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

Summary

Протокол для проектирования и строительства резервуара почвы сопряжено с небольшим климат-контролем аэродинамической трубе, чтобы изучить эффекты атмосферных воздействий на испарение представлены. Оба танка почвы и аэродинамической трубе приборами с датчиков технологий для непрерывного измерения в месте условий окружающей среды.

Introduction

Понимание взаимодействия между сушей и атмосферой имеет первостепенное значение для нашего понимания многих сегодняшних мировых проблем, таких как утечки геологически поглощенного диоксида углерода в почве, изменение климата, воды и продуктов питания, точного обнаружения мин и восстановление грунтовых вод и почвы. Кроме того, первичные обмен тепла и воды, которые управляют глобальным и региональным метеорологические условия возникают на поверхности Земли. Многие погодные и климатические явления (например, ураганы, Эль-Ниньо и # 241; о, засухи и т.д.) принципиально управляемые процессы, связанные с атмосферной поверхности суши взаимодействий ^1. Поскольку более половины поверхности суши на Земле засушливый или полузасушливый ^2-4, точно описывающий цикл воды в этих регионах на основе тепловых и водных обменов между атмосферным воздухом и поверхностью почвы имеет решающее значение для улучшения нашего понимания вышеупомянутые вопросы,особенно в регионах, уязвимых к затянувшейся засухи и опустынивания. Тем не менее, несмотря на десятилетия исследований, все еще ​​остается много пробелов в знаниях в современном понимании, как мелкой подземных и атмосфера взаимодействуют ^5.

Транспорт процессы с участием жидкой воды, водяного пара и тепла в почве являются динамичными и сильно связаны с относительно взаимодействия с почвой и исполнение граничные условия (т.е. температура, относительная влажность, тепловое излучение). Численные модели тепло- и массообмена обычно упрощать или выходят ряд этих сложностей отчасти из-за отсутствия тестирования и усовершенствования существующих теорий результате скудности данных высокого временного и пространственного разрешения. Наборы данных, разработанные для проверки модельного часто не хватает критического атмосферного или подземных информацию правильно протестировать теории, в результате численных моделей, которые не учитывают должным образом для импортамуравей процессы или зависеть от использования непонятных параметров, которые скорректированных или установлены в модели. Этот подход широко используется из-за своей простоты и легкости в использовании и имеет в некоторых приложениях, показанных много достоинств. Тем не менее, этот подход может быть повышена за счет более глубокого понимания физики за этими "сосредоточенными параметризации", выполняя также контролируемые эксперименты в переходных условиях, которые способны испытывать переноса тепла и воды теории ^6.

Тщательных экспериментов в лаборатории используется для точной наборы данных, которые будут созданы, которые впоследствии могут быть использованы для проверки численных моделей. Данные, имеющиеся на сайтах полевых часто являются неполными и дорого получить, и степень контроля, необходимых для получения глубокого понимания процессов и генерации данных для проверки модели можно считать неадекватным в некоторых случаях. Лаборатория эксперименты природных явлений, таких как испарение почвы позволяет Atmosсферного условия (т.е., температура, относительная влажность, скорость ветра) и почвенные условия (т.е., тип почвы, пористость, упаковка конфигурации) должны быть тщательно контролируется. Многие лабораторные методы, используемые для изучения испарения воды из почвы и почвы тепловые и гидравлические свойства используй разрушительную выборки ^7-10. Деструктивные методы отбора проб требует, чтобы образец почвы быть распакованы для получения данных точек, предотвращая измерение переходных процессов и нарушая физические свойства почвы; этот подход вводит ошибку и неопределенность в данных. Неразрушающие измерения, как метод, представленный здесь, позволяют более точного определения и изучения взаимозависимости свойств почвы и обрабатывает ^11.

Целью данной работы является разработка устройства танк почвы и связанного протокола для получения больших данных пространственным и временным разрешением, относящихся к воздействию изменения атмосферных и подземных условиях наголой почвы испарение. За эту работу, небольшой ветер туннель способен поддерживать постоянную скорость ветра и температуру сопряжена с устройством резервуара почвы. Аэродинамическая труба и бак почв приборами с набором состояния сенсорных технологий искусство для автономного и непрерывного сбора данных. Скорость ветра измеряется с использованием нержавеющей стали Пито-статической трубкой, прикрепленной к датчику давления. Температура и влажность контролируются в атмосфере с использованием двух типов датчиков. Также контролируются Относительная влажность и температура на поверхности почвы. Датчики в подземные измерения влажности почвы и температуры. Измерения веса аппарата резервуара используются для определения испарения через массового баланса воды. Чтобы продемонстрировать применимость этой экспериментальной установки и протокола, мы приведем пример испарения с обнаженной почвы при различных скоростях ветра. Бак почвы, упакованы однородно с хорошо охарактеризованной песка, изначально полностью саturated и позволил свободно испаряться при тщательно контролируемых атмосферных условиях (т.е. температура, скорость ветра).

