היכרות האפקטים של האטמוספרה Forcings באידוי: שילוב ניסיוני של שכבת האטמוספרה הגבול ומתחת לפני קרקע רדודה

Summary

פרוטוקול לתכנון והבנייה של טנק אדמת ממשק למנהרת רוח אקלים מבוקר קטנה כדי לחקור את ההשפעות של forcings אטמוספרה באידוי מוצג. שני מיכל האדמה ומנהרת רוחם instrumented עם טכנולוגיות חיישן למדידה רציפה באתרו של תנאים סביבתיים.

Introduction

הבנת יחסי הגומלין בין הקרקע והאווירה היא בעל חשיבות עליונה להבנת בעיות העולם הנוכחיות רבות כגון דליפה של בחינה גיאולוגית-מוחרם פחמן דו חמצני בקרקע, שינויי האקלים, מים ואספקת מזון, זיהוי מדויק של מוקשים שלנו, והתיקון של מי תהום ואדמה. בנוסף, הבורסות העיקריות של חום ומים המניעים את התנאים מטאורולוגיים עולמיים ואזוריים להתרחש בשטח של כדור הארץ. תופעות רבות מזג אוויר והאקלים (למשל, הוריקנים, אל ניקל & # 241; o, בצורות, וכו ') מונעים בעיקר על ידי תהליכים הקשורים באינטראקציות פני השטח באטמוספרה-קרקע ^1. ככל שיותר ממחצית משטח הקרקע על פני כדור הארץ הוא צחיח או צחיח- למחצה ^2-4, בצורה מדויקת המתאר את מחזור המים באזורים אלו על הבסיס של חילופי חום ומים בין האוויר באטמוספרה ופני הקרקע הוא קריטי לשיפור ההבנה שלנו הסוגיות האמורות,במיוחד באזורים חשופים לבצורת ומדבור מורחבים. עם זאת, למרות עשרות שנים של מחקר, יש עדיין יישארו פערי ידע רבים בהבנה הנוכחית של איך מתחת לפני הקרקע והאווירה הרדודה אינטראקציה ^5.

תהליכי תחבורה מעורבים מים נוזליים, אדי מים, וחום באדמה הם דינמיים וחזקה בשילוב עם הכבוד לאינטראקציות עם האדמה ונאכף תנאי שפה (כלומר, טמפרטורה, לחות יחסית, קרינת תרמית). דגמי העברת חום והמסה מספריים נפוץ פשטנות או להתעלם מספר המורכבויות האלה נובעות בחלקו חוסר הבדיקה והעידון של תאוריות קיימות נובעות ממחסור בנתונים ברזולוציה של זמן ומרחב גבוהים. מערכי נתונים שפותחו עבור אימות מודל לעתים קרובות חסרי מידע על אטמוספרה או מתחת לפני הקרקע קריטי לבחון כראוי את התיאוריות, וכתוצאה מכך מודלים מספריים שאינו חשבון כראוי ליבואתהליכים או נמלה תלויה בשימוש בפרמטרים הבינו היטב שמותאמים או מצויד במודל. גישה זו היא בשימוש נרחב בשל פשטותה וקלות שימוש ויש לו בחלק מהיישומים הראו הרבה הכשרון. עם זאת, גישה זו ניתן לשפר על ידי ההבנה טובה יותר של הפיזיקה שמאחורי "parameterizations להיכרך" אלה על ידי ביצוע ניסויים מבוקרים היטב בתנאים ארעיים המסוגלים חום בדיקות והעברת מים התאוריה ^6.

ניסויים זהירים במעבדה מאפשר מערכי נתונים דיוק להיות שנוצרו שלאחר מכן ניתן להשתמש כדי לאמת את המודלים מספריים. הנתונים זמינים מאתרי שדה הם לעתים קרובות לא שלמים ויקרים כדי להשיג, והמידה המסוימת של שליטה הנדרשת כדי להשיג הבנה בסיסית של תהליכים ולהפיק נתונים לאימות מודל יכולים להיחשב בלתי מספקים במקרים מסוימים. ניסויים מעבדה של תופעות טבע כגון אידוי קרקע מאפשר Atmosתנאי pheric (כלומר, טמפרטורה, לחות יחסית, מהירות רוח) ותנאי קרקע (כלומר, סוג הקרקע, נקבוביות, אריזת תצורה) להיות מבוקרים בקפידה. טכניקות מעבדה רבות המשמשות ללמוד אידוי קרקע ותכונות תרמיות והידראוליות אדמה להשתמש דגימה הרסנית ^7-10. שיטות דגימה הרסניות דורשות כי דגימת קרקע להיות פרקו לקבל נתונים נקודה, מניעת המדידה של התנהגות חולפת ושיבוש תכונות פיסיקליות אדמה; גישה זו מציגה שגיאה ואי ודאות לנתונים. מדידות הורסות, כמו השיטה שהוצגה כאן, לאפשר לנחישות ומחקר מדויקים יותר של התלות ההדדית של תכונות קרקע ומעבדת ^11.

