Het verkennen van de gevolgen van atmosferische forcering bij verdamping: Experimentele Integratie van de atmosferische grenslaag en ondiepe ondergrond
Summary
Een protocol voor het ontwerp en de bouw van een bodem tank gekoppeld aan een kleine klimaat gecontroleerde windtunnel om de effecten van atmosferische forcering bij verdamping studie wordt gepresenteerd. Zowel de bodem tank en windtunnel worden geïnstrumenteerd met sensor technologie voor de continue in situ meten van milieu-omstandigheden.
Abstract
Evaporation is directly influenced by the interactions between the atmosphere, land surface and soil subsurface. This work aims to experimentally study evaporation under various surface boundary conditions to improve our current understanding and characterization of this multiphase phenomenon as well as to validate numerical heat and mass transfer theories that couple Navier-Stokes flow in the atmosphere and Darcian flow in the porous media. Experimental data were collected using a unique soil tank apparatus interfaced with a small climate controlled wind tunnel. The experimental apparatus was instrumented with a suite of state of the art sensor technologies for the continuous and autonomous collection of soil moisture, soil thermal properties, soil and air temperature, relative humidity, and wind speed. This experimental apparatus can be used to generate data under well controlled boundary conditions, allowing for better control and gathering of accurate data at scales of interest not feasible in the field. Induced airflow at several distinct wind speeds over the soil surface resulted in unique behavior of heat and mass transfer during the different evaporative stages.
Introduction
Inzicht in de wisselwerking tussen het land en de sfeer is van cruciaal belang voor ons begrip van veel van de huidige problemen in de wereld, zoals het lekken van geologisch-afgezonderd kooldioxide in de bodem, klimaatverandering, water- en voedselvoorziening, de nauwkeurige opsporing van landmijnen, en de sanering van het grondwater en bodem. Bovendien, de primaire uitwisseling van warmte en water dat globale en regionale meteorologische omstandigheden rijden optreden op het aardoppervlak. Veel weer en klimaat verschijnselen (bijv, orkanen, El Ni & # 241; o, droogte, enz.) Worden voornamelijk gedreven door processen die verband houden met de atmosferische-landoppervlak interacties 1. Aangezien meer dan de helft van het landoppervlak van de aarde is dorre of semi-aride 2-4, nauwkeurig beschrijven van de watercyclus in deze regio's op basis van warmte en water uitwisseling tussen de atmosferische lucht en het grondoppervlak is van cruciaal belang voor het verbeteren van ons begrip van de bovengenoemde kwesties,met name in gebieden kwetsbaar voor langere droogte en woestijnvorming. Echter, ondanks decennia van onderzoek, is er nog steeds vele kennislacunes in het huidige begrip van hoe de ondiepe ondergrond en de sfeer interactie 5.
Transportprocessen van vloeibaar water, waterdamp, en warmte in de bodem zijn dynamisch en sterk gekoppeld met betrekking tot interacties met de bodem en afgedwongen randvoorwaarden (dwz temperatuur, relatieve vochtigheid, thermische straling). Numerieke warmte en massa-overdracht modellen vaak te simpel of kijken uit op een aantal van deze complexiteit deels te wijten aan een gebrek aan het testen en verfijning van bestaande theorieën als gevolg van een gebrek aan hoge temporele en ruimtelijke resolutie data. Datasets ontwikkeld voor model validatie zijn vaak ontbreekt kritische atmosferische of ondergrond informatie om goed te testen de theorieën, wat resulteert in numerieke modellen die niet goed zijn goed voor important processen of afhangen van het gebruik van slecht begrepen parameters die veranderd wordt aangebracht in het model. Deze aanpak wordt algemeen gebruikt vanwege zijn eenvoud en gebruiksgemak en in sommige getoonde veel verdienste toepassingen. Echter, deze benadering worden verbeterd door een beter begrip van de fysica achter deze "discrete parameterizaties" door het uitvoeren van goed gecontroleerde experimenten onder wisselende omstandigheden die geschikt voor het testen warmte- en waterafvoer theorie 6 zijn.
