वाष्पीकरण पर वायुमंडलीय Forcings के प्रभाव तलाश: वायुमंडलीय सीमा परत और उथले उपसतह की प्रायोगिक एकता
Summary
वाष्पीकरण पर वायुमंडलीय forcings के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए एक छोटा सा जलवायु नियंत्रित हवा सुरंग को interfaced एक मिट्टी टैंक के डिजाइन और निर्माण के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया है। मिट्टी टैंक और हवा सुरंग दोनों पर्यावरण की स्थिति का सीटू माप में निरंतर के लिए सेंसर प्रौद्योगिकियों के साथ instrumented कर रहे हैं।
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
जमीन और वातावरण के बीच बातचीत को समझने में ऐसी मिट्टी में भौगोलिक-तनहा कार्बन डाइऑक्साइड की लीक, जलवायु परिवर्तन, जल और भोजन की आपूर्ति, बारूदी सुरंगों का सटीक पता लगाने के रूप में कई मौजूदा दुनिया की समस्याओं के बारे में हमारी समझ के लिए सर्वोपरि है, और भूमिगत जल के remediation और मिट्टी। इसके अलावा, वैश्विक और क्षेत्रीय मौसम की स्थिति है कि ड्राइव गर्मी और पानी की प्राथमिक एक्सचेंजों पृथ्वी की सतह पर होते हैं। मुख्य वायुमंडलीय-भूमि की सतह बातचीत 1 के साथ जुड़े प्रक्रियाओं के द्वारा संचालित कर रहे हैं, (ओ, सूखा, आदि जैसे, तूफान, अल नी & # 241) कई मौसम और जलवायु घटना। पृथ्वी पर भूमि की सतह की तुलना में आधे से अधिक शुष्क या सही रूप में वायुमंडलीय हवा और मिट्टी की सतह के बीच गर्मी और पानी के आदान-प्रदान के आधार पर इन क्षेत्रों में जल चक्र का वर्णन, 2-4 semiarid है के बारे में हमारी समझ में सुधार के लिए महत्वपूर्ण है aforementioned के मुद्दों,विशेष रूप से विस्तारित सूखे और मरुस्थलीकरण की चपेट क्षेत्रों में। हालांकि, अनुसंधान के दशकों के बावजूद, अभी भी उथले उपसतह और माहौल 5 कैसे सहभागिता के वर्तमान को समझने में कई ज्ञान अंतराल वहाँ रहते हैं।
मिट्टी में तरल पानी, जल वाष्प, और गर्मी से जुड़े परिवहन प्रक्रियाओं गतिशील और दृढ़ता से मिट्टी के साथ बातचीत करने के लिए सम्मान के साथ युग्मित और सीमा की स्थिति (यानी, तापमान, सापेक्षिक आर्द्रता, थर्मल विकिरण) लागू कर रहे हैं। न्यूमेरिकल गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण मॉडल आमतौर पर होने के कारण परीक्षण और उच्च अस्थायी और स्थानिक संकल्प डेटा की कमी से उत्पन्न मौजूदा सिद्धांतों के शोधन की कमी के हिस्से में oversimplify या इन जटिलताओं की एक संख्या देख सकते हैं। मॉडल सत्यापन के लिए विकसित डेटासेट बार बार ठीक से आयात के लिए खाते में नहीं आता कि संख्यात्मक मॉडल, जिसके परिणामस्वरूप में ठीक से सिद्धांतों का परीक्षण करने के लिए महत्वपूर्ण वायुमंडलीय या उपसतह जानकारी कमी कर रहे हैंचींटी प्रक्रियाओं या समायोजित या मॉडल में लगे हैं कि खराब समझ मापदंडों के उपयोग पर निर्भर करते हैं। यह दृष्टिकोण व्यापक रूप से उपयोग की अपनी सादगी और आसानी के लिए इस्तेमाल किया और ज्यादा योग्यता दिखाया कुछ अनुप्रयोगों में है। हालांकि, इस दृष्टिकोण बेहतर परीक्षण गर्मी और पानी के हस्तांतरण के सिद्धांत 6 में सक्षम हैं कि क्षणिक शर्तों के तहत अच्छी तरह से नियंत्रित प्रयोगों प्रदर्शन करके इन "lumped parameterizations" पीछे भौतिकी को समझने के द्वारा पर सुधार किया जा सकता है।