המטרה של עבודה זו היא לפתח מנגנון טנק אדמה ופרוטוקול הקשורים לדור של נתונים ברזולוציה מרחב ובזמן גבוהים הנוגע להשפעות של שינויים באטמוספרה ותנאים תת הקרקע באידוי חשוף אדמה. עבור עבודה זו, מנהרת רוח קטנה מסוגלת לשמור מהירות רוח קבועה וטמפרטורת ממשק עם מנגנון טנק אדמה. מנהרת הרוח וטנק אדמתם instrumented עם חבילה של מדינה של טכנולוגיות חיישן אמנות לאיסוף נתונים אוטונומיים ורציף. מהירות רוח נמדדת באמצעות צינור פייט סטטי נירוסטה מחובר למתמר לחץ. טמפרטורה ולחות היחסית בפיקוח באווירה באמצעות שני סוגים של חיישנים. לחות וטמפרטורה יחסית גם בפיקוח על פני השטח האדמה. חיישנים בלחות קרקע המדד מתחת לפני הקרקע והטמפרטורה. מדידות משקל של מנגנון הטנק משמשות כדי לקבוע אידוי באמצעות מאזן מסת מים. כדי להדגים את תחולתו של מנגנון זה ניסיוני ופרוטוקול, אנו מציגים דוגמא של אידוי חשוף אדמה בתנאי מהירות רוח משתנים. טנק האדמה, ארוז הומוגנית עם חול מאופיין היטב, היה בתחילה sa מלאturated ואיפשר להתאדות באופן חופשי תחת תנאים אטמוספריים מבוקרים בקפידה (כלומר טמפרטורה, מהירות רוח).

Protocol

הערה: בדיקות מעבדה מתבצעת באמצעות טנק בקנה מידה דו ממדי ספסל ממשק עם מנגנון מנהרת רוח אקלים מבוקר. שני הטנקים בקנה מידה ספסל ומנהרת רוחם instrumented עם טכנולוגיות חיישן שונות. הפרוטוקול הבא ראשון ידון בבנייה וההכנה של טנק הקרקע, ואחריו דיון במנהרת הרוח והמכשור של שניהם. ממדי הטנק, ממדי מנהרת רוח, מספר החיישנים, וסוג טכנולוגית החיישן הציגו יכולים להיות שונה כדי להתאים לצרכימים של ניסיוני הגדרה ספציפית. הפרוטוקול המובא להלן שימש ללמוד בניסוי את ההשפעות של מהירות רוח באידוי חשופת אדמה.

1. בנייה והכנה של טנק קרקע נקבובית מדיה

1. לחתוך חתיכת זכוכית אקריליק עבה 1.2 סנטימטר גדול לחמש שמשות בודדות. להרכיב שמשות אלה לתוך טנק קרקע עם גג פתוח עם אורך פנימי, רוחב וגובה של 25, 9.1 ו -55 סנטימטרים, שו"תectively. זכוכית אקריליק מאפשרת תהליכים בתת הקרקע שנצפו מבחינה ויזואלית.
2. לצייר רשת 5 X 5 שהוא 25 סנטימטר על ידי 25 סנטימטר על כל אחד משתי שמשות הזכוכית הגדולות (אורך 25 סנטימטר וגובה 55 סנטימטרים), כפי שמוצג באיור 1. ודא שכל ריבוע בתוך הרשת יש שטח של 25 סנטימטר ² (איור 1). הרשת תשמש למרחב כראוי החיישנים בתוך טנק האדמה.

נוף מול סכמטי וצד של טנק הקרקע המשמש להגדרת הניסוי (ממדים בסנטימטרים) (א) צפה הקדמי של טנק האדמה בו מוצגות מערכת הרשת בהיקף של עשרים וחמישה 5 סנטימטרים X 5 סנטימטר: איור 1. ריבועים. המבט מהצד של מיכל האדמה (ב), המציג את הטמפרטורה המותקנת, לחות היחסית ורשת חיישן רטיבות הקרקע כfunction של עומק. שים לב שהשרטוטים אינם נמשכים סולם.

3. באחד ממטוסי הזכוכית הגדולים, לקדוח כולל של עשרים וחמישה 1.9 סנטימטר (¾ אינץ ') בקוטר חורים לחיישני לחות קרקע.
   1. לקדוח כל חור במרכז כל ריבוע ברשת הוקמה בשלב 1.2 כך שהמרכזים של החורים של שני ריבועים סמוכים הם 5 סנטימטר זה מזה; הסט הראשון של חורים הוא 2.5 סנטימטר מתחת לחלק העליון של המכל. השתמש ברזים בגודל המתאים כדי לחתוך חוטים לכל אחד מהחורים החדשים שנוצרו. המרווח של 5 סנטימטר בין החיישנים מבטיח כי כל חיישן הוא מחוץ לדגימת הנפח של החיישן הקרוב הבא.
4. באופן דומה, לקדוח והקש כולל של עשרים וחמישה .635 סנטימטר (¼ אינץ ') בקוטר חורים במרכזו של כל תיבת רשת שנוצרה במהלך שלב 1.2. ודא שמרכזו של כל חור במרווחים של 5 סנטימטר עם השורה הראשונה של חורים ממוקמים 2.5 סנטימטרים מתחת לחלק העליון של מיכל האדמה. המרווח של 5 סנטימטר בין החיישנים מבטיח כי כל זהאנסור הוא מחוץ לדגימת הנפח של החיישן הקרוב הבא.
5. בחלונית אקריליק משמשת כתחתית המכל, התרגיל והקש חור בקוטר ½ אינץ 'אחד באמצע חלונית. דבק מסך רשת (עדין יותר קרקעות המבחן לשימוש) מעל החור בצד הפנימי של הזכוכית. בצד החיצוני של המטוס התחתון, להתקין 90 ° מרפק שמחובר לצינור גמיש עם שסתום להתאמה. שסתום וצינור זה משמש לניקוז מים מהמכל בסיום ניסוי או כדרך להתקנת מכשירי ראש קבועים לשמירה על עומק מי תהום קבועה.
6. להשתמש בדבק כיתה ימי או דבק דומה עמיד במי פולימר לצרף ולאטום את המכל יחד כפי שמוצג באיור 1. אפשר הדבק לרפא ליום אחד.
7. כדי להעלות את הטנק משל הקרקע ולפנות מקום למרפק 90 מעלות (איור 1), לצרף שתי חתיכות נוספות של זכוכית אקריליק 1.2 סנטימטרים עובי עם lengtסנטימטר 12 שעות ו -5 סנטימטרים גובה לתחתית המכל.

