Исследуя влияние атмосферных воздействий на испарение: Экспериментальная интеграция пограничного слоя атмосферы и приповерхностном слое грунта

Общая цель данной процедуры заключается в разработке установки с почвенным резервуаром и соответствующего протокола для экспериментального изучения влияния атмосферных воздействий на испарение. Это достигается путем первоначального создания двухмерного лабораторного почвенного резервуара. Вторым этапом является создание установки с аэродинамической трубой с контролируемым климатом, которая сопряжена с почвенным резервуаром.

Затем в аэродинамической трубе и почвенном баке устанавливаются различные датчики, используемые для измерения характеристик почвы, влажности, температуры, относительной влажности воздуха и скорости ветра. Заключительным этапом является заполнение почвенного бака почвой и водой, определение необходимых параметров атмосферного воздействия и начало эксперимента. В конечном счете, эта экспериментальная установка позволяет получать данные при строго контролируемых граничных условиях, что обеспечивает лучший контроль и сбор точных данных в интересующих масштабах, что невозможно реализовать в полевых условиях.

Основным преимуществом данной процедуры по сравнению с существующими методами является возможность получения прецизионных наборов данных, которые могут быть использованы для валидации численных моделей и изучения взаимозависимости свойств и процессов в почве. Данные, доступные с полевых участков, часто являются неполными и дорогостоящими в получении, а степень контроля, необходимая для понимания процессов и генерации данных для валидации моделей, может считаться недостаточной. Данная процедура позволяет тщательно контролировать атмосферные условия, такие как температура, относительная влажность, скорость ветра, а также состояние почвы.

Хотя данный метод может дать представление о процессах испарения, как показано в данном примере, его можно применять и для решения других задач, требующих понимания взаимодействий между почвой и атмосферой, таких как утечка геологически секвестрированного диоксида углерода, изменение климата почвы, вопросы обеспечения продовольствием и водой, точное обнаружение противопехотных мин, а также рекультивация грунтовых вод и почвы. Вместе с моим аспирантом Эндрю Траутсом, Виктория Иган, студентка моей лаборатории, продемонстрируют данную процедуру. Для начала разрежьте большой лист акрилового стекла толщиной 1,2 см на пять отдельных панелей. Акриловое стекло позволяет визуально наблюдать за процессами, происходящими в подповерхностном слое.

Затем нарисуйте сетку размером пять на пять квадратов. Таким образом, на каждой из двух больших стеклянных панелей должна быть сетка размером 25 сантиметров на 25 сантиметров. Убедитесь, что площадь каждого квадрата в сетке составляет 25 квадратных сантиметров.

Сетка будет использоваться для обеспечения правильного интервала. Для установки датчиков в почвенном баке в одной из больших стеклянных панелей просверлите в общей сложности 25 отверстий диаметром 0,9 сантиметра для датчиков влажности почвы; каждое отверстие должно находиться в центре каждого квадрата сетки таким образом, чтобы расстояние между центрами отверстий в двух соседних квадратах составляло 5 сантиметров. Первый ряд отверстий располагается на 2,5 сантиметра ниже верхнего края бака.

Используйте метчики соответствующего размера, чтобы нарезать резьбу в каждом из newly created holes. Расстояние в 5 cm между датчиками гарантирует, что каждый датчик находится за пределами объема выборки ближайшего соседнего датчика. Аналогичным образом просверлите и нарежьте резьбу в общей сложности в 25 отверстиях диаметром 0.635 cm в центре каждого квадрата сетки на другой стеклянной панели или на акриловой панели, используемой в качестве дна резервуара.

Просверлите и нарежьте резьбу в одном отверстии диаметром 1/2 дюйма в центре панели. Приклейте сетчатый экран над отверстием на внутренней стороне стекла на внешней стороне нижней панели. Установите колено под углом 90 градусов, соединенное с гибким трубками с регулируемым клапаном.

Этот клапан и трубка используются для слива воды из резервуара по завершении эксперимента или для установки устройств с постоянным напором для поддержания постоянного уровня воды в резервуаре. Для сборки и герметизации резервуара используйте клей морского класса или аналогичный водостойкий полимерный адгезив.

Оставьте клей застывать на один день, чтобы приподнять резервуар над землей и освободить место для колена под углом 90 градусов. Прикрепите к дну резервуара два дополнительных фрагмента акрилового стекла толщиной 1.2 centimeter, длиной 12 сантиметров и высотой пять сантиметров. Сконструируйте верхнюю часть аэродинамической трубы длиной 215 centimeter из прямоугольного оцинкованного стального воздуховода шириной 8.5 сантиметров и высотой 26 сантиметров.

Обложите внешнюю часть воздуховода изоляцией. Затем установите пять керамических инфракрасных нагревательных элементов, расположенных параллельно в отражателе вдоль всей длины восходящей части аэродинамической трубы. Подключите инфракрасные нагревательные элементы к системе контроля температуры, регулируемой инфракрасным датчиком температуры.

Сконструируйте среднюю секцию аэродинамической трубы из двух акриловых панелей толщиной 1,2 см, длиной 25 см и высотой 26 см. Прикрепите акриловые панели к верхней части боковых стенок резервуара с почвой с помощью прочной клейкой ленты, обеспечив плотное прилегание панелей аэродинамической трубы и резервуара с почвой друг к другу. Просверлите в одной из панелей средней секции два отверстия диаметром 0,635 см для установки датчиков температуры и/или относительной влажности.