प्रयोगशाला में सावधानी से प्रयोग सटीक डेटासेट बाद में संख्यात्मक मॉडल को मान्य करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है उत्पन्न करने के लिए अनुमति देता है। क्षेत्र साइटों से उपलब्ध आंकड़ों अक्सर प्राप्त करने के लिए अधूरा है और महंगी हैं, और नियंत्रण की डिग्री प्रक्रियाओं की एक बुनियादी समझ प्राप्त करने के लिए और मॉडल सत्यापन के लिए डेटा कुछ मामलों में अपर्याप्त माना जा सकता है उत्पन्न करने के लिए की जरूरत है। इस तरह के मिट्टी वाष्पीकरण के रूप में प्राकृतिक घटना की प्रयोगशाला प्रयोग वातावरण की अनुमति देता हैpheric शर्तों (यानी, तापमान, सापेक्षिक आर्द्रता, हवा की गति) और मिट्टी की स्थिति (यानी, मिट्टी के प्रकार, सरंध्रता, विन्यास पैकिंग) सावधानी से नियंत्रित किया जाना है। मिट्टी वाष्पीकरण और मिट्टी थर्मल और हाइड्रोलिक गुणों का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल कई प्रयोगशाला तकनीक विनाशकारी नमूने 7-10 उपयोग करें। विनाशकारी नमूने तरीकों के लिए एक मिट्टी के नमूने क्षणिक व्यवहार की माप को रोकने और मिट्टी भौतिक गुणों में खलल न डालें, बिंदु डेटा प्राप्त करने के लिए unpacked किया कि आवश्यकता होती है; इस दृष्टिकोण के आंकड़ों के त्रुटि और अनिश्चितता का परिचय। Nondestructive माप, यहाँ प्रस्तुत पद्धति की तरह, मिट्टी के गुणों की परस्पर निर्भरता का अधिक सटीक दृढ़ संकल्प और अध्ययन के लिए अनुमति देते हैं और 11 प्रक्रियाओं।
इस काम के लक्ष्य पर वायुमंडलीय में परिवर्तन और उपसतह स्थितियों के प्रभाव से संबंधित उच्च स्थानिक और लौकिक संकल्प डेटा की पीढ़ी के लिए एक मिट्टी की टंकी उपकरण और जुड़े प्रोटोकॉल विकसित करने के लिए हैनंगे मिट्टी वाष्पीकरण। इस काम के लिए, एक निरंतर हवा की गति और तापमान को बनाए रखने में सक्षम एक छोटे पवन सुरंग एक मिट्टी टैंक तंत्र के साथ interfaced है। पवन सुरंग और मिट्टी टैंक स्वायत्त और सतत डेटा संग्रह के लिए कला सेंसर प्रौद्योगिकी के राज्य का एक सूट के साथ instrumented कर रहे हैं। हवा की गति एक दबाव transducer से जुड़ी एक स्टेनलेस स्टील Pitot स्थैतिक ट्यूब का उपयोग कर मापा जाता है। तापमान और सापेक्ष आर्द्रता सेंसर के दो प्रकार का उपयोग कर वातावरण में निगरानी कर रहे हैं। सापेक्ष आर्द्रता और तापमान भी मिट्टी की सतह पर निगरानी कर रहे हैं। उपसतह उपाय मिट्टी की नमी और तापमान में सेंसर। टैंक तंत्र का वजन माप एक पानी की बड़े पैमाने पर संतुलन के माध्यम से वाष्पीकरण निर्धारित करने के लिए किया जाता है। इस प्रायोगिक उपकरण और प्रोटोकॉल के लागू प्रदर्शित करने के लिए, हम बदलती हवा की गति की शर्तों के तहत नंगे मिट्टी वाष्पीकरण का एक उदाहरण प्रस्तुत करते हैं। एक अच्छी तरह से विशेषता रेत के साथ homogeneously पैक मिट्टी टैंक, शुरू में पूरी तरह सा था(यानी तापमान, हवा की गति) turated और सावधानी से नियंत्रित वातावरण की स्थिति के तहत स्वतंत्र रूप से लुप्त हो जाना करने की अनुमति दी।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस प्रोटोकॉल के उद्देश्य गर्म करने के लिए सम्मान और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण प्रक्रियाओं के साथ भूमि-वायुमंडलीय बातचीत के अध्ययन के लिए आवश्यक उच्च स्थानिक और लौकिक संकल्प डेटा की पीढ़ी के लिए एक प्…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस शोध अमेरिकी सेना के अनुसंधान कार्यालय पुरस्कार W911NF-04-1-0169, इंजीनियरिंग अनुसंधान और विकास केंद्र (ERDC) और राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन अनुदान कान 1,029,069 द्वारा वित्त पोषित किया गया। अंडर ग्रेजुएट रिसर्च में एक ग्रीष्मकालीन कार्यक्रम खान कोलोराडो स्कूल से अनुदान द्वारा इसके अलावा, इस शोध का समर्थन किया था। लेखकों उनके योगदान के लिए रयान Tolene और पॉल Schulte को शुक्रिया अदा करना चाहते हैं।
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. |
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