2. בנייה והכנה של מנהרת רוח האקלים מבוקרת

1. לבנות את החלק במעלה הזרם ארוך 215 סנטימטר של מנהרת הרוח מחומר ducting פלדה מגולוונת מלבני שיש רוחב של 8.5 סנטימטר וגובה של 26 סנטימטר. הקף את החלק החיצוני של הצינור עם בידוד קלקר.
2. לקדוח חור קטן בצד השני של עבודת הצינור ליד היציאה במורד הזרם של החלק במעלה הזרם של מנהרת הרוח להחדרת חיישן לחות בטמפרטורה יחסי (איור 2).

איור 2:. ניסיוני הגדרה מלאה, כוללים טנק, לצינור, רשת חיישנים (ממדים בסנטימטרים) השלם להגדיר ניסוי של מנגנון מנהרת רוח ואדמת טנקים בשילוב. מנהרת הרוח היאגבוה ויושב מיושר עם פני השטח של טנק האדמה. טנק קרקע instrumented עם רשת של חיישנים המשמשים למדידת מגוון רחב של תת הקרקע ומשתנים באטמוספרה. חוגי הרשת מייצגים את המיקומים להוספת חיישנים אלה. מערכת בקרת חימום ומאוורר צינור-קו במשמשים לשליטה במהירות טמפרטורה ורוח, בהתאמה. הצינור פייט סטטי משמש למדידת מהירות רוח. כל המנגנון יושב על סולם שקלול להשיג מאזן מסה במהלך ניסויים. שים לב שסכמטי לא נמשך סולם.

3. התקן חמישה גופי חימום אינפרא אדום קרמיקה ממוקמים במקביל בתוך רפלקטור לאורכו של החלק במעלה הזרם של מנהרת הרוח. חבר את גופי חימום אינפרא אדום למערכת בקרת טמפרטורה מוסדרת על ידי חיישן טמפרטורה אינפרא אדום.
4. לבנות אמצע הקטע של מנהרת הרוח משני 1.2 סנטימטר פנלי אקריליק עבים באורך וגובה של 25 סנטימטר ו- 26 סנטימטרים בהתאמה.לקדוח שני .635 סנטימטר (¼ אינץ ') בקוטר חורים באחד הפנלים באמצע הקטע להכניס טמפרטורה ו / או חיישני לחות בטמפרטורה יחסי במקומות שמוצגים באיור 2.
   1. אבטח את לוחות אקריליק לחלק העליון של קירות צד טנק קרקע (כלומר, פנלים עם ממדים של 25 סנטימטרים X 55 סנטימטרים) באמצעות דבק חזק, על מנת להבטיח כי מנהרת הרוח ופנלים טנק האדמה לשבת סומק אחד עם השני.
5. לבנות 50 סנטימטרים הראשונים של החלק במורד הזרם של מנהרת הרוח מחומר התעלות מלבניות אותו גודל שמתואר בשלב 2.1. בצד מסתיים, להפחית את חומר תעלות המלבני לצינור עגול 15.3 סנטימטרים קוטר עם אורך של 170 סנטימטר. התקן מנחת פלדה מגולוונת, המשמש לכוונון מהירות רוח, בסופו של הדבר הרבה במורד הזרם של הצינור העגול לסיוע בבקרת מהירות רוח.
6. כמו בשלב 2.2, לקדוח חור בקוטר סנטימטר אחד .635 בצד השני של הצינור המלבני במורד הזרם בסמוך לכניסה להחדרת חיישן לחות בטמפרטורה יחסי. לקדוח חור בקוטר .635 סנטימטר שני מהחלק העליון של הצינור המלבני לאורך האמצע של מנהרת הרוח.
7. התקן אוהד צינור בקו-באמצע הצינור העגול (כלומר, 85 סנטימטר במורד הזרם מהירידה המתוארת בשלב 2.4) אוריינטציה לגרש אוויר מהחלק במורד הזרם של מנהרת הרוח. ממשק אוהד עם בקר מהירות משתנה לשליטה מדויקת יותר של תדירות סיבוב וכתוצאת מהירות רוח.
8. להשתמש בחומר weldment ויחידות מדפים מתכווננים לרומם ולהבטיח את מנגנון מנהרת רוח. ודא שהתחתית לצינור במורד הזרם מיושר עם החלק העליון של מיכל האדמה (איור 2).

