Esplorare gli effetti dell'inquinamento atmosferico forcing per evaporazione: Integrazione sperimentale dello strato atmosferica Boundary e Subsurface Shallow

Summary

Un protocollo per la progettazione e la costruzione di un serbatoio terreno interfacciato ad una piccola galleria del vento climatica controllata per studiare gli effetti delle forzanti atmosferici sul evaporazione è presentato. Sia il serbatoio suolo e galleria del vento sono strumentati con tecnologie di sensori per il continuo nella misurazione in situ di condizioni ambientali.

Introduction

Comprendere l'interazione tra la terra e l'atmosfera è fondamentale per la nostra comprensione di molti problemi del mondo di oggi, come fuoriuscita di anidride carbonica geologicamente-sequestrato nel suolo, i cambiamenti climatici, l'acqua e l'approvvigionamento alimentare, il rilevamento accurato delle mine terrestri, e la bonifica delle acque sotterranee e del suolo. Inoltre, gli scambi primari di calore e acqua che guidano condizioni meteorologiche globali e regionali verificano sulla superficie della Terra. Molti fenomeni meteorologici e climatici (ad esempio, uragani, El Ni & # 241; o, siccità, ecc) sono principalmente guidati da processi associati atmosferico-land interazioni di superficie ^1. Come più della metà della superficie terrestre sulla Terra è aride o semiaride ^2-4, che descrive con precisione il ciclo delle acque in queste regioni sulla base di scambi di calore e di acqua tra l'aria atmosferica e la superficie del suolo è fondamentale per migliorare la nostra comprensione di le questioni di cui sopra,in particolare nelle regioni vulnerabili alla siccità e alla desertificazione estesa. Tuttavia, nonostante decenni di ricerca, rimangono ancora molte lacune nelle conoscenze nell'attuale comprensione di come il sottosuolo superficiale e l'atmosfera interagiscono ^5.

Processi di trasporto coinvolgono acqua liquida, vapore acqueo, e il calore nel suolo sono dinamiche e fortemente accoppiato rispetto alle interazioni con il suolo e forzata condizioni al contorno (cioè, temperatura, umidità relativa, radiazione termica). Modelli di calore e di massa di trasferimento numeriche comunemente semplificano troppo o si affacciano su un certo numero di queste complessità dovuta in parte alla mancanza di prove e la raffinatezza delle teorie esistenti derivanti da una carenza di dati ad alta risoluzione spaziale e temporale. Dataset sviluppati per la convalida dei modelli sono spesso carenti informazioni atmosferica o sottosuolo fondamentale per testare correttamente le teorie, con conseguente modelli numerici che non rappresentano adeguatamente importazioneprocessi formica o dipendono dall'uso di parametri poco conosciute che sono regolate o adattarsi al modello. Questo approccio è ampiamente utilizzato per la sua semplicità e facilità di utilizzo e presenta in alcune applicazioni indicate molto merito. Tuttavia, questo approccio può essere migliorato attraverso una migliore comprensione della fisica dietro questi "parametrizzazioni concentrati" effettuando esperimenti ben controllati in condizioni transitorie che sono in grado di prove di calore e trasferimento di acqua teoria ^6.

Un'attenta sperimentazione in laboratorio permette dataset di precisione da generare che può successivamente essere utilizzato per validare modelli numerici. Dati disponibili da siti di campo sono spesso incomplete e costoso ottenere, e il grado di controllo necessari per ottenere una comprensione fondamentale dei processi e per generare dati di convalida del modello potrebbero essere considerati talora inadeguata. Laboratorio di sperimentazione di fenomeni naturali quali l'evaporazione del suolo permette atmoscondizioni atmosferico (cioè, temperatura, umidità relativa, velocità del vento) e le condizioni del suolo (ad esempio, tipo di terreno, la porosità, la configurazione d'imballaggio) da controllare con attenzione. Molte tecniche di laboratorio utilizzate per lo studio di evaporazione del suolo e del suolo proprietà termiche e idrauliche utilizzano un campionamento distruttivo ^7-10. Metodi di campionamento distruttivi richiedono che un campione di suolo decomprimere per ottenere dati puntuali, impedendo la misurazione del comportamento transitorio e distruggere proprietà fisiche del suolo; questo approccio introduce errore e l'incertezza per i dati. Misure non distruttive, come il metodo presentato qui, consentono la determinazione più accurata e lo studio dell'interdipendenza di proprietà del suolo e processi ^11.

