy kwadrat w siatce ma powierzchnię 25 cm².

Siatka posłuży do zapewnienia odpowiednich odstępów. W jednej z dużych szklanych ścianek zbiornika z glebą wywierć łącznie 25 otworów o średnicy 0,9 cm dla czujników wilgotności gleby; każdy otwór należy wywiercić w centrum każdego kwadratu siatki w taki sposób, aby środki otworów w dwóch sąsiadujących kwadratach znajdowały się w odległości 5 cm od siebie. Pierwszy zestaw otworów znajduje się 2,5 cm poniżej górnej krawędzi zbiornika.

Użyć gwintowników o odpowiednim rozmiarze, aby naciąć gwinty w każdym z nowo wykonanych otworów. Pięciocentymetrowy odstęp między czujnikami zapewnia, że każdy z nich znajduje się poza objętością próbkowania najbliższego sąsiedniego czujnika. W ten sam sposób wywiercić i naciąć gwinty w łącznie 25 otworach o średnicy 0,635 cm w centrum każdego pola siatki na drugiej szybie szklanej oraz na płycie akrylowej użytej jako dno zbiornika.

Wywierć otwór o średnicy pół cala w środku szyby i nawiń w nim gwint. Przyklej siatkę nad otworem od wewnętrznej strony szkła, na zewnętrznej stronie dolnej płaszczyzny. Zainstaluj kolanko 90 stopni połączone z elastyczną rurką z regulowanym zaworem.

Ten zawór i rurka służą do spuszczania wody ze zbiornika po zakończeniu eksperymentu lub jako sposób na instalację urządzeń do stałego poziomu cieczy w celu utrzymania stałej głębokości wody w zbiorniku. Do połączenia i uszczelnienia zbiornika należy użyć kleju klasy morskiej lub podobnego wodoodpornego kleju polimerowego.

Pozostaw klej do utwardzenia przez jedną dobę, aby unieść zbiornik nad ziemię i zrobić miejsce na kolanko 90 stopni. Do dna zbiornika przymocuj dwa dodatkowe kawałki szkła akrylowego o grubości 1,2 cm, długości 12 cm i wysokości pięciu cm. Górną część tunelu aerodynamiczną o długości 215 cm wykonaj z prostokątnych ocynkowanych przewodów stalowych o szerokości 8,5 cm i wysokości 26 cm.

Otocz zewnętrzną stronę kanału izolacją. Następnie zainstaluj pięć ceramicznych grzałek podczerwonych rozmieszczonych równolegle wewnątrz reflektora wzdłuż górnego odcinka tunelu aerodynamicznego. Podłącz grzałki podczerwone do systemu sterowania temperaturą regulowanego przez czujnik temperatury podczerwonej.

Zbuduj środkową sekcję tunelu aerodynamicznego z dwóch paneli akrylowych o grubości 1,2 centymetra, długości 25 centymetrów i wysokości 26 centymetrów. Przymocuj panele akrylowe do górnej części ścian bocznych zbiornika z glebą za pomocą mocnej taśmy klejącej, upewniając się, że panele tunelu aerodynamicznego i zbiornika z glebą przylegają do siebie ściśle. Wywierć dwa otwory o średnicy 0,635 centymetra w jednym z paneli sekcji środkowej, aby wprowadzić czujnik temperatury i/lub wilgotności względnej.

Następnie, w celu zainstalowania czujników temperatury, należy zbudować pierwsze 50 cm dolnej części tunelu aerodynamicznego z tego samego rozmiaru prostokątnego materiału kanałowego, co wcześniej. Na końcowym odcinku należy przejść z prostokątnego kanału na rurę okrągłą o średnicy 15,3 cm i długości 170 cm. Na dalszym końcu rury okrągłej należy zainstalować przepustnicę ze stali ocynkowanej, służącą do regulacji prędkości przepływu powietrza, aby ułatwić kontrolę prędkości wiatru. Następnie w połowie rury okrągłej należy zainstalować kanałowy wentylator przelotowy, zorientowany tak, aby wypchnąć powietrze z dolnej części tunelu aerodynamicznego.

Podłącz wentylator do regulatora prędkości w celu bardziej precyzyjnego sterowania częstotliwością obrotową, a w konsekwencji prędkością wiatru przed instalacją w zbiorniku z glebą. Zamocuj każdy czujnik wilgotności i temperatury gleby w gwintowanej obudowie NPT i uszczelnij za pomocą uszczelniacza do obróbek blacharskich, aby zapobiec przenikaniu wilgoci. Nie używaj produktów uszczelniających na bazie silikonu, ponieważ mogą one zakłócać pracę elektroniki w niektórych czujnikach.

Utwardzać czujniki przez około jeden tydzień. Przed montażem w zbiorniku owinąć gwinty każdej obudowy NPPT taśmą teflonową, aby zapewnić lepsze uszczelnienie między gwintem NPT a szkłem akrylowym. Następnie zainstalować łącznie 25 czujników wilgotności i temperatury gleby, każdy poziomo przez ścianki zbiornika.