3. התקנת חיישנים

1. לפני ההתקנה בתוך טנק האדמה, לאבטח כל לחות קרקע וחיישן טמפרטורה בתוך דיור NPT הליכי (1.9 סנטימטר וסנטימטר .635 מעטה, בהתאמה) וseאל עם איטום מהבהב כדי למנוע חדירת לחות. אין להשתמש במוצרי איטום מבוסס סיליקון כפי שהם יכולים להפריע לאלקטרוניקה בתוך כמה חיישנים. לרפא את החיישנים כלשבוע.
2. לפני ההתקנה במכל האדמה, לכייל את חיישני רטיבות קרקע בהתאם לשיטת לישת α שתי נקודות שפותחה על ידי Sakaki et al. ^12.
3. לעטוף את החוטים של כל דיור NPT עם קלטת שרברבים לפני ההתקנה במכל כדי לעזור לספק חותם טוב יותר בין השחלה NPT וזכוכית אקריליק.
4. התקן כולל של 25 חיישני רטיבות קרקע וטמפרטורה כל אופקי דרך הקירות של הטנק במיקומים שנידונו בשלב 1.2. לסובב את כבלי החיישן מסונכרנים עם הולם / דיור NPT כדי לא לגרום נזק לחיווט הפנימי בתוך הכבלים. אל NPTs כדי למנוע מעל מומנט הזכוכית מפיצוח. חבר את חיישני רטיבות קרקע וחיישני טמפרטורה לנתונים שיועדו להםחוטבי עצים.
5. התקן 3 חיישני לחות בטמפרטורה יחסי על פני הקרקע במרחקים של 2.5, 12.5 ו 21.5 סנטימטר מהקצה המוביל של הטנק. הנח את החיישנים בקשר טוב עם משטח הקרקע, כך שקריאת לחות היחסית משקפת את התנאים על פני השטח קרקע ולא באוויר שמסביב. חבר את החיישנים לאוגרי נתונים.
6. כדי להשיג את הטמפרטורה הנדרשת האוויר ומדידות לחות היחסית באווירה, להתקין חיישני לחות בטמפרטורה יחסי בזרימה החופשית של סעיף מנהרת הרוח, באמצעות החורים שנקדחו דרך קטעי מעלה או במורד מנהרת הרוח, כמו גם את הלוחות.
7. התקן צינור פייט סטטי ישירות במורד זרם של טנק האדמה דרך החור שנקדח .635 סנטימטר בחלק העליון של סעיף מנהרת רוח במורד הזרם. החזק את הצינור פייט-סטטית בגובה של 13 סנטימטרים מהרצפה של הסעיף. חבר את הצינור פייט-סטטית למתמר לחץ ההפרש.
8. Calibratדואר מתמר לחץ ההפרש. הלחץ דינמי אמצעי צינור פייטו-סטטית אשר מוגדר כהפרש של הקיפאון ולחצי סטטי. ההפרש הלחץ מתפרש על ידי מתמר הלחץ כהפרש מתח.
   1. מדוד את המתח בשום תנאי זרימה (מתח צריך להיות שווה בערך 0) ולזרימה של לחץ דינמי ידוע; זה מאפשר קשר לינארי שיוקם בין לחץ ומתח דינמיים. לקבוע מהירות רוח על ידי יישום המשוואה של ברנולי:
      (1)
      שבו V (מ '/ שנייה) היא מהירות רוח, לחץ דינמי _דינמי P (אבא) הוא, וρ (קילוגרם / מ ³⁾ היא צפיפות האוויר.
   2. השווה את המהירות מחושבת באמצעות משוואה (1) עם מכשיר מדידה אחרת. כאן, להשוות tra לחץ ההפרש הצינור פייט-סטטיתnsducer עם הלייזר דופלר velocimetry (LDV) מדידות שיש דיוק של ± 0.01 מ '/ שנייה.
      הערה: ניתן למצוא סיכום של חיישנים המועסקים ותדרי הדגימה הקשורים בם בטבלה 1 לקבלת מפרטי חיישן ומידע נוסף, עיין בחומרים מצורפים / רשימת הציוד..

חיישן	מדידות חיישן	מספר חיישנים המועסקים במכשירים ניסויי	תדר דגימת החיישן (דקות)
EC-5	לחות קרקע	25	10
ECT	אדמה / טמפרטורת אוויר	25	10
SH-1	תכונות תרמיות	1	10
EHT	לחות יחסית / טמפרטורה	10
מצלמת אינפרא אדום	טמפרטורת פני השטח / אידוי	1	1
מצלמה דיגיטלית	ויזואליזציה של חזית ייבוש	1	60
צינור סטטי פיתות	מהירות רוח	1	10
בקנה מידה שקילה	אידוי / שיעור אידוי מצטבר	1	10

טבלה 1: סיכום של חיישנים המשמשים בחלק ניסיוני של מחקר הנוכחי.