L'obiettivo di questo lavoro è quello di sviluppare un apparato di carro armato del suolo e protocollo associato per la generazione di dati di risoluzione spaziale e temporale elevate relative agli effetti delle variazioni atmosferiche e delle condizioni del sottosuolo suevaporazione nudo terreno. Per questo lavoro, una piccola galleria del vento in grado di mantenere una velocità del vento e temperatura costanti è interfacciato con un apparato tank terreno. La galleria del vento e il serbatoio del suolo sono strumentati con una suite di tecnologie allo stato dell'arte dei sensori per la raccolta di dati autonomo e continuo. Velocità del vento viene misurata utilizzando un acciaio tubo di Pitot-statico in acciaio collegato a un trasduttore di pressione. Temperatura e umidità relativa sono monitorati nell'atmosfera utilizzando due tipi di sensori. Umidità relativa e temperatura vengono monitorati anche sulla superficie del suolo. I sensori della misura dell'umidità del suolo sottosuolo e della temperatura. Misurazioni di peso dell'apparato serbatoio vengono utilizzati per determinare l'evaporazione attraverso un bilancio di massa di acqua. Per dimostrare l'applicabilità di questo apparato sperimentale e protocollo, presentiamo un esempio di evaporazione nudo suolo in diverse condizioni di velocità del vento. Il serbatoio del terreno, ricco omogeneo con una sabbia ben caratterizzato, è stato inizialmente completamente saturated e lasciato evaporare liberamente in condizioni atmosferiche attentamente controllate (temperatura, velocità del vento).

Protocol

Nota: i test di laboratorio viene eseguita utilizzando un banco a due dimensioni del serbatoio scala interfacciato con un apparato di galleria del vento climatica controllata. Sia il serbatoio bilancia da banco e in galleria del vento sono strumentati con diverse tecnologie di sensori. Il protocollo seguente discutere innanzitutto la costruzione e la preparazione del serbatoio terreno, seguita da una discussione della galleria del vento e la strumentazione di entrambi. Le dimensioni del serbatoio, le dimensioni della galleria del vento, il numero di sensori, e il tipo di tecnologia dei sensori presentati possono essere modificate in funzione delle esigenze di uno specifico set-up sperimentale. Il protocollo presentato di seguito è stato utilizzato per studiare sperimentalmente gli effetti della velocità del vento per evaporazione nudo terreno.

1. Costruzione e preparazione di mezzi porosi serbatoio del suolo

1. Tagliare un grosso pezzo di 1,2 cm di spessore vetro acrilico in cinque riquadri singoli. Montare questi riquadri in un serbatoio terreno decappottabile con interno lunghezza, la larghezza e l'altezza di 25, 9.1 e 55 centimetri, respcace. Vetro acrilico permette processi nel sottosuolo da osservare visivamente.
2. Disegnare una griglia 5 x 5 che di 25 cm 25 cm su ciascuno dei due grandi lastre di vetro (lunghezza 25 cm e Altezza 55 cm) come mostrato in Figura 1. Assicurarsi che ogni quadrato all'interno della griglia ha una superficie di 25 cm ² (Figura 1). La griglia sarà utilizzato correttamente spazio sensori all'interno del serbatoio del suolo.

Figura 1: schematica frontale e laterale della vasca suolo utilizzato per il set-up sperimentale (dimensioni sono in centimetri) (a) La vista frontale della vasca terreno visualizzazione del sistema di rete costituita venticinque 5 centimetri x 5 cm. piazze. (B) La vista laterale del serbatoio del suolo, mostrando la temperatura installato, umidità relativa e rete di sensori di umidità del terreno come funczione di profondità. Si noti che i disegni non sono in scala.