Protocol

Примечание: Лабораторные испытания выполняют с использованием двумерного лабораторном масштабе бак сопряженную с климат-контролем в аэродинамической трубе аппарата. И масштаб бак скамейка и аэродинамической трубе приборами с различными сенсорных технологий. Следующий протокол будет сначала обсудить строительство и подготовку почвы, бак с последующим обсуждением аэродинамической трубе и приборов обоих. Размеры бак, размеры аэродинамической трубе, количество датчиков, и тип технологии датчика, представленные может быть изменен, чтобы удовлетворить потребности конкретной экспериментальной установки. Протокол, представленные ниже, используются экспериментально изучить влияние скорости ветра на испарение голой почвы.

1. Строительство и подготовка пористых средах почвы танк

1. Вырезать большой кусок 1,2 см толщиной акрилового стекла в пяти отдельных панелей. Соберите эти панели в открытой сверху резервуара почвы с длиной внутреннего, ширине и высоте 25, 9.1 и 55 см, соотвectively. Акрилового стекла позволяет процессы в недрах быть визуально.
2. Нарисуйте 5 х 5 сетку, составляет 25 см от 25 см на каждой из двух больших стекол (длина 25 см и высота 55 см), как показано на рисунке 1. Убедитесь, что каждый квадратный в сетке имеет площадь 25 см ² (Фигура 1). Сетка будет использоваться, чтобы правильно пространство датчиков в резервуаре почвы.

Рисунок 1: Схема спереди и сбоку бака почвы, используемой для экспериментальной установки (размеры в сантиметрах) () вид спереди резервуара почвы отображения сетки систему, состоящую из двадцати пяти 5 х 5 см. квадратов. (Б) вид сбоку резервуара почвы, показывая установленную температуру, относительную влажность и влаги в почве сенсорную сеть как функние глубины. Обратите внимание, что схемы не в масштабе.

3. На одном из больших стеклянных плоскостей, пробурить двадцать пять 1,9 см (¾ дюйма) отверстий диаметра для датчиков влажности почвы.
   1. Дрель каждое отверстие в центре каждого квадрата в сетке, установленной в пункте 1.2, так что центры отверстий двух примыкающих площадях 5 см друг от друга; Первый набор отверстий 2,5 см ниже верхней части бака. Используйте соответствующего размера краны сократить темы в каждой из вновь созданных отверстий. 5 см расстояние между датчиками гарантирует, что каждый датчик находится вне объема выборки следующего ближайшего датчика.
4. Точно так же, сверлить и нажмите в общей сложности двадцать пять 0,635 см (¼ дюйма) отверстий диаметром в центре каждого квадрата сетки окна, созданный в шаге 1.2. Убедитесь, что центр каждого отверстия отстоит 5 см друг от друга с первого ряда отверстий, расположенных на 2,5 см ниже верха резервуара почвы. 5 см расстояние между датчиками гарантирует, что каждый SЭнсор находится за пределами объема выборки следующего ближайшего датчика.
5. На акриловой панели, используемой в качестве нижней части бака, дрель и коснитесь одного ½ дюйма диаметр отверстия в середине панели. Клей сито (тоньше, чем тест почв, которые будут использоваться) более отверстие на внутренней стороне стекла. На внешней стороне нижней плоскости, установить колено 90 °, который прикреплен к гибкой трубки с регулируемым клапаном. Этот клапан и трубки используется для слива воды из бака при прекращении эксперимента или как способ, чтобы установить постоянные головные устройства для поддержания постоянного глубины грунтовых вод.
6. Используйте клей морской класса или аналогичной водостойкий полимерный клей для крепления и герметизации резервуара вместе, как показано на рисунке 1. Разрешить клей, чтобы вылечить за один день.
7. Чтобы поднять бак с земли и освободить место для 90 ° локтя (рис 1), прикрепите два дополнительных кусочков толщиной 1,2 см акрилового стекла с lengtH 12 см и высотой 5 см, на дне резервуара.