4. חבילת קרקע הטנק ולהתכונן לתחילת הניסוי

1. לפני אריזת המכל עם אדמה, לבדוק את שלמותה על ידי ביצוע בדיקת דליפה. מלא את המכל עם מים ולחכות 4-6 שעות כדי לוודא ששום דליפות במבנה או החיישנים פיתחו.
   1. אם הדלפות לפתח, לנקז את המכל, הנח לו להתייבש במשך הלילה ולתקן דליפות באמצעות אותה מ 'דבק arine שימוש במהלך הבנייה מקורית. אם אין דליפות לפתח, לנקז את מיכל האדמה ולהתכונן לשלבים הבאים.
2. לקבוע את הנפח הכולל של הטנק עם חיישנים במקום. למלא בזהירות את המכל עם מים באמצעות גליל סיים, והקפד לרשום את כמות מים המוסף. להמיר את הנפח הכולל שנרשם לסמ"ק לשימוש בשלב 4.5.
3. להשיג אדמה יבשה לארוז טנק האדמה. לאפיין את התכונות הידראוליות ותרמית של האדמה נבחרה בנפרד בהתאם לשיטות שנדונו בet al סמיתס. ¹¹
4. זהירות רטובה לארוז טנק האדמה באמצעות אדמה ומים ללא יונים.
   1. , כדי להרטיב לארוז טנק האדמה לשפוך ראשון כ 5 סנטימטר של מים לתוך הטנק. לאט לאט להוסיף אדמה יבשה למים במכל, באמצעות הסקופ, במרווחי עומק 2.5 סנטימטר. רשום את המשקל של החול הוסיף במהלך כל מעלית כך הנקבוביות של אריזת האדמה יכולה להיות מחושבת.
   2. עם ההשלמהשל כל שכבה, הקש שוב ושוב על קירות המכל באמצעות פטיש גומי, 100-200 פעמים, כדי להשיג צפיפות בצובר אחידה לאורך כל דרך. בעוד הקשה, להימנע ממגע עם החיישנים וחוטי חיישן. השימוש במכשירי רטט יש להימנע כדי לא לגרום נזק לרשת של חיישנים רגישים.
5. עם השלמת אריזת הטנק, לסכם יחד המשקולות של כל שכבת אדמה (ראה שלב 4.4) כדי לקבל את המסה הכוללת של קרקע. מחלקים את המסה הכוללת של הצפיפות בצובר של אדמה (למשל הצפיפות בצובר של חול קוורץ היא 2.65 גר '/ סנטימטר ³⁾ כדי לקבוע את עוצמת הקול של החול (V _של, ³ סנטימטר). חישוב הנקבוביות (η, מ ^'3/3 מ') של האדמה במכל על פי:
   (2)
   שם (V _T, מ ^'3) הוא הנפח הכולל של המכל הריק שנקבע בשלב 4.2.
<li> ברגע שהטנק הוא ארוז באופן מלא, למקם כיסוי פלסטיק כגון ניילון נצמד מעל הטנק עד הניסוי הוא מוכן להתחיל כדי למנוע ההתפרצות של אידוי.
6. מניחים את המכל בקנה מידת שקלול לפקח אובדן מים מצטבר שיכול בתורו לשמש לחישוב שיעור אידוי.
7. לחשב את שיעור אידוי לשעה על ידי חלוקת המשקל לשעה על ידי המוצר של הצפיפות של מים ואזור חתך הרוחב של פני השטח מתאדה.

5. להתחיל את הניסוי ובגין איסוף נתונים

1. ברגע שההגדרה היא מוחלטת, לקבוע את התנאים הרצויים באטמוספרה (טמפרטורה כלומר, מהירות רוח). ודא שאוגרי נתונים ומערכות נתונים רכישה אחרות מופעלים ומוגדר המרווחים הנכונים דגימה (למשל, כל 10 דקות).
2. להפעיל את מערכת אוהד ובקרת הטמפרטורה. לאפשר תנאי האקלים לאזן לפני הסרת כיסוי הפלסטיק על פני השטח של יםמיכל שמן. הפעל את הניסוי לכל האורך הרצוי של זמן (למשל, 15 ימים).

Representative Results

מטרת הניסוי שהוצג כאן הייתה כדי לחקור את ההשפעה של מהירות רוח באידוי מאדמה חשופה. מאפיינים עיקריים של אדמת המבחן השתמשה במחקר הנוכחי מסוכמים בטבלה 2. סדרה של ניסויים בוצעו שבתנאי שפה שונות על פני השטח האדמה (כלומר, מהירות רוח וטמפרטורה) יושמו (לוח 3). למרות ארבעה ניסויים במהירויות רוח שונות וטמפרטורות בוצעו, רוב תוצאות ניסויים שהוצגו כאן הם למהירות רוח של 1.22 מ '/ שנייה. נתוני אידוי מצטברים מוצגים לכל ארבעת ניסויים.

תנאי אריזה	צפיפות בצובר יבש (-3 סנטימטרים ז)	לחץ אוויר כניסה (סנטימטרים H 2 O)	תוכן תוחלת "3"> שיורי מים (מ '3 מ' -3)	ואן Genuchten
			פרמטרי מודל *
			α (-1 סנטימטר)	n (-)
הדוק	1.79	16.1 / 22.5	0.028	0.04	20.53

טבלה 2: מאפיינים עיקריים של אדמת מבחן ניסוי נעשה שימוש.

