Explorando os efeitos de forçantes atmosféricas sobre evaporação: Integração Experimental da Camada Limite Atmosférica e Raso Subsurface

O objetivo geral deste procedimento é desenvolver um aparato de tanque de solo e um protocolo associado para estudar experimentalmente os efeitos das forçantes atmosféricas na evaporação. Isso é realizado primeiramente pela construção de um tanque de solo em escala laboratorial bidimensional. O segundo passo é construir um aparato de túnel de vento com clima controlado que se interface com o tanque de solo.

Em seguida, o túnel de vento e o tanque de solo são instrumentados com diversas tecnologias de sensores utilizadas para medir solo, umidade, temperatura, umidade relativa e velocidade do vento. O passo final é preencher o tanque de solo com solo e água, determinar as forçantes atmosféricas desejadas e iniciar o experimento. Em última análise, este aparato experimental pode ser usado para gerar dados sob condições de contorno bem controladas, permitindo um melhor controle e a obtenção de dados precisos em escalas de interesse, o que não é viável em campo.

A principal vantagem deste procedimento em relação aos métodos existentes é que ele permite a geração de conjuntos de dados precisos que podem ser utilizados para validar modelos numéricos e estudar a interdependência entre propriedades e processos do solo. Os dados disponíveis de locais de campo muitas vezes são incompletos e onerosos para obter, e o grau de controle necessário para compreender os processos e gerar dados para validação por modelagem pode ser considerado inadequado. Este procedimento permite que condições atmosféricas como temperatura, umidade relativa, velocidade do vento e condições do solo sejam cuidadosamente controladas.

Embora este método possa fornecer informações sobre a evaporação, conforme demonstrado aqui, ele também pode ser aplicado a outras questões que exigem compreensão das interações entre a superfície terrestre e a atmosfera, como o vazamento de dióxido de carbono geologicamente sequestrado, mudanças climáticas no solo, suprimentos de alimentos e água, detecção precisa de minas terrestres e remediação de águas subterrâneas e solos. Juntamente com meu aluno de pós-graduação, Andrew Trouts, Victoria Egan, uma estudante de graduação do meu laboratório, demonstrará o procedimento. Para começar, corte um grande pedaço de vidro acrílico com 1,2 centímetro de espessura em cinco placas individuais. O vidro acrílico permite a observação visual de processos no subsolo.

Em seguida, desenhe uma grade de cinco por cinco. Ou seja, 25 centímetros por 25 centímetros em cada um dos dois painéis de vidro grandes. Certifique-se de que cada quadrado dentro da grade tenha uma área de 25 centímetros quadrados.

A grade será utilizada para o espaçamento adequado. Os sensores dentro do tanque de solo em uma das grandes placas de vidro perfuram um total de 25 furos com diâmetro de 1,09 centímetro para os sensores de umidade do solo; perfure cada furo no centro de cada quadrado da grade, de modo que os centros dos furos de dois quadrados adjacentes fiquem separados por cinco centímetros. O primeiro conjunto de furos está a 2,5 centímetros abaixo do topo do tanque.

Utilize machos de rosca de tamanho apropriado para abrir roscas em cada um dos orifícios recém-criados. O espaçamento de cinco centímetros entre os sensores garante que cada sensor esteja fora do volume de amostragem do sensor mais próximo. Da mesma forma, faça furos e abra roscas em um total de 25 0 orifícios de diâmetro de 0,635 centímetro no centro de cada quadrícula no outro painel de vidro no painel acrílico usado como fundo do tanque.

Fure e rosqueie um único orifício de meio polegada de diâmetro no centro do painel. Cole uma tela de malha sobre o orifício no lado interno do vidro, no lado externo do plano inferior. Instale um cotovelo de 90 graus conectado a uma tubulação flexível com uma válvula ajustável.

Esta válvula e tubulação são usadas para drenar a água do tanque ao final de um experimento ou como meio para instalar dispositivos de carga constante para manter o nível de água constante. Utilize cola de grau marinho ou adesivo polimérico resistente à água similar para fixar e vedar o tanque.

Deixe o adesivo curar por um dia para elevar o tanque do chão e criar espaço para o cotovelo de 90 graus. Fixe duas peças adicionais de vidro acrílico com espessura de 1,2 centímetro, comprimento de 12 centímetros e altura de cinco centímetros à base do tanque. Construa a seção de montante do túnel de vento, com 215 centímetros de comprimento, utilizando material de dutos retangulares de aço galvanizado com largura de 8,5 centímetros e altura de 26 centímetros.

Cubra a parte externa do duto com isolamento. Em seguida, instale cinco elementos aquecedores de infravermelho cerâmicos posicionados em paralelo dentro de um refletor ao longo da porção de montante do túnel de vento. Conecte os elementos aquecedores de infravermelho a um sistema de controle de temperatura regulado por um sensor de temperatura de infravermelho.

Construa a seção mediana do túnel de vento com dois painéis de acrílico de 1,2 centímetro de espessura, com comprimento de 25 centímetros e altura de 26 centímetros. Fixe os painéis de acrílico na parte superior das paredes laterais do tanque de solo usando uma fita adesiva resistente, garantindo que os painéis do túnel de vento e do tanque de solo fiquem alinhados entre si. Faça dois furos com diâmetro de 0,635 centímetro em um dos painéis da seção mediana para inserir o sensor de temperatura e/ou umidade relativa.