3. Su uno dei grandi aerei vetro, praticare un totale di venticinque 1,9 centimetri (¾ di pollice) di diametro per i sensori di umidità del suolo.
   1. Perforare ciascun foro al centro di ogni quadrato nella griglia stabilita nel passaggio 1.2 in modo che i centri dei fori di due quadrati adiacenti sono 5 cm di distanza; la prima serie di fori è di 2,5 cm sotto la parte superiore del serbatoio. Utilizzare rubinetti opportunamente dimensionate per tagliare fili in ciascuno dei fori appena creati. La spaziatura di 5 cm tra le sonde assicura che ogni sensore è al di fuori del volume di campionamento del sensore successivo più vicino.
4. Allo stesso modo, forare e toccare un totale di venticinque 0,635 centimetri (¼ di pollice) fori di diametro al centro di ogni casella della griglia creato durante Fase 1.2. Assicurarsi che il centro di ogni foro è distanziato 5 centimetri a parte con la prima fila di fori trova a 2,5 cm sotto la parte superiore del serbatoio del suolo. La spaziatura di 5 cm tra le sonde assicura che ogni sensor è al di fuori del volume di campionamento del sensore successivo più vicino.
5. Nel riquadro acrilico utilizzato come il fondo del serbatoio, trapano e toccare un foro di diametro singolo ½ pollice al centro del pannello. Colla un setaccio a maglie (più fine i terreni di prova da utilizzare) sopra il foro sul lato interno del vetro. Sul lato esterno del piano di fondo, installare un gomito a 90 ° che è collegato al tubo flessibile con una valvola regolabile. Questa valvola e il tubo viene utilizzato per drenare l'acqua dal serbatoio al termine di un esperimento o come un modo per installare dispositivi di testa costante per il mantenimento di una profondità di falda costante.
6. Utilizzare colla grado marino o simile polimero adesivo resistente all'acqua per fissare e sigillare il serbatoio insieme come mostrato in Figura 1. Lasciare indurire l'adesivo per un giorno.
7. Per sollevare il serbatoio fuori del terreno e fare spazio per il gomito a 90 ° (Figura 1), fissare due ulteriori pezzi di vetro acrilico di spessore 1,2 centimetri con lengtH 12 cm e altezza 5 cm dal fondo del serbatoio.

2. Costruzione e Preparazione del clima controllata Wind Tunnel

1. Costruire lungo 215 centimetri porzione a monte del tunnel del vento di materiale canalizzazione acciaio zincato rettangolare che ha una larghezza di 8,5 cm e altezza di 26 cm. Circondare la parte esterna del condotto con isolamento polistirene.
2. Praticare un piccolo foro nel lato del lavoro condotto vicino all'uscita valle della porzione a monte del tunnel del vento per l'inserimento di un sensore di umidità-temperatura relativa (Figura 2).

Figura 2:. Completo set-up sperimentale, compreso il serbatoio, canalizzazione, sensori di rete (le dimensioni sono in centimetri) Completare sperimentale messa a punto dell'apparato galleria del vento e il suolo-tank combinato. La galleria del vento èelevata e si trova a filo con la superficie del serbatoio terreno. Il serbatoio suolo è strumentato con una rete di sensori utilizzati per misurare una varietà di sottosuolo e variabili atmosferiche. I cerchi della griglia rappresentano le posizioni per l'inserimento di questi sensori. Un sistema di controllo di riscaldamento e di un condotto della ventola in linea sono usati per controllare la temperatura e la velocità del vento, rispettivamente. Il tubo di Pitot-statico viene utilizzato per misurare la velocità del vento. L'intero apparato si siede su una scala di ponderazione per ottenere un bilancio di massa durante la sperimentazione. Si noti che lo schema non è in scala.