ניסוי # הפעלה	מהירות רוח המרבית ממוצעת	טמפרטורה ראשונית על פני קרקע	טמפרטורה סופית על פני קרקע
	(מ '/ שנייה)		(° C)
1	0.55	27	31
2	1.22	26	33
3	3	29	37
4	3.65	33	44.5

טבלה 3: מהירויות רוח ניסיוניות מיושמות.

זמן תלוי לחות היחסית וטמפרטורה שנמדדה על פני השטח הקרקע מוצגים באיור 3. לחות היחסית נשארה קבועה יחסית בסביבות 0.80 לכ יומיים לפני תלילות ירידה בארבעת הימים הבאים, שמעבר לו ערך לחות יחסי יציב של 0.35 הוא הושג. הטמפרטורה של פני השטח האדמה מציגה מגמת עלייה על פני תקופה של ארבעה ימים לפני הייצוב. מגמות אלו נצפו בכל ארבעת הניסויים ויכולות להיות מוסברות במבחינת ייבוש הקרקע. לחות יחסית מקטינה בשיתוף עם ירידה בשיעור אידוי כי יש אדי מים פחות הנוכחיים לאורך זמן. הטמפרטורה עולה כירידות הזמינות מים (כלומר, ירידת שיעור אידוי), כי התהליך של אידוי כבר לא מתקרר על פני הקרקע. במהלך שלושת הימים הראשונים, לחות היחסית של אוויר במורד הזרם גבוהה יותר מאוויר במעלה הזרם בשל נוכחותם של יותר אדי מים כתוצאה מאידוי במעלה הזרם. מגמה זו התהפכה בהמשך, ככל הנראה בשל החיישן במעלה הזרם לאבד מגע עם משטח הקרקע; כבלי החיישן גמישים ומדי פעם למשוך את החיישן מפני הקרקע, שינוי קריאת לחות. לחות היחסית נמדדה במורד הזרם גדולה יותר מזה שנמדד במעלה הזרם, כי התהליך של אידוי לאורך 21.5 סנטימטר הראשון של הטנק הגדיל את כמות הנוכחית לחות באוויר.

<img alt = "איור 3" src = "/ קבצים / ftp_upload / 52,704 / 52704fig3highres.jpg" width = "700" />
איור 3: לחות יחסית וטמפרטורה שנמדדה על פני הקרקע (נתון זה שונה מet al Davarzani ^5.).

טמפרטורת אוויר הזרימה החופשית בניסוי זה נקבעה לערך קבוע של 40 מעלות צלזיוס באמצעות מערכת בקרת הטמפרטורה שתוארה קודם לכן. הטמפרטורה תלוית הזמן והלחות היחסית של האוויר בזרימה החופשית, בגובה של 8.5 סנטימטרים מעל פני הקרקע, מוצגות באיור 4. התנודות יומי נצפו בטמפרטורה בשל השתנות תפוקות דוד בתגובה ל הטמפרטורה שנמדדה על ידי חיישן הטמפרטורה אינפרא אדום המסדיר את מערכת בקרת הטמפרטורה (ראה שלב 2.3). ניתן להימנע מתנודות יומית, אם תרצו בכך, על ידי הגדרת חיישן הטמפרטורה אינפרא אדום לערך טמפרטורת סט. ההבדל באטמוספרהטמפרטורה לאורך הטנק היא התוצאה של קירור באידוי (איור 4).

איור 4: לחות יחסית וטמפרטורה שנמדדה 7.5 סנטימטרים מעל פני הקרקע במורד זרם של הטנק (נתון זה שונה מDavarzani et al ^5.).

בציור 5a, טמפרטורת הקרקע תלויה הזמן מוצגת למעמקים של 2.5 סנטימטר, 7.5 סנטימטר וסנטימטר 12.5 מתחת לפני שטח האדמה, כמו גם טמפרטורת הסביבה; ראה איור 1 לזיהוי חיישן. כפי שניתן לראות באיור 5 א, טמפרטורת פני השטח ומהירות רוח פחות משפיעים בטמפרטורות מקומיות בעומקים גדולים יותר -. מראה שום השפעה בעומקים מתחת 12.5 סנטימטר איור 5 מציג טמפרטורה כAFהמשיחה של זמן לשלושה חיישנים הנמצאים בעומק של 2.5 סנטימטר. יש הבדל קל בטמפרטורת חיישנים בעומק זה עם החיישן במעלה הזרם 5 מראה טמפרטורה גבוהה מהחיישן במורד הזרם 1. סיבה לכך היא הזרימה החופשית הטמפרטורה היא תמיד גבוה יותר מאשר במעלה הזרם במורד הזרם (איור 4). ההבדלים בטמפרטורה גם תוצאות בפרופיל הרוויה סימטרית במכל האדמה כפי שנראים בהמשך.

B

איור 5: אבולוציה של טמפרטורת קרקע נמדדה כפונקציה של זמן (א) בצורה אנכית באמצע הטנק וmodifi (ב) בצורה אופקית בעומק של 2.5 סנטימטר (נתון זה כבראד מDavarzani et al. ^5).