Em seguida, os sensores de temperatura montam os primeiros 50 centímetros da seção a jusante do túnel de vento utilizando o mesmo material de dutos retangulares de tamanho anterior. No lado de término, reduza o material do duto retangular para um duto redondo com diâmetro de 15,3 centímetros e comprimento de 170 centímetros. Instale uma comporta de aço galvanizado, utilizada para ajustar as velocidades do vento, na extremidade mais distante a jusante do duto redondo, para auxiliar no controle da velocidade do vento. Em seguida, instale um ventilador axial embutido no meio do duto redondo, orientado para expelir o ar da seção a jusante do túnel de vento.

Conecte o ventilador a um controlador de velocidade variável para um controle mais preciso da frequência de rotação e, consequentemente, da velocidade do vento antes da instalação dentro do tanque de solo. Fixe cada sensor de umidade e temperatura do solo em uma carcaça roscada NPT e selar com selante impermeabilizante para evitar a entrada de umidade. Não utilize produtos selantes à base de silicone, pois podem interferir nos componentes eletrônicos de alguns sensores.

Cure os sensores por aproximadamente uma semana. Enrole as roscas de cada alojamento NPPT com fita veda-rosca antes da instalação no tanque para ajudar a proporcionar um melhor vedamento entre a rosca NPT e o vidro acrílico. Em seguida, instale um total de 25 sensores de umidade do solo e 25 sensores de temperatura, cada um passado horizontalmente através das paredes do tanque.

Nas posições da grade, gire os cabos do sensor em sincronia com o alojamento NPT para não danificar a fiação interna dos cabos. Não exagere no torque dos MPTs para evitar rachaduras no vidro após a instalação; conecte os sensores de umidade do solo e os sensores de temperatura aos seus registradores de dados designados.

Instale um tubo de pressão estática de P toe diretamente a jusante do tanque de solo através do orifício perfurado na parte superior da seção do túnel de vento a jusante. Mantenha o tubo de pressão estática de P toe na altura desejada em relação ao piso da seção. Em seguida, conecte o tubo a um transdutor de pressão diferencial antes de preencher o tanque com solo.

Teste sua integridade realizando um teste de vazamento. Encha o tanque com água e aguarde de quatro a seis horas para garantir que não tenham surgido vazamentos na estrutura ou nos sensores. Após realizar o teste de vazamento e esvaziar o tanque.

Obtenha solo seco para preencher o tanque de solo. Caracterize as propriedades hidráulicas e térmicas do solo selecionado separadamente, conforme métodos previamente publicados. Preencha cuidadosamente o tanque de solo com solo e água desionizada para compactar o solo úmido.

Primeiro, despeje aproximadamente cinco centímetros de água no tanque usando uma concha e lentamente adicione solo seco à água no tanque. Em incrementos de profundidade de 2,5 centímetros, registre o peso da areia adicionada durante cada camada, para que a porosidade do empacotamento do solo possa ser calculada ao final de cada camada. Bata repetidamente nas paredes do tanque de 100 a 200 vezes usando um martelo de borracha para obter uma densidade aparente uniforme em toda a extensão.

Durante a batida, evite o contato com os sensores e os fios dos sensores. O uso de dispositivos vibratórios deve ser evitado, para não danificar a rede de sensores sensíveis. Coloque o tanque sobre uma balança para monitorar a perda acumulada de água, que por sua vez pode ser usada para calcular a taxa de evaporação.

Uma vez que a configuração esteja completa, determine as condições atmosféricas desejadas. Certifique-se de que os registradores de dados e outros sistemas de aquisição de dados estejam ligados e ajustados aos intervalos corretos de amostragem. Inicie o ventilador e o sistema de controle de temperatura.

Permita que as condições climáticas se equilibrem antes de remover a cobertura de plástico da superfície do tanque de solo. Por fim, execute o experimento pelo tempo desejado. O aparato combinado de túnel de vento e tanque de solo foi utilizado para realizar uma série de experimentos nos quais diferentes condições de contorno na superfície do solo foram aplicadas.

Embora quatro experimentos com diferentes velocidades do vento e temperaturas tenham sido realizados, a maioria dos resultados experimentais apresentados aqui refere-se a uma velocidade do vento de 1,22 metros por segundo. A umidade relativa da superfície do solo diminui ao longo do tempo, enquanto a temperatura da superfície do solo apresenta uma tendência crescente ao longo do tempo antes de se estabilizar. Essas tendências foram observadas nos quatro experimentos e podem ser explicadas em termos da secagem do solo.

A temperatura da superfície e o vento têm menor influência sobre as temperaturas locais em profundidades maiores, não apresentando efeito em profundidades abaixo de 12,5 centímetros. A saturação pode estar relacionada às diferentes fases da evaporação, que são definidas pelas diferenças nas taxas de evaporação. Localização do frente de secagem e mecanismos de transporte dominantes.

O aumento das velocidades do vento leva a uma taxa de evaporação maior e a uma duração reduzida da fase um da evaporação. O aumento da velocidade do vento além de três metros por segundo, no entanto, mostra pouco impacto adicional sobre a evaporação na fase um. A evaporação na fase dois, regida principalmente pelas propriedades do meio poroso, parece ser independente ou apenas ligeiramente influenciada pela velocidade do vento.

Este protocolo experimental é aplicável a uma variedade de condições ambientais, incluindo alterações no solo, clima, limites ou condições subsuperficiais. As dimensões e a disposição dos sensores do aparelho descrito podem ser modificadas para atender às necessidades de diferentes experimentos. Além disso, o procedimento de acondicionamento pode ser igualmente modificado para considerar diferentes configurações de acondicionamento, como condições de porosidade variáveis e heterogeneidade do solo.