3. Installare cinque elementi riscaldanti infrarossi ceramica posizionati in parallelo all'interno di un riflettore lungo la lunghezza della porzione a monte del tunnel del vento. Collegare gli elementi riscaldanti infrarossi ad un sistema di controllo della temperatura regolata da un sensore di temperatura a infrarossi.
4. Costruire la parte centrale della galleria del vento su due pannelli di spessore 1,2 centimetri acrilici con una lunghezza e un'altezza di 25 cm e 26 centimetri rispettivamente.Praticare due 0,635 centimetri (¼ di pollice) di diametro in uno dei pannelli sezione centrale per inserire la temperatura e / o sensori di umidità-relative di temperatura nelle posizioni indicate nella figura 2.
   1. Fissare i pannelli in acrilico per la parte superiore delle pareti laterali del serbatoio del suolo (ad esempio, pannelli con dimensioni 25 centimetri x 55 cm) con un forte nastro adesivo, assicurando che la galleria del vento e pannelli serbatoio terreno sedersi a filo con l'un l'altro.
5. Costruire i primi 50 cm della porzione a valle della galleria del vento dallo stesso formato materiale canale rettangolare descritto nel passaggio 2.1. Sul lato di terminazione, ridurre il materiale canale rettangolare ad un condotto circolare 15,3 centimetri di diametro e lunghezza 170 cm. Installare un ammortizzatore in acciaio zincato, utilizzato per regolare la velocità del vento, all'estremità a valle del canale rotondo di aiuto nel controllo della velocità del vento.
6. Come nel passo 2.2, perforare un foro di diametro 0,635 centimetri sul lato del condotto rettangolare valle vicino all'ingresso per ilinserimento di un sensore di umidità relativa temperatura. Perforare un secondo 0,635 centimetri foro di diametro dalla parte superiore del condotto rettangolare lungo la linea centrale della galleria del vento.
7. Installare un condotto della ventola in linea a mezzo del condotto (ad es, 85 centimetri a valle dalla riduzione descritto al punto 2.4) orientati per espellere l'aria dalla parte a valle della galleria del vento. Interfaccia la ventola con un regolatore di velocità variabile per un controllo più preciso della frequenza di rotazione e di velocità del vento risultato.
8. Uso dei materiali di saldatura e scaffalature regolabili per elevare e fissare l'apparato galleria del vento. Assicurarsi che il fondo della canalizzazioni a monte ea valle sono a filo con la parte superiore del serbatoio del suolo (figura 2).

3. Installazione di sensori

1. Prima dell'installazione all'interno del serbatoio terreno, garantire ogni umidità del suolo e sensore di temperatura in un alloggiamento NPT filettata (1,9 centimetri e 0,635 centimetri alloggiamenti, rispettivamente) e seal di sigillante lampeggiante per evitare che l'umidità intrusione. Non utilizzare prodotti sigillanti a base di silicone in quanto possono interferire con le parti elettroniche all'interno alcuni sensori. Curare i sensori per circa una settimana.
2. Prima dell'installazione nel serbatoio terreno, calibrare i sensori di umidità del terreno secondo la α-miscelazione metodo a due punti sviluppato da Sakaki et al. ^12.
3. Avvolgere i fili di ogni alloggio NPT con nastro idraulici prima dell'installazione in vasca per aiutare a fornire una migliore tenuta tra la filettatura NPT e vetro acrilico.
4. Installare un totale di 25 di umidità del suolo e di temperatura sensori ciascuno orizzontalmente attraverso le pareti del serbatoio nelle posizioni indicate nel passaggio 1.2. Intrecciare i cavi dei sensori in sincronia con la NPT / alloggi in modo da non danneggiare il cablaggio interno entro i cavi. Non over-coppia i NPTS in modo da evitare che il vetro di cracking. Collegare i sensori di umidità del suolo e sensori di temperatura ai propri dati designatilogger.
5. Installare 3 relativi sensori di umidità-temperatura sulla superficie del suolo a distanze di 2,5, 12,5 e il 21,5 cm dal bordo anteriore del serbatoio. Posizionare i sensori in buon contatto con la superficie del terreno in modo che le letture di umidità relativa riflettono le condizioni sulla superficie del suolo, piuttosto che l'aria circostante. Collegare i sensori al data logger.
6. Per ottenere la temperatura dell'aria necessaria e misurazioni di umidità relativa in atmosfera, installare sensori di umidità-temperatura relativi nella sezione flusso libero della galleria del vento, utilizzando i fori attraverso le sezioni a monte ea valle della galleria del vento, nonché i pannelli.
7. Installare un tubo di Pitot-statico direttamente a valle del serbatoio suolo attraverso il foro 0,635 centimetri praticato nella parte superiore del tratto in galleria del vento valle. Tenere il tubo di Pitot-statico ad una altezza di 13 cm dal piano della sezione. Collegare il tubo di Pitot-statico ad un trasduttore di pressione differenziale.
8. Calibrazè Il trasduttore di pressione differenziale. Le misure del tubo di Pitot-statico pressione dinamica che è definito come la differenza della stagnazione e pressioni statiche. Il differenziale di pressione viene interpretato dal trasduttore di pressione come differenza di tensione.
   1. Misurare la tensione in nessun condizioni di flusso (tensione dovrebbe essere approssimativamente uguale a 0) e per il flusso di un noto pressione dinamica; ciò permette una relazione lineare da stabilire tra la pressione dinamica e la tensione. Determinare la velocità del vento applicando l'equazione di Bernoulli:
      (1)
      dove V (m / sec) è la velocità del vento, P _dinamico (Pa) è la pressione dinamica, e ρ (kg / m ³⁾ è la densità dell'aria.
   2. Confrontare la velocità calcolata utilizzando l'equazione (1) con un altro dispositivo di misura. Qui, confrontare i TRA pressione differenziale tubo di Pitot-staticonsducer con Laser Doppler Velocimetry (LDV) misure che ha una precisione di ± 0,01 m / sec.
      Nota: Una sintesi di sensori impiegati e delle loro frequenze di campionamento associati si trovano nella tabella 1 Per le specifiche del sensore e altre informazioni, fare riferimento al materiale allegato / dotazioni..