איור 6 א מציג את הרוויה תלוית הזמן לעומת זמן בעומקי אדמה של 2.5, 7.5, 12.5, 17.5 סנטימטר ו. לעומקים גדולים יותר מ -12.5 סנטימטר, הרוויה נשארה לתקופת הניסוי של 100%; קרוב יותר אל פני השטח האדמה עם זאת, הרוויה ירדה לאורך זמן. הרוויה מוצגת באיור 6 א יכולה להיות קשורה לשלבים השונים של אידוי (כלומר שלב I ושלב II), שהוגדר על ידי הבדלים בשיעורי אידוי, מנגנוני מיקום של חזית הייבוש, ותחבורה דומיננטית ^14. במהלך השלב אני אידוי, מול הייבוש במהירות נסוג ממשטח האדמה ככוחות הכבידה וצמיג מתחילים לשלוט כוחות נימים. זה שנצפה ביום הראשון על ידי הירידה שנמדדה ברווית קרקע על ידי השורה הראשונה של חיישני רטיבות קרקע המתאימים לעומק של 2.5 סנטימטר. לאחר יום 1, שבשיתוף קדמי ייבוש השיעורntinues לסגת מאטה כפי שמוצג בצורה ההדרגתית של העקומות הרוויה לחיישנים 6-10 נמצאים בעומק של 7.5 סנטימטר (איור 6 א). זה מסמן את המעבר של אידוי לאידוי השלב השני מוגבל דיפוזיה אדים. החלק הראשון של השלב השני נקרא לעתים קרובות תקופת התעריף נופלת ^15-17. סופו של דבר, העקומות הרוויה ליישר ולשנות מעט מאוד כחזית הייבוש מגיעה לעומק של 12.5 סנטימטר (למשל, חיישן 13) על ידי יום 3.

B

איור 6: אבולוציה זמן של רוויה אדמה מתחת לפני הקרקע נמדדה (א) אנכי באמצע הטנק ו- (ב) בצורה אופקית בעומק של 2.5 סנטימטר (figur זהדואר שונה מDavarzani et al. ^5).

6b איור מראה רוויה לעומת זמן לשלושה חיישנים הממוקמים בעומק קבוע של 2.5 סנטימטר. העקומות הרוויה הן כמעט זהות ועקביות בכל אורכו של הטנק בעומק זה. ההפצה סימטרית הקלה בשל הבדלי טמפרטורת האוויר בין החלקים במורד הזרם של מנהרת הרוח. מאז טמפרטורות במעלה הזרם היו באופן עקבי בכמה מעלות ביקוש חם, אטמוספרה, אשר מניעה אידוי, תהיה גבוהות יותר, ולכן לא יהיה שיעור מעט מהיר יותר של ייבוש.

איור 7 מראה מהירות רוח, ערך ממוצע של 1.22 מ '/ שנייה, כפונקציה של זמן. המגמה היומית סינוסי נצפתה במהירות הרוח היא התוצאה של שינויים בתנאים אטמוספריים כגון לחץ הברומטרי וצפיפות אוויר. מהירות הרוח הממוצעת שימשה במאמצי דוגמנות בגלל ההשפעות של diurתנודות סופיות של משתנים באטמוספרה לא היו המוקד של המחקר הנוכחי. זה לא אומר עם זאת, לא ניתן היה להשתמש כי נתונים תלויי זמן. כחלק מהסדרה של ניסויי אידוי, ארבע מהירויות ממוצעת רוח שונות יושמו; ראה טבלה 3 לסיכום. מספרי ריינולדס מחושבים לכל הניסויים במחקר זה היו בתוך מינרית וזרימת משטרי מעבר. עם זאת, הוא גם יודע שמערבולת משטח יכולה להשפיע על שיעורי אידוי ¹⁶ ויש להתייחס במחקרים עתידיים.

איור 7: זמן תלוי מהירות רוח מעל פני הקרקע עם ערך ממוצע של 1.22 מ '/ שנייה ^{- 1} (נתון זה שונה מDavarzani et al ^5.).

ההשפעה של זרימת האוויר בהאזור החופשי הנוזל (כלומר אווירה) באידוי מצטבר מוצג באיור 8. אידוי מצטבר הוא להתוות לארבע מהירויות שונות זרימה חופשית ממוצעת רוח (פולקסווגן) של 0.50, 1.20, 3.00 ו3.60 מ '/ שנייה. תוצאות מראות כי יש מהירות רוח השפעה מאוד בולטת באידוי מצטבר והסכום של אובדן מים בשלבים השונים באידוי. כפי שניתן לראות באיור 8, הגדלת מהירות הרוח מגביר את האידוי המוחלט. על ידי השוואת מורדות העיקולים, ההשפעה הגדולה ביותר הייתה בשיעור האידוי הראשוני, כאן המכונה שלב 1. שלב אידוי 1 מוגדר לעתים קרובות על ידי שיעורי אידוי גבוהים וקבועים יחסית ¹⁷ ומושפע בעיקר על ידי ביקושים באטמוספרה ולא תנאי קרקע . כמהירות רוח היא גדלה עוד יותר 3-3.6 מ '/ שנייה, אידוי מראה הרבה פחות תלות בשינויים מצטברים במהירות רוח מאשר נצפה לשינויים במהירויות רוח נמוכות. הגדלתמהירות רוח מובילה לעלייה בשיעור אידוי השלב I תוך הפחתת זמן מעבר משלב I לשלב II ⁵ בו זמנית. ההשפעה של מהירות רוח באידוי היא פחות משמעותית לאידוי השלב השני הנמצא בשליטה בעיקר על ידי המדיום הנקבובי. בשלב זה, האידוי נשלט על ידי בקצב שבי מים יכולים להיות מועבר על פני הקרקע באמצעות דיפוזיה ולא ביקוש באטמוספרה.