2. Строительство и подготовка климат-контролем Wind Tunnel

1. Построить длинный 215 выше по потоку часть аэродинамической трубе из оцинкованной стали прямоугольного воздуховода материала, который имеет ширину 8,5 см и высотой 26 см. Окружающего с внешней стороны канала с полистирольной изоляции.
2. Дрель небольшое отверстие в боковой части воздуховода работы вблизи нижнего выхода потоку части аэродинамической трубе для вставки относительной влажности датчика температуры (рисунок 2).

Рисунок 2:. Полный экспериментальная установка, в том числе бак, воздуховодов, датчиков сетки (размеры в сантиметрах) Заполните Экспериментальная установка комбинированного тоннеля ветра и почвы бака аппарата. Ветер туннельповышенных и находится на одном уровне с поверхностью резервуара почвы. Бак почвы приборами с сетью датчиков, используемых для измерения различных недр и атмосферных переменных. В сетевых круги представляют местоположения для вставки этих датчиков. Система отопления и вентилятор канал в линию используются для контроля температуры и скорости ветра, соответственно. Пито-статической трубка используется для измерения скорости ветра. Весь аппарат сидит на весовой шкале, чтобы получить баланс массы во время экспериментов. Следует отметить, что схема не в масштабе.

3. Установка пять керамических инфракрасных нагревательных элементов, расположенных параллельно в отражателе по длине входной части аэродинамической трубе. Подключите инфракрасные нагревательные элементы системы контроля температуры регулируемой с помощью инфракрасного датчика температуры.
4. Построить средней части аэродинамической трубе из двух 1,2 см толщиной акриловых панелей с длиной и высотой 25 см и 26 см соответственно.Дрель два 0,635 см (¼ дюйма) отверстий диаметром в один из середины сечения панелей для вставки температуры и / или относительной влажности датчики температуры, в местах, показанных на рисунке 2.
   1. Безопасный акриловые панели с верхней части цистерны почвы боковыми стенками (т.е. панели с размерами 25 см х 55 см) с использованием сильного клейкую ленту, гарантируя, что аэродинамическая труба и танковые почвы панели заподлицо друг с другом.
5. Построить первые 50 см дальше по потоку части аэродинамической трубе из того же размера прямоугольной воздуховодов материала, описанного в пункте 2.1. На завершающей стороной, уменьшить прямоугольную воздуховодов материал для круглого воздуховода 15,3 см в диаметре с длиной 170 см. Установите оцинкованная сталь заслонку, используется для регулировки скорости ветра, в дальнем нижнем конце круглого воздуховода для помощи в управлении скорости ветра.
6. Как и в шаге 2.2, пробурить одну 0,635 см отверстие диаметром в стороне вниз по течению прямоугольного воздуховода возле входа навведение относительной влажности датчика температуры. Дрель второй 0,635 см в диаметре отверстия от верхней части прямоугольного сечения вдоль осевой аэродинамической трубе.
7. Установите туннельного вентилятора в линию в середине круглого воздуховода (т.е. 85 см ниже по течению от сокращения, описанной в шаге 2.4), ориентированные, чтобы изгнать воздух из нижней частью аэродинамической трубе. Интерфейс вентилятор с переменной регулятора скорости для более точного управления частотой вращения и, как результат скорости ветра.
8. Используйте сварной материал и регулируемые блоки стеллажи, чтобы поднять и закрепить в аэродинамической трубе аппарата. Убедитесь, что нижний по потоку и ниже по потоку воздуховодов находятся на одном уровне с верхней части бака почвы (рисунок 2).