Sensor	Misure sensore	Numero di sensori impiegati in apparati sperimentali	Sensore Frequenza di campionamento (min)
EC-5	Umidità del suolo	25	10
ECT	Suolo / temperatura dell'aria	25	10
SH-1	Proprietà termiche	1	10
EHT	Umidità relativa / temperatura	10
Telecamera a infrarossi	La temperatura della superficie / evaporazione	1	1
Fotocamera digitale	Visualizzazione di essiccazione anteriore	1	60
Tubo di Pitot statico	Velocità del vento	1	10
Scala ponderazione	Cumulativo di evaporazione / velocità di evaporazione	1	10

Tabella 1: Sintesi dei sensori utilizzati in parte sperimentale di questo studio.

4. Imballare il suolo del carro armato e prepararsi per l'inizio della sperimentazione

1. Prima di imballaggio del serbatoio con terreno, testare la sua integrità eseguendo una prova di tenuta. Riempire il serbatoio con acqua e aspettare 4-6 ore per evitare perdite nella struttura o sensori sono sviluppate.
   1. Se le perdite si sviluppano, svuotare il serbatoio, lasciare asciugare durante la notte e fissare le perdite utilizzando la stessa madesivo Arine usato durante la costruzione originale. Se perdite si sviluppano, svuotare il serbatoio del terreno e prepararsi per i passaggi che seguono.
2. Determinare il volume totale del serbatoio con sensori a posto. Riempire con cura il serbatoio con acqua utilizzando un cilindro graduato, avendo cura di registrare la quantità di acqua aggiunta. Convertire il volume complessivo registrato centimetri cubici per l'utilizzo in fase 4.5.
3. Ottenere terreno asciutto per imballare il serbatoio di terreno. Caratterizzare le proprietà idrauliche e termiche del suolo selezionato separatamente, in conformità con i metodi discussi in Smits et al. ¹¹
4. Attentamente wet-imballare il serbatoio terreno con il suolo e l'acqua deionizzata.
   1. Per bagnare-imballare serbatoio terreno, prima versare circa 5 cm di acqua nel serbatoio. Aggiungere lentamente terreno asciutto per l'acqua nel serbatoio, con una paletta, con incrementi di profondità 2,5 centimetri. Registrare il peso della sabbia aggiunto durante ciascun ascensore quindi la porosità del terreno imballaggio può essere calcolato.
   2. Al completamentodi ogni strato, ripetutamente toccare le pareti del serbatoio utilizzando un martello di gomma, 100-200 volte, per ottenere una densità di massa uniforme. Durante il tapping, evitare il contatto con i sensori e cavi del sensore. L'uso di dispositivi vibranti dovrebbe essere evitata in modo da non danneggiare la rete di sensori sensibili.
5. Al termine del confezionamento del serbatoio, sommare insieme i pesi di ogni strato di terreno (vedere Fase 4.4) per ottenere la massa totale del suolo. Dividere la massa totale della densità apparente del suolo (ad esempio la densità di massa di sabbia di quarzo è 2,65 g / cm ³⁾ per determinare il volume di sabbia (V _s, cm ^3). Calcolare la porosità (η, m ³ / m ³⁾ del suolo nel serbatoio secondo:
   (2)
   dove (V _T, m ³⁾ è il volume totale del serbatoio vuoto determinato al punto 4.2.
<li> Una volta che il serbatoio è completamente pieno, posizionare un coperchio di plastica come involucro di saran sopra il serbatoio fino l'esperimento è pronto per iniziare a prevenire l'insorgenza di evaporazione.
6. Posizionare il serbatoio su una scala di ponderazione per monitorare la perdita di acqua cumulativa che a sua volta può essere utilizzato per calcolare il tasso di evaporazione.
7. Calcolare il tasso di evaporazione oraria dividendo la perdita di peso oraria dal prodotto della densità di acqua e l'area della sezione trasversale della superficie evaporante.