איור 8: ההשפעה של מהירות רוח ממוצעת שונה באידוי מצטבר (נתון זה שונה מDavarzani et al ^5.).

Discussion

המטרה של פרוטוקול זה הייתה לפתח מנגנון ניסיוני ונהלים הקשורים לדור של נתונים ברזולוציה גבוהים מרחב ובזמן הנדרש ללימוד אינטראקציות ארץ-אטמוספרי ביחס לחום ותהליכי העברה המוניים. המנגנון הניסיוני תיאר כלל טנק אדמה ומנהרת רוח קטנה, אשר שניהם היו לבוש עם מערך של חיישנים למדידת משתני קרקע ואטמוספרה רלוונטיים (למשל, מהירות רוח, לחות יחסית, קרקע וטמפרטורת אוויר ולחות קרקע ). להלן חלק מהרכיבים הקריטיים ביותר של הפרוטוקול שהוצג במחקר זה.

מיקום ממדי טנק וחיישן נבחר במיוחד כדי למקסם את מספר החיישנים המועסקים תוך התחשבות בכרכי מדגם בהתאמה של החיישן. השורה הראשונה של חיישנים היא 2.5 סנטימטר מתחת לפני שטח האדמה בשל כל חיישן נפח הדגימה (המוגדר כVOlume של אדמה סביב החיישן, שבתוכו שינוי בתנאים סביבתיים משפיע על קריאות החיישן). החיישנים, ממוקמים באבזרי NPT, מותקנים אופקי דרך הקירות של טנק האדמה, כך שחוטי החיישן אינם באדמה עצמה; כל חוטי החיישן הם מחוץ לטנק, מניעת תקשור מים. ההתקנה של רשת גדולה של חיישני טמפרטורה ולחות הקרקע מאפשרת החלוקה אופקית ואנכית של משתנים אלו שתיקבע ברזולוציה מרחבית בסדר.

הצבת מיכל האדמה בקנה מידת שקלול מאפשרת אובדן מים מצטבר וקצב האידוי הקשורים לייקבעו באמצעות גישת מאזן מסת מים שתוארה לעיל. אז יכולים להיות בהשוואה ערכים אלה לשיעורי אידוי מתקבלים בשיטות אחרות כגון חום דופק המשולב ושיטת איזון חום הגיונית המועסקות בet al Trautz. ¹⁸

חלק מנהרת הרוח של apparatus מורכב משלושה חלקים - חלק במעלה הזרם, במורד הזרם ואמצע. הסעיף במעלה הזרם משמש כדי לחמם את האוויר לפני שהוא נמשך על פני טנק הקרקע בחלק האמצעי בעזרת מערכת בקרת טמפרטורה. החלק האמצעי של מנהרת הרוח מאובזר עם טכנולוגיות חיישן למדידת הטמפרטורה ולחות היחסית. החלק במורד הזרם של מנהרת הרוח מכיל מאוורר ב- קו צינור ומנחת לשליטה מהירות רוח שמנוטרת באמצעות צינור פייט-סטטית.

תחולתו של מנגנון מנהרת אדמת טנק-רוח שתואר לעיל הודגמה במקרה מחקר ניסיוני של ההשפעות של מהירות רוח בשיעור אידוי. תוצאות מראות כי הגדלת מהירות רוח מובילה לשיעור אידוי מוגבר ומשך אידוי השלב I מקוצר. הגדלת מהירות רוח מעבר 3 מ '/ שנייה לעומת זאת, מציג השפעה נוספת קטנה בשלב I אידוי. אידוי השלב השני, נשלטים בעיקר על ידי תכונות oו הבינוני הנקבובי, מופיע להיות עצמאי או רק השפיע מעט על ידי מהירות רוח.

פרוטוקול ניסוי זה חל על מגוון רחב של תנאי סביבה לכולל שינויים בתנאי קרקע (כלומר קרקעות שונות, תצורות אריזה, צמחייה, וסביבות עירוניות), תנאי גבול האקלים (טמפרטורה, מהירות רוח, משקעים) או תנאים מתחת לפני הקרקע (מים למשל משתנים רמות טבלה). פריסת הממדים וחיישן של המנגנון המתואר יכולה להיות שונה כדי לענות על הצרכים של ניסויים שונים. הליך האריזה שתואר לעיל באופן דומה ניתן לשנות לחשבון עבור תצורות אריזה שונות כגון תנאים נקבוביות שונים והטרוגניות אדמה.

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.