3. Установка датчиков

1. Перед установкой в ​​резервуаре почвы, обеспечить каждую влажности почвы и датчик температуры внутри корпуса с резьбой NPT (1,9 см и 0,635 см кожухи, соответственно) и SEаль с мигающим герметика, чтобы предотвратить вторжение влаги. Не используйте силиконовые продукты на основе герметика, как они могут помешать с электроникой внутри некоторых датчиков. Лечение датчики в течение примерно одной недели.
2. Перед установкой в емкости почвы, калибровки датчиков влажности почвы в соответствии с двухточечной α-перемешивания методике, разработанной Sakaki и др. ^12.
3. Оберните темы каждого корпуса ДНЯО с сантехников ленты перед установкой в ​​баке, чтобы помочь обеспечить лучшее уплотнение между резьбы NPT и акрилового стекла.
4. Установка в общей сложности 25 влажность почвы и датчиками температуры каждого горизонтально через стенки резервуара в местах, обсуждаемых в шаге 1.2. Крутите датчик кабели в синхронизации с ДНЯО арматура / корпуса, чтобы не повредить внутреннюю проводку в кабелях. Не слишком крутящий момент НПЦ, чтобы предотвратить стекло от трещин. Подключите датчики влажности почвы и датчики температуры с их назначенными данныхлесорубы.
5. Установка 3 относительно датчики влажности температуры на поверхности почвы на расстоянии 2,5, 12,5 и 21,5 см от передней кромки бака. Поместите датчики в хорошем контакте с поверхностью почвы, так что показания относительной влажности отражать условия на поверхности почвы, а не в окружающий воздух. Подключите датчики к регистрации данных.
6. Чтобы получить необходимую температуру воздуха и измерения относительной влажности в атмосфере, установить относительные датчики влажности температуры в разделе свободного потока аэродинамической трубе, используя отверстия, просверленные на входе и выходе секции аэродинамической трубы, а также панелей.
7. Установка Пито-статической трубкой непосредственно ниже по потоку от резервуара почвы через 0,635 см отверстием в верхней части нижнего участка аэродинамической трубы. Держите Пито-статической трубки на высоте 13 см от пола секции. Подключите Пито-статической трубки с датчиком дифференциального давления.
8. Калибре преобразователь дифференциального давления. Меры труб Пито-статической динамическое давление, которое определяется как разница стагнации и статических давлений. Перепад давления интерпретируется датчика давления как дифференциальное напряжение.
   1. Измерьте напряжение ни при каких условиях потока (напряжение должно быть примерно равно 0) и для потока известного динамического давления; это позволяет линейная зависимость быть установлены между динамическим давлением и напряжением. Определите скорость ветра, применяя уравнение Бернулли:
      (1)
      где V (м / с) скорости ветра, Р _{динамические} (Па) является динамическим давлением, а ρ (кг / м ³⁾ плотность воздуха.
   2. Сравнение скорости рассчитывают по уравнению (1) с другим устройством измерения. Вот, сравните Пито-статической дифференциальных трубки тра давленияnsducer с лазерной доплеровской скорости на LDV () измерений, который имеет точность ± 0,01 м / сек.
      Примечание: Резюме датчиков, используемых и связанных с ними частотами дискретизации можно найти в таблице 1 для спецификации сенсорных и другой информации, в прилагаемом списке материалов / оборудования..

Датчик	Датчик измерения	Количество датчиков, занятых в экспериментальной аппаратуры	Датчик Частота дискретизации (мин)
EC-5	Влажность почвы	25	10
ЭСТ	Почва / температура воздуха	25	10
SH-1	Тепловые свойства	1	10
Сверхвысокое напряжение	Относительная влажность / температура	10
Инфракрасная камера	Температура поверхности / испарения	1	1
Цифровая камера	Визуализация сушки перед	1	60
Пито трубка	Скорость ветра	1	10
Взвешивание шкалы	Накопительное испарения / скорость испарения	1	10

Таблица 1: Резюме датчиков, используемых в экспериментальной части настоящего исследования.

4. Упакуйте почву танк и подготовка к старту эксперимента

1. До упаковки бак с почвой, проверить его целостность, выполняя тест на утечку. Залить в бак с водой и подождать 4-6 часа, чтобы убедиться, что нет утечки в структуре или датчиков не разработали.
   1. Если утечка развиваться, слейте бак, дайте ему высохнуть в течение ночи и устранить утечки, используя тот же мArine клей, используемый во время оригинальной конструкции. Если утечки не развиваться, слейте бак почвы и подготовки к ниже шагов.
2. Определить общий объем танк с датчиками на месте. Тщательно заполнить бак с водой, используя мерный цилиндр, убедившись, что для записи количества добавленной воды. Преобразование записанного общий объем до кубических сантиметров для использования в шаге 4.5.
3. Получить сухую почву для упаковки бак почвы. Охарактеризовать гидравлические и тепловые свойства выбранного почвы отдельно в соответствии с методами, изложенными в Смитс и др. ¹¹
4. Осторожно мокрый пакет бак почвы, используя почву и деионизированной воды.
   1. Мокрому пакет бак почвы, сначала заливают примерно 5 см воды в бак. Медленно добавляют сухой почвы к воде в баке, используя совок, с шагом 2,5 см глубины. Запись веса песка, добавленного во каждого лифта так пористость упаковки почвы может быть вычислена.
   2. По завершениикаждого слоя, многократно нажмите стенки резервуара, используя резиновый молоток, в 100-200 раз, чтобы получить однородную объемную плотность по всей. В то время как постукивание, избегать контакта с датчиками и проводами датчиков. Применение вибрационных устройств следует избегать, чтобы не повредить сеть чувствительных датчиков.
5. После завершения упаковки бак, суммируются веса каждого слоя почвы (см Шаг 4.4), чтобы получить общую массу почвы. Разделить общую массу от объемной плотности почвы (например, объемную плотность кварцевого песка 2,65 г / см ^3), чтобы определить объем песка (V _с, см ^3). Рассчитать пористость (η, м ³ / м ³⁾ в почве в баке в соответствии с:
   (2)
   где (V _T, м ³⁾ Общий объем пустого резервуара определено на этапе 4.2.
<Li> После бак полностью упакованы, разместить пластиковую крышку, такие как Saran Wrap над баком до тех пор, пока эксперимент готов начать чтобы предотвратить начало испарения.
6. Поместите резервуар на весовой шкале контролировать совокупную потерю воды, которые могут быть, в свою очередь, используемый для расчета скорости испарения.
7. Рассчитывают часовую скорость испарения путем деления почасовой потерю веса продукта плотности воды и площади поперечного сечения испарительной поверхности.