5. Avviare l'esperimento e l'avvio della raccolta dei dati

1. Una volta che il set-up è completo, determinare le condizioni atmosferiche (temperatura desiderata cioè, velocità del vento). Assicurarsi che i registratori di dati e di altri sistemi di acquisizione dati siano accesi e impostati gli intervalli di campionamento corretti (per esempio, ogni 10 min).
2. Avviare il sistema di ventilazione e controllo della temperatura. Lasciare le condizioni climatiche equilibrare prima di rimuovere il coperchio di plastica sulla superficie dei sserbatoio dell'olio. Simula per il periodo di tempo desiderato (ad esempio, 15 giorni).

Representative Results

L'obiettivo di questo esperimento presentato qui era di studiare l'effetto della velocità del vento per evaporazione dal suolo nudo. Le proprietà principali del terreno di prova utilizzato in questo studio sono riassunti nella Tabella 2. Una serie di esperimenti sono stati eseguiti in cui diverse condizioni al contorno della superficie del suolo (cioè, velocità del vento e temperatura) sono stati applicati (Tabella 3). Sebbene siano stati eseguiti quattro esperimenti a diverse velocità del vento e temperature, la maggior parte dei risultati sperimentali presentati qui sono per una velocità del vento di 1,22 m / sec. Dati evaporazione cumulativo viene mostrato per tutti i quattro esperimenti.

Condizioni di imballaggio	Dry densità apparente (G cm -3)	Air Entry pressione (Cm H 2 O)	Il contenuto residuo di acqua (M 3 m -3)	Van Genuchten
			Parametri modello *
			α (cm -1)	n (-)
Stretto	1.79	16.1 / 22.5	0,028	0.04	20.53

Tabella 2: Caratteristiche principali di terreno di prova sperimentale utilizzato.

Esperimento Run #	Media velocità massima del vento	Temperatura iniziale sulla superficie del suolo	Finale temperatura su suolo di superficie
	(M / sec)		(° C)
1	0.55	27	31
2	1.22	26	33
3	3	29	37
4	3.65	33	44.5

Tabella 3: velocità del vento sperimentali applicate.

In funzione del tempo di umidità relativa e temperatura misurata sulla superficie del suolo sono presentati nella Figura 3. L'umidità relativa rimane relativamente costante intorno 0,80 per circa due giorni prima ripidamente diminuito negli quattro giorni successivi, oltre il quale il valore di umidità relativa stabile di 0,35 è ottenuto. La temperatura della superficie del suolo mostra un andamento crescente nel corso di un periodo di quattro giorni prima della stabilizzazione. Queste tendenze sono stati osservati in tutti e quattro gli esperimenti possono essere spiegate intermini di essiccazione suolo. Umidità relativa diminuisce in combinazione con una diminuzione della velocità di evaporazione perché c'è meno vapore presente nel tempo l'acqua. La temperatura aumenta al diminuire idriche disponibili (ad esempio, riduce la frequenza di evaporazione), perché il processo di evaporazione non raffredda la superficie del terreno. Durante i primi tre giorni, l'umidità relativa dell'aria a valle era superiore dell'aria a monte dovuta alla presenza di vapore acqueo risultante dall'evaporazione monte. Questa tendenza è invertita in seguito, molto probabilmente a causa del sensore a monte perdere il contatto con la superficie del terreno; i cavi dei sensori sono flessibili e occasionalmente tirare il sensore dalla superficie del suolo, cambiando la lettura dell'umidità. L'umidità relativa misurata a valle è maggiore di quella misurata a monte a causa del processo di evaporazione lungo i primi 21,5 centimetri del serbatoio aumentato la quantità di umidità presente nell'aria.