Затем датчики температуры устанавливают в первые 50 сантиметров нисходящей части аэродинамической трубы, изготовленной из прямоугольных воздуховодов того же размера, что и ранее. На выходе переведите прямоугольный воздуховод в круглый диаметром 15,3 сантиметра и длиной 170 сантиметров. В дальнем конце круглого воздуховода установите заслонку из оцинкованной стали для регулировки скорости воздушного потока. Затем в средней части круглого воздуховода установите линейный канальный вентилятор, ориентированный на выдув воздуха из нисходящей части аэродинамической трубы.

Подключите вентилятор к контроллеру с регулируемой скоростью для более точного управления частотой вращения и, следовательно, скоростью ветра перед установкой в резервуар с почвой. Закрепите каждый датчик влажности и температуры почвы в резьбовом корпусе NPT и герметизируйте с помощью уплотнительного герметика для предотвращения проникновения влаги. Не используйте герметики на силиконовой основе, так как они могут создавать помехи в работе электроники некоторых датчиков.

Выдержите датчики в течение примерно одной недели. Перед установкой в бак обмотайте резьбу каждого корпуса NPPT сантехнической лентой (ФУМ-лентой) для обеспечения более герметичного соединения между резьбой NPT и акриловым стеклом. Затем установите в общей сложности 25 датчиков влажности и температуры почвы, вмонтировав каждый из них горизонтально сквозь стенки бака.

В точках сетки перекручивайте кабели датчиков синхронно с корпусом NPT, чтобы не повредить внутреннюю проводку кабелей. Не затягивайте MPT слишком сильно, чтобы избежать растрескивания стекла после установки; подключите датчики влажности почвы и датчики температуры к соответствующим регистраторам данных.

Установите статический датчик давления P toe непосредственно за почвенным резервуаром через отверстие, просверленное в верхней части последующей секции аэродинамической трубы. Удерживайте статический датчик P toe на нужном расстоянии от пола секции. Затем подключите трубку к дифференциальному датчику давления перед заполнением резервуара почвой.

Проверьте герметичность системы, проведя тест на утечку. Заполните резервуар водой и подождите от четырех до шести часов, чтобы убедиться в отсутствии утечек в конструкции или датчиках. После проведения теста на утечку и слива воды из резервуара.

Подготовьте сухую почву для заполнения почвенного резервуара. Характеристики гидравлических и тепловых свойств выбранной почвы определите отдельно в соответствии с ранее опубликованными методами. Аккуратно заполните почвенный резервуар методом влажного уплотнения, используя почву и деионизированную воду.

Сначала налейте в резервуар примерно пять сантиметров воды, используя ковш, затем медленно добавляйте сухую почву в воду в резервуаре. Слой за слоем с шагом 2,5 сантиметра фиксируйте массу добавляемого песка, чтобы после формирования каждого слоя можно было рассчитать пористость уплотненной почвы. Несколько раз постучите по стенкам резервуара (от 100 до 200 раз) резиновым молотком для достижения равномерной насыпной плотности по всему объему.

Во время постукивания избегайте контакта с датчиками и проводами датчиков. Следует избегать использования вибрационных устройств, чтобы не повредить сеть чувствительных датчиков. Поместите резервуар на весы для мониторинга кумулятивной потери воды, которую, в свою очередь, можно использовать для расчета скорости испарения.

После завершения настройки определите желаемые атмосферные условия. Убедитесь, что регистраторы данных и другие системы сбора данных включены и настроены на правильные интервалы дискретизации. Запустите вентилятор и систему контроля температуры.

Дайте климатическим условиям стабилизироваться перед тем, как снять пластиковый кожух с поверхности почвенного бака. В завершение проведите эксперимент в течение требуемого времени. Комбинированная установка, состоящая из аэродинамической трубы и почвенного бака, использовалась для проведения серии экспериментов, в которых применялись различные граничные условия на поверхности почвы.

Несмотря на то, что было проведено четыре эксперимента при различных скоростях ветра и температурах, большинство представленных здесь результатов получены при скорости ветра 1,22 метра в секунду. Относительная влажность поверхности почвы со временем снижается, в то время как температура поверхности почвы демонстрирует тенденцию к росту, прежде чем стабилизироваться. Эти тенденции наблюдались во всех четырех экспериментах и могут быть объяснены процессом высыхания почвы.

Температура поверхности и ветер оказывают меньшее влияние на локальную температуру на больших глубинах, не проявляя эффекта на глубине более 12,5 сантиметров. Насыщение может быть связано с различными стадиями испарения, которые определяются различиями в скоростях испарения. Расположение фронта высушивания и доминирующие механизмы переноса.

Увеличение скорости ветра приводит к повышению скорости испарения и сокращению продолжительности первой стадии испарения. Однако дальнейшее увеличение скорости ветра свыше three meters per second оказывает незначительное дополнительное влияние на первую стадию испарения. Вторая стадия испарения, определяемая преимущественно свойствами пористой среды, по-видимому, не зависит от скорости ветра или подвергается лишь ее незначительному влиянию.

Данный экспериментальный протокол применим к различным условиям окружающей среды, включая изменения в почве, климате, граничных или приповерхностных условиях. Габариты и расположение датчиков описанного аппарата могут быть изменены в соответствии с требованиями различных экспериментов. Кроме того, процедуру уплотнения можно аналогичным образом модифицировать для учета различных конфигураций засыпки, таких как варьирование условий пористости и неоднородность почвы.