5. Запустите эксперимент и начать сбор данных

1. После того, как установка будет завершена, определить желаемые атмосферные условия (т.е. температура, скорость ветра). Убедитесь, что регистратор данных и других систем сбора данных включен и в правильных интервалах выборки (например, каждые 10 минут).
2. Начните вентилятора и контроля температуры системы. Позвольте климатические условия, чтобы уравновесить до удаления пластиковой крышкой на поверхности сМасляный бак. Запустите эксперимент для требуемого периода времени (например, 15 дней).

Representative Results

Целью эксперимента, представленного здесь было изучение влияния скорости ветра на испарение из голой почве. Основные свойства испытываемого грунта, используемого в настоящем исследовании, приведены в Таблице 2. В серии экспериментов проводили в котором различные граничные условия на поверхности почвы (т.е., скорость ветра и температура) были применены (Таблица 3). Хотя были выполнены четыре эксперимента на различных скоростях и температурах ветра, большинство экспериментальных результатов представлены здесь для скорости ветра 1,22 м / с. Накопительное данные испарение показан для всех четырех экспериментов.

Условия упаковки	Сухая объемная плотность (Г см -3)	Воздушный запись давления (См H 2 O)	остаточное содержание воды (М 3 м -3)	Ван Genuchten
			Параметры модели *
			α (см -1)	п (-)
Плотно	1.79	16.1 / 22.5	0,028	0.04	20.53

Таблица 2: Основные свойства экспериментальных испытаний грунта используется.

Эксперимент Выполнить #	Средняя максимальная скорость ветра	Начальная температура на поверхности почвы	Конечная температура на поверхности почвы
	(М / с)		(° С)
1	0,55	27	31
2	1.22	26	33
3	3	29	37
4	3.65	33	44,5

Таблица 3: Экспериментальные скорости ветра применяется.

Время зависит от относительной влажности и температуры измеряют на поверхности почвы представлены на рисунке 3. Относительная влажность остается относительно постоянным на уровне около 0,80 в течение примерно двух дней до резко снижается в течение следующих четырех дней, за которые стабильно относительная величина влажности 0,35 получены. Температура поверхности почвы показывает возрастающую тенденцию в течение четырех дней перед стабилизируется. Эти тенденции наблюдались во всех четырех экспериментов и может быть объяснено вУсловия сушки почвы. Относительная влажность уменьшается в сочетании с уменьшением скорости испарения, так как меньше водяной пар присутствует в течение долгого времени. не с ростом температуры, как доступных воды уменьшается (т.е. уменьшается скорость испарения), так как процесс испарения больше не охлаждает поверхность почвы. В течение первых трех дней, относительная влажность воздуха ниже по потоку выше, чем выше по течению воздуха из-за наличия более водяного пара в результате испарения выше по течению. Эта тенденция была обратной позже, скорее всего, из-за кислородного датчика теряет контакт с поверхностью почвы; кабели датчиков являются гибкими, а иногда и тянуть датчик от поверхности почвы, изменение показаний влажности. Относительная влажность измеряется на выходе больше, чем измеряется вверх, так как процесс испарения вдоль первой 21,5 см резервуара увеличилось количество влаги, присутствующей в воздухе.

<IMG Alt = "Рисунок 3" SRC = "/ файлы / ftp_upload / 52704 / 52704fig3highres.jpg" ширина = "700" />
Рисунок 3: Относительная влажность и температура, измеренная на поверхности почвы (Эта цифра была изменена с Davarzani др. ^5).