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Figura 3: umidità relativa e temperatura misurata sulla superficie del suolo (Questo dato è stato modificato da Davarzani et al. ^5).

Il flusso temperatura dell'aria libera in questo esperimento è stato impostato a un valore costante di 40 ° C utilizzando il sistema di controllo della temperatura precedentemente descritto. La temperatura in funzione del tempo e l'umidità relativa dell'aria nel flusso libero, ad una altezza di 8,5 cm sopra la superficie del suolo, sono mostrati in Figura 4. Le fluttuazioni diurne osservate di temperatura sono causa della variabilità delle uscite riscaldatore in risposta a la temperatura rilevata dal sensore di temperatura a infrarossi che regola il sistema di controllo della temperatura (vedi punto 2.3). Fluttuazioni diurne possono essere evitati, se desiderato, impostando il sensore di temperatura a infrarossi per un valore di temperatura impostato. La differenza atmosfericatemperatura lungo la lunghezza della vasca è il risultato di raffreddamento per evaporazione (figura 4).

Figura 4: umidità relativa e temperatura misurata 7,5 centimetri al di sopra della superficie del suolo a monte ea valle del serbatoio (Questo dato è stato modificato da Davarzani et al. ^5).

In Figura 5a, è indicata la temperatura del terreno dipendente dal tempo per le profondità di 2,5 cm, 7,5 cm e 12,5 centimetri al di sotto della superficie del terreno e la temperatura ambiente; vedi Figura 1 per l'identificazione del sensore. Come si vede nella figura 5a, temperatura della superficie e la velocità del vento è meno influente su temperature locali a grandi profondità -. Mostrare nessun effetto a profondità inferiori 12,5 centimetri figura 5b mostra temperatura afunzione tempo per tre sensori posti ad una profondità di 2,5 cm. C'è una leggera differenza di temperatura per i sensori a questa profondità con il sensore a monte 5 mostra una temperatura superiore a quella del sensore a valle 1. Questo perché la temperatura del flusso libero è sempre superiore a monte a valle (Figura 4). Le differenze di temperatura comporta anche un profilo saturazione asimmetrica nel serbatoio suolo come verrà successivamente indicato.

La

B

Figura 5: Evoluzione di temperatura del suolo misurata in funzione del tempo (a) verticalmente al centro del serbatoio e (b) orizzontalmente ad una profondità di 2,5 cm (Questo dato è stato modifiEd da Davarzani et al. ^5).

Figura 6a mostra la saturazione dipendente dal tempo in funzione del tempo a profondità del terreno di 2,5, 7,5, 12,5 e 17,5 centimetri. Per profondità superiori a 12,5 cm saturazione rimane a 100% per tutta la durata dell'esperimento; più vicino alla superficie del suolo tuttavia, saturazione diminuito nel tempo. La saturazione mostrato in Figura 6a può essere correlato alle diverse fasi di evaporazione (vale a dire la fase I e fase II), definito da differenze nei tassi di evaporazione, la località del fronte di essiccazione, e di trasporto dominante meccanismi ^14. Durante la fase I evaporazione, il fronte di essiccazione ritira rapidamente dalla superficie del suolo come forze gravitazionali e viscosi cominciano a dominare forze capillari. Questo si osserva nel primo giorno dalla diminuzione misurata in saturazione del suolo dalla prima fila di sensori di umidità del terreno corrispondenti ad una profondità di 2,5 cm. Dopo 1 giorno, il tasso al quale il co essiccamento frontntinues a ritirarsi rallenta come mostrato nella figura graduale delle curve di saturazione per sensori 6-10 trova ad una profondità di 7,5 cm (Figura 6a). Questo segna il passaggio di evaporazione alla diffusione del vapore limitato Fase II evaporazione. La parte iniziale della fase II è spesso chiamato il periodo a tasso caduta ^15-17. Infine, le curve di saturazione livellano e cambiano molto poco come la parte anteriore di asciugatura raggiunge una profondità di 12,5 cm (es sensore 13) dal giorno 3.