W miejscach wyznaczonych na siatce. Skręć kable czujników synchronicznie z obudową NPT, aby nie uszkodzić wewnętrznego okablowania wewnątrz kabli. Nie dokręcaj zbyt mocno MPT, aby zapobiec pękaniu szkła po osadzeniu, a następnie podłącz czujniki wilgotności gleby i czujniki temperatury do przypisanych im rejestratorów danych.

Zainstaluj statyczną rurkę Pitota bezpośrednio za zbiornikiem z glebą, przez otwór wywiercony w górnej części dolnego odcinka tunelu aerodynamicznego. Utrzymaj statyczną rurkę Pitota na pożądanej wysokości nad dnem tego odcinka. Następnie podłącz rurkę do przetwornika ciśnienia różnicowego przed wypełnieniem zbiornika glebą.

Sprawdź szczelność układu, wykonując test wycieku. Napełnij zbiornik wodą i odczekaj od czterech do sześciu godzin, aby upewnić się, że w strukturze lub czujnikach nie pojawiły się żadne nieszczelności. Po przeprowadzeniu testu szczelności i opróżnieniu zbiornika.

Należy pozyskać suchą glebę do wypełnienia zbiornika glebowego. Właściwości hydrauliczne i termiczne wybranej gleby należy scharakteryzować oddzielnie, zgodnie z wcześniej opublikowanymi metodami. Zbiornik glebowy należy starannie wypełnić wilgotną glebą, używając do tego celu gleby oraz wody dejonizowanej.

Najpierw wlej do zbiornika około pięciu centymetrów wody, a następnie za pomocą czerpaka powoli dodawaj suchą glebę do wody w zbiorniku. Zapisuj masę piasku dodawanego przy każdym zasypie w przyrostach co 2,5 centymetra głębokości, aby po utworzeniu każdej warstwy można było obliczyć porowatość upakowania gleby. Wielokrotnie uderzaj w ścianki zbiornika od 100 do 200 razy gumowym młotkiem, aby uzyskać jednorodną gęstość objętościową w całej objętości.

Podczas stukania należy unikać kontaktu z czujnikami i przewodami czujników. Należy unikać stosowania urządzeń wibrujących, aby nie uszkodzić sieci czułych sensorów. Umieść zbiornik na wadze, aby monitorować skumulowaną utratę wody, co z kolei może posłużyć do obliczenia szybkości parowania.

Po zakończeniu konfiguracji należy określić pożądane warunki atmosferyczne. Należy upewnić się, że rejestratorzy danych i inne systemy akwizycji danych są włączone i ustawione na prawidłowe interwały próbkowania. Następnie należy uruchomić wentylator i system kontroli temperatury.

Należy odczekać do wyrównania się warunków klimatycznych przed zdjęciem plastikowej osłony z powierzchni zbiornika z glebą. Na koniec należy przeprowadzić eksperyment przez pożądany czas. Połączone urządzenie składające się z tunelu aerodynamicznego i zbiornika z glebą zostało wykorzystane do przeprowadzenia serii eksperymentów, w których zastosowano różne warunki brzegowe na powierzchni gleby.

Mimo że przeprowadzono cztery eksperymenty przy różnych prędkościach wiatru i temperaturach, większość przedstawionych tutaj wyników eksperymentalnych dotyczy prędkości wiatru 1,22 m/s. Wilgotność względna powierzchni gleby maleje w czasie, podczas gdy temperatura powierzchni gleby wykazuje tendencję wzrostową, zanim ulegnie stabilizacji. Trendy te zaobserwowano we wszystkich czterech eksperymentach i można je wyjaśnić procesem wysychania gleby.

Temperatura powierzchniowa i wiatr mają mniejszy wpływ na temperatury lokalne na większych głębokościach, nie wykazując żadnego efektu na głębokościach poniżej 12.5 centymetrów. Nasycenie można powiązać z różnymi etapami parowania, które są definiowane przez różnice w szybkościach parowania. Położenie frontu schnięcia i dominujące mechanizmy transportu.

Zwiększenie prędkości wiatru prowadzi do wzrostu szybkości parowania i skrócenia czasu trwania pierwszej fazy parowania. Zwiększenie prędkości wiatru powyżej 3 m/s wykazuje jednak niewielki dodatkowy wpływ na parowanie w pierwszej fazie. Parowanie w drugiej fazie, kontrolowane głównie przez właściwości ośrodka porowatego, wydaje się być niezależne od prędkości wiatru lub być nią tylko nieznacznie modyfikowane.

Niniejszy protokół eksperymentalny jest możliwy do zastosowania w różnych warunkach środowiskowych, w tym przy zmianach gleby, klimatu, warunków brzegowych lub podpowierzchniowych. Wymiary i układ czujników opisanego urządzenia mogą zostać zmodyfikowane, aby dostosować je do potrzeb różnych eksperymentów. Ponadto procedurę ubijania można w podobny sposób zmodyfikować, aby uwzględnić różne konfiguracje upakowania, takie jak zmienne warunki porowatości i heterogeniczność gleby.