Свободный поток температура воздуха в этом эксперименте была установлена ​​на постоянном значении 40 ° C с использованием ранее описанной системы регулирования температуры. В зависимости от времени температура и относительная влажность воздуха в свободном потоке, на высоте 8,5 см выше поверхности почвы, показаны на рисунке 4. Наблюдаемые суточные колебания температуры обусловлены изменчивостью нагревательных выходов в ответ на Температура измеряется с помощью инфракрасного датчика температуры, который регулирует систему контроля температуры (см Шаг 2.3). Суточных колебаний можно избежать, если это необходимо, путем установки инфракрасного датчика температуры до величины заданной температуры. Разница в атмосферныйтемпература по всей длине резервуара является результатом испарительного охлаждения (рис.4).

Рисунок 4: Относительная влажность и температура, измеренная 7,5 см выше поверхности почвы до и после бака (эта цифра была изменена с Davarzani др. ^5).

На фиг.5А, время зависит от температуры почвы показано на глубине 2,5 см, 7,5 см и 12,5 см ниже поверхности почвы, а также от температуры окружающей среды; Рисунок 1 для идентификации датчика. Как видно на рисунке 5а, температура поверхности и скорость ветра менее влиятельным на местных температур на больших глубинах. - Не показывая никакого эффекта на глубинах ниже 12,5 см Рисунок 5б показывает температуру как AFсоборование времени для трех датчиков, расположенных на глубине 2,5 см. Существует небольшая разница в температуре для датчиков на этой глубине с кислородного датчика 5, показывая высокую температуру, чем ниже по течению датчика 1. Это потому, что температура свободного потока всегда выше, чем выше вниз по течению (рис 4). Различия в температуре также приводит к асимметричным профилем насыщения в резервуаре почвы, как будет в дальнейшем показано на рисунке.

В

Рисунок 5: Эволюция измеренной температуры почвы в зависимости от времени (а) вертикально на середине резервуара и (б) горизонтально на глубину 2,5 см (эта цифра modifiред от Davarzani др. ^5).

Рисунок 6а показывает, зависящих от времени насыщения в зависимости от времени на глубине почвы в 2,5, 7,5, 12,5 и 17,5 см. Для глубинах более 12,5 см, насыщение остались на 100% в течение продолжительности эксперимента; ближе к поверхности почвы, однако, насыщенность со временем уменьшается. Насыщение показано на рисунке 6а может быть связано с различных этапах испарения (т.е. I этап и этап II), определяется различиями в скорости испарения, расположение передней сушки, и доминирующей транспортные механизмы ^14. Во время I этап испарения, передняя сушки быстро отступает от поверхности почвы, а гравитационные и вязких сил начинают доминировать капиллярные силы. Это наблюдается в первый день по уменьшению измеренного насыщения почвы по первой строке датчиками влажности почвы, соответствующих глубине 2,5 см. После 1-й день, скорость, с которой сушат передней совместноntinues отступить замедляется, как показано в постепенном формы кривых насыщения для датчиков 6-10, расположенных на глубине 7,5 см (рис 6а). Это знаменует переход испарения диффузии паров ограниченной Стадия II испарения. Начальная часть Этап II часто называют падающий период ставки ^15-17. В конце концов, кривые насыщения выровнять и изменить очень мало, как передняя сушки достигает глубины 12,5 см (например, датчик 13) День 3.

В

Рисунок 6: Эволюция Время измеряется насыщения подземных почвы () вертикально в середине резервуара и (б) по горизонтали на глубину 2,5 см (это Figurе была изменена с Davarzani др. ^5).

На фиг.6b показано насыщение в зависимости от времени для трех датчиков, расположенных на постоянной глубиной 2,5 см. Кривые насыщения почти идентичны и соответствуют по всей длине цистерны на этой глубине. Небольшое асимметричное распределение связано с разницей температур воздуха между вверх и вниз по течению участках аэродинамической трубе. С вверх по течению температура была последовательно на несколько градусов теплее, атмосферное спроса, на каких дисках испарение, будет выше, и, следовательно, было бы немного быстрее скорости сушки.