Zorgvuldig experimenteren in het laboratorium maakt nauwkeurige datasets te genereren die vervolgens kunnen worden gebruikt om numerieke te valideren. Gegevens beschikbaar vanaf onderzoekslocaties vaak onvolledig en kostbaar te verkrijgen, en de mate van controle die nodig is om een fundamenteel inzicht in de processen te verkrijgen en het genereren van gegevens voor modelvalidering kan onvoldoende worden geacht in sommige gevallen. Laboratorium experimenten van natuurverschijnselen zoals bodem verdamping toelaat atmosferische omstandigheden (dat wil zeggen, temperatuur, relatieve luchtvochtigheid, windsnelheid) en de bodemgesteldheid (dwz, bodemtype, porositeit, verpakking configuratie) worden zorgvuldig gecontroleerd. Veel laboratoriumtechnieken gebruikt om de bodem verdamping en bodem thermische en hydraulische eigenschappen te bestuderen gebruiken destructieve bemonstering 7-10. Destructieve bemonstering methoden vereisen dat een grondmonster worden uitgepakt punt gegevens te verkrijgen, waardoor de meting van voorbijgaande gedrag en het verstoren van de bodem fysische eigenschappen; Deze benadering introduceert fouten en onzekerheid data. Destructieve metingen, zoals de hier gepresenteerde methode, zorgen voor meer nauwkeurige bepaling en studie van de onderlinge afhankelijkheid van de bodemeigenschappen en processen 11.
Het doel van dit werk is om een bodem tank apparatuur en bijbehorende protocol voor de generatie van hoge ruimtelijke en temporele resolutie van gegevens met betrekking tot de effecten van veranderingen in de atmosfeer en de ondergrond condities op het ontwikkelenkale bodem verdamping. Voor dit werk, is een kleine wind tunnel staat het handhaven van een constante windsnelheid en de temperatuur gekoppeld aan een bodem tank apparaat. De windtunnel en bodem tank worden geïnstrumenteerd met een suite van state of the art-sensor technologie voor autonome en continue dataverzameling. Windsnelheid wordt gemeten met een roestvrijstalen statische Pitot-buis verbonden aan een druktransducer. Temperatuur en relatieve vochtigheid worden bewaakt in de atmosfeer met gebruik van twee sensoren. Relatieve vochtigheid en temperatuur worden ook gecontroleerd op het bodemoppervlak. Sensoren in de ondergrond mate bodemvochtigheid en temperatuur. Gewicht metingen van de tank apparaten worden gebruikt om verdamping te bepalen door middel van een water massabalans. Om de toepasbaarheid van deze experimentele apparatuur en protocol te tonen, geven we een voorbeeld van een kale bodem verdamping onder wisselende wind snelheid. De bodem tank, homogeen verpakt met een goed gekarakteriseerde zand, was aanvankelijk volledig saonverzadigde en vrijelijk onder zorgvuldig gecontroleerde atmosferische omstandigheden verdampen (temperatuur, windsnelheid).
Protocol
Representative Results
Discussion
Het doel van dit protocol werd een experimentele inrichting en bijbehorende procedures voor het genereren van hoge ruimtelijke en temporele resolutie gegevens voor het bestuderen land-atmosfeer interacties met betrekking tot warmte en massaoverdracht processen. De experimentele apparatuur beschreven bestond uit een bodem tank en een windtunnel, die beide uitgerust met een reeks sensoren voor het meten van relevante bodem en atmosferische variabelen (bijvoorbeeld windsnelheid, relatieve vochtigheid, bodem en luc…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gefinancierd door het Amerikaanse leger Bureau Onderzoek Award W911NF-04-1-0169, de Engineering Research and Development Center (ERDC) en de National Science Foundation subsidie EAR-1.029.069. Bovendien werd dit onderzoek ondersteund door een zomerprogramma's in Undergraduate Research verlenen van Colorado School of Mines. De auteurs willen Ryan Tolene en Paul Schulte bedanken voor hun bijdragen.