Фиг.7 показывает скорость ветра, среднее значение 1,22 м / с, в зависимости от времени. Наблюдается тенденция синусоидальной суточный в скорости ветра результатом изменений в атмосферных условиях, таких как атмосферное давление и плотность воздуха. Средняя скорость ветра была использована в работе по моделированию, потому что последствия diurNAL колебания атмосферных переменных, не были в центре внимания данного исследования. Это не означает, однако, не может быть использован, что зависимые от времени данных. В рамках серии экспериментов испарения, четыре различные скорости среднего ветра были применены; табл 3 для резюме. Рассчитанные числа Рейнольдса для всех экспериментов в этом исследовании были в пределах ламинарного и переходных режимов течения. Тем не менее, хорошо известно, что поверхностная турбулентность может влиять на скорость испарения ¹⁶ и должны быть рассмотрены в будущих исследованиях.

Рисунок 7: Время зависит от скорости ветра над поверхностью почвы со средним значением 1,22 м / сек ^{- 1} (Эта цифра была изменена с Davarzani др. ^5).

Эффект воздушного потока вбесплатно область жидкости (т.е. атмосфера) на кумулятивной испарения показано на рисунке 8. Совокупная испарения построены для четырех различных Free Flow средних скоростях ветра (VW) 0,50, 1,20, 3,00 и 3,60 м / сек. Результаты показывают, что скорость ветра имеет очень выраженный эффект на совокупный испарения и количество потерь воды во время различных этапов испарений. Как показано на фиг.8, увеличение скорости ветра увеличивает суммарное испарение. Сравнивая склоны кривых, наибольшее влияние было на начальной скорости испарения, здесь называют этапе 1. Этап 1 испарения часто определяется высокими и относительно постоянными скорости испарения ¹⁷ и преимущественно под влиянием атмосферного спроса, а не почвенных условий , Как скорость ветра дополнительно увеличивается от 3 до 3,6 м / сек, испарение, показывает гораздо меньше зависимость от постепенных изменений в скорости ветра, чем наблюдалось изменений при низких скоростях ветра. УвеличениеСкорость ветра приводит к увеличению I этап скорости испарения, одновременно уменьшая время перехода от стадии I к стадии II ^5. Влияние скорости ветра на испарение является менее значительным для Стадии II испарения, которая контролируется преимущественно в пористой среде. На этом этапе испарения контролируется скорость, с которой вода может быть передана на поверхность почвы с помощью диффузии, а не в атмосфере спроса.

Рисунок 8: Влияние различных средних скоростей ветра по кумулятивным испарения (Эта цифра была изменена с Davarzani др. ^5).

Discussion

Цель этого протокола заключается в разработке экспериментальной установки и связанные с ними процедуры для генерации высоких данных пространственным и временным разрешением, необходимых для изучения земельных атмосферного взаимодействия в отношении процессов тепло- и массообмена. Экспериментальная установка состояла из бака почвы и небольшой аэродинамической трубе, оба из которых были оснащены множеством датчиков для измерения соответствующих почвенных и атмосферных переменных (например, скорость ветра, относительная влажность, почва и температура воздуха и влажность почвы ). Ниже приведены некоторые из наиболее важных компонентов протокола, представленного в данном исследовании.

Размеры бак и датчик размещение были специально выбраны, чтобы максимизировать количество датчиков, используемых в то время как учет соответствующих объемов образцов датчика. Первый ряд датчиков 2,5 см ниже поверхности почвы из-за объема выборки каждого датчика (определяется как VOЛуме почвы вокруг датчика, в пределах которого изменение условий окружающей среды влияет на показания датчика). Датчики, расположенные в арматуры NPT, которые устанавливаются горизонтально через стенки резервуара почвы таким образом, чтобы провода датчика не в самой почве; все провода датчика находятся вне резервуара, предотвращая воды ченнелинг. Установка большой сети датчиков температуры и влажности почвы позволяет горизонтальные и вертикальные распределения этих переменных должны быть определены в прекрасном пространственным разрешением.

Размещение бак почвы на весовой шкале позволяет совокупная потеря воды и связанные испарения, которые будут определены с помощью баланса подход водных масс, описанной выше. Эти значения можно затем сравнить с скоростей испарения, полученных с помощью других методов, таких как комбинированного производства тепловой-импульса и разумный метод теплового баланса, используемого в Trautz др. ¹⁸

Аэродинамическая труба часть АппарАТУС состоит из трех частей - выше по потоку, вниз по течению и средней секции. Выше раздел используется для нагрева воздуха, прежде чем он нарисован над баком почвы в средней части с помощью системы регулирования температуры. Средняя часть аэродинамической трубе оснащен датчиком технологий для измерения температуры и относительной влажности. Вниз по течению часть аэродинамической трубе содержит Канальный вентилятор в линии и демпфер для управления скорость ветра, который контролируется с помощью Пито-статической трубки.

Применимость почвы танк в аэродинамической трубе описанного выше устройства был продемонстрирован в экспериментальной случае изучения эффектов скорости ветра на скорость испарения. Результаты показывают, что увеличение скорости ветра приводит к увеличению скорости испарения и укороченной продолжительности этапа I испарения. Увеличение скорости ветра за 3 м / сек однако, показывает, мало дополнительное воздействие на I этап испарения. II этап испарения, определяется в основном свойствами ØF пористой среды, по-видимому, не зависит от или только слегка зависит от скорости ветра.

Это экспериментальный протокол применяется к различным условиям окружающей среды, чтобы включить изменения в почвенных условиях (т.е. различные почвы, упаковки конфигураций, растительность и городскую среду), климат граничные условия (температура, скорость ветра, осадки) или подземных условий (например, изменения воды Уровни таблицу). Размеры и расположение датчика описанного аппарата может быть изменен, чтобы удовлетворить потребности различных экспериментов. Процедура упаковки описано выше, может быть аналогичным образом модифицировано для учета различных конфигураций, таких как упаковки различных условиях пористость и неоднородность почвы.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
ECH2O EC-5 Soil Moisture Sensor (25)	Decagon Devices Inc. Decagon.com	40593	For specifics visit: http://www.decagon.com/products/soils/volumetric-water-content-sensors/ec-5-soil-moisture-small-area-of-influence/. Sampling frequency on 10 minute intervals, accuracy is ±3%, and collect data using the Em50 dataloggers
ECT Soil/Air Temperature Sensor (19)	Decagon Devices Inc. Decagon.com	40651	For specifications visit http://www.decagon.com/products/canopy-atmosphere/temperature/ect-air-temperature/. Sampling frequency on 10 min intervals, accuracy is ±0.5 °C, Measure within a temperature of 5 and 40 °C, and collect data using the Em50 dataloggers
EHT Relative Humidity and Temperature Sensor (5)	Decagon Devices Inc. Decagon.com	N/A	Sampling Frequency on 10 min intervals, accuracy is ±3% between 5% and 100% relative humidity, and collect data using Em50 data loggers. For more information visit decagon.com
Em50 Data Logger (10)	Decagon Devices Inc. Decagon.com	40800	For specifics visit http://www.decagon.com/products/data-management/data-loggers/em50-digital-analog-data-logger/. ECH2O decagon devices, pulls data from the ECT, EC-5, and EHT sensors, and each data logger has 5 sensor connections and a com port that connects from the logger to USB to computer
Sartorius Weighing Scale (1)	Sartorius Corporation	11209-95	Sartorius Model 11209-95, Range = 65 kg, Resolution = ±1 g
Infrared SalamandernCeramic Radiative Heater (1)	Mor Electric Heating Assoc., Inc. http://www.morelectricheating.com/	FTE 500-240	5 heaters needed, adjust to get the right ambient/free-flow temperature
2104 Temperature Control System (1)	Chromalox	2104	Controls the heaters
Infrared Temperature Sensor Regulator (1)	Exergen Corporation	N/A	Monitors the heaters temperatures

Name	Company	Catalog Number	Comments
Stainless Steel Pitot-Static Tube (1)	Dwyer Instruments, Inc. http://www.dwyer-inst.com/	Series 160	For specifics visit http://www.dwyer-inst.com/Product/%20TestEquipment/PitotTubes/Series160. Sensor sampling frequency is every 10 minutes, must be connected to differential pressure transducer and anemometer, and convert the pressure data collected into win velocities using Bernoulli's equation.
1/2 inch Acrylic (1)	Colorado Plastics http://www.coloradoplastics.com/	N/A	Specific heat of 1,464 J kg-1 K-1, thermal conductivity of 0.2 W m-1 K-1, and a density of 1,150 kg m-3
Galvanized Steel Ducting Material (1)	Home Depot	N/A	Material used to build wind- tunnel, and both round and rectangular ducting were used in construction and connected using square-to-round reducer duct
Variable Speed Controller Connected to an In-Line Duct Fan (1)	Suncourt, Inc. http://www.suncourt.com/	VS200	15.3 cm in Diameter Placed in-line with round duct
Galvanized Steel Damper (1)	Home Depot	N/A	Used to control/reduce speeds in the wind tunnel for low velocity data
Accusand #30/40 (1)	Unimin Corporation http://www.unimin.com/	N/A	This sand is silica sand and is 99.8% quartz, its grain shape is classified as rounded, the uniformity coefficient is approximately 1.2, and the grain density is 2.66 g/cm3.