Materials
| 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 minute 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 minute 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 = 65kg, Resolution = ±1g |
| Infrared SalamandernCeramic Radiative Heater (1) | Mor Electric Heating Assoc., Inc. http://www.morelectricheating.com/ | FTE 500-240 | 5 heaters needed, adjust to ge thte 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 |
| 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 1464 J kg^-1K^-1, thermal conductivity of 0.2 W m^-1K-1, and a density of 1150 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. |
References
- Verstraete, M. M., Schwartz, S. A. Desertification and global change. Vegetatio. 91, 3-13 (1991).
- Warren, A., Adams, W. M., Goudie, A. S., Orme, A. R. Desertification. The Physical Geography of Africa. , 342-355 (1996).
- Katata, G., Nagai, H., Ueda, H., Agam, N., Berliner, P. R. Development of a land surface model including evaporation and adsorption processes in the soil for the land-air exchange in arid regions. J. Hydrometeorol. 8, 1307-1324 (2007).
- Davarzani, H., Smits, K. M., Tolene, R., Illangasekare, T. H. Study of the effect of wind speed on evaporation from soil through integrated modeling of atmospheric boundary layer and shallow subsurface. Water Resour. Res. 50, (2014).
- Heitman, J. L., Horton, R., Ren, T., Nassar, I. N., Davis, D. D. A test of coupled soil heat and water transfer prediction under transient boundary temperatures. Soil Sci. Soc. Am. J. 72 (5), 1197-1207 (2008).
- Gurr, C. G., Marshall, T. J., Hutton, J. T. Movement of water in soil due to a temperature gradient. Soil Sci. 74, 335-345 (1952).
- Nassar, I. N., Horton, R. Water transport in unsaturated non-isothermal salty soil: experimental results. Soil Sci. Soc. Am. J. 53, 1323-1363 (1989).
- Prunty, L., Horton, R. Steady-state Temperature Distribution in Nonisothermal unsaturated closed soil cells. Soil Sci. Soc. Am. J. 58, 1358-1363 (1994).
- Bachmann, J., Horton, R., Ren, T., van der Ploeg, R. R. Comparison of the thermal properties of four wettable and four water-repellent soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 65 (6), 1675-1679 (2001).
- Smits, K. M., Sakaki, T., Limsuwat, A., Illangasekare, T. H. Thermal conductivity of sands under varying moisture and porosity in drainage-wetting cycles. Vadose Zone J. 9, 1-9 (2010).
- Sakaki, T., Limsuwat, A., Smits, K. M., Illangasekare, T. H. Empirical two-point α-mixing Model for calibrating the ECH2O EC-5 soil sensor in sands. Water Resources Research. 44, W00D08 (2008).
- Shokri, N., Lehmann, P., Or, D. Evaporation from layered porous media. J. Geophys. Res. 115, B06204 (2010).
- Van Brakel, J., Mujumdar, A. S. Mass transfer in convective drying. Advances in Drying. 1, 217-267 (1980).
- Yiotis, A. G., Subos, A. G. B. o. u. d. o. u. v. i. s. A. K., Tsimpanogiannis, I. N., Yortsos, Y. C. The effect of liquid films on the drying of porous media. AIChE J. 50, 2721-2737 (2004).
- Ishihara, Y., Shimojima, E., Harada, H. Water vapor transfer beneath bare soil where evaporation is influenced by a turbulent surface wind. J. Hydrol. 131 (1-4), 63-104 (1992).
- Lehmann, P., Assouline, S., Or, D. Characteristic lengths affecting evaporative drying of porous media. Phys. Rev. E. 77 (5 Pt 2), 056309 (2008).
- Trautz, A. C., Smits, K. M., Schulte, P., Illangasekare, T. H. Sensible heat balance and heat-pulse method applicability to in situ soil-water evaporation. Vadose Zone J. 13, (2014).