La

B

Figura 6: evoluzione temporale della saturazione del suolo sottosuolo misurato (a) verticalmente al centro del serbatoio e (b) orizzontalmente ad una profondità di 2,5 cm (Questa figure è stato modificato da Davarzani et al. ^5).

Figura 6b mostra saturazione rispetto al tempo per tre sensori situati a profondità costante di 2,5 cm. Le curve di saturazione sono quasi identici e coerenti per tutta la lunghezza della vasca a questa profondità. Il leggero distribuzione asimmetrica è dovuto alla differenza di temperatura dell'aria tra monte e valle della galleria del vento. Dal momento che le temperature a monte erano sempre di qualche grado più calda, la domanda atmosferica, che spinge l'evaporazione, sarebbe più alto e quindi non ci sarebbe un tasso leggermente più veloce di essiccazione.

La Figura 7 mostra la velocità del vento, il valore medio di 1,22 m / sec, in funzione del tempo. La sinusoidale tendenza diurno osservato nella velocità del vento è il risultato di variazione delle condizioni atmosferiche come pressione barometrica e la densità dell'aria. La velocità media del vento è stata usata in sforzi di modellizzazione perché gli effetti di Diurfluttuazioni nali di variabili atmosferiche non sono stati al centro del presente studio. Ciò non significa tuttavia, non potevano essere utilizzati che i dati dipendenti dal tempo. Come parte della serie di esperimenti di evaporazione, sono stati applicati quattro diverse velocità media del vento; vedi tabella 3 per un riepilogo. I numeri di Reynolds calcolati per tutti gli esperimenti in questo studio erano all'interno della laminare e regimi di flusso di transizione. Tuttavia, è bene sapere che la turbolenza superficie può influenzare i tassi di evaporazione ¹⁶ e deve essere affrontato in studi futuri.

Figura 7: in funzione del tempo della velocità del vento sulla superficie del suolo con valore medio di 1,22 m / sec ^{- 1} (Questa cifra è stata modificata da Davarzani et al. ^5).

L'effetto del flusso d'aria inregione versamento libero (cioè atmosfera) per evaporazione cumulativa è mostrato nella Figura 8. evaporazione cumulativo è tracciata per quattro differenti velocità di flusso libero media del vento (VW) di ​​0,50, 1,20, 3,00 e 3,60 m / sec. I risultati dimostrano che la velocità del vento ha un effetto molto importante per evaporazione cumulativa e la quantità di perdita di acqua durante le diverse fasi di evaporazione. Come mostrato in Figura 8, aumentando la velocità del vento aumenta l'evaporazione totale. Confrontando le pendenze delle curve, la maggiore influenza era sul tasso di evaporazione iniziale, qui denominato fase 1. Fase 1 evaporazione è spesso definita da alti e relativamente costanti tassi di evaporazione ¹⁷ ed è prevalentemente influenzato dalla domanda atmosferica piuttosto che le condizioni del suolo . Poiché la velocità del vento è ulteriormente aumentata 3-3,6 m / sec, evaporazione mostra molto meno dipendenza modifiche incrementali in velocità del vento che è stata osservata per le modifiche alle basse velocità del vento. Crescentevelocità del vento porta ad un aumento della fase I tasso di evaporazione diminuendo contemporaneamente il tempo di transizione dalla fase I alla fase II ^5. L'influenza della velocità del vento per evaporazione è meno significativo per la fase II evaporazione controllata prevalentemente dal mezzo poroso. Durante questa fase, l'evaporazione è controllato dalla velocità con cui l'acqua può essere trasmessa alla superficie del suolo tramite diffusione piuttosto che sulla domanda atmosferica.

Figura 8: L'effetto di diverse velocità del vento media per evaporazione cumulativo (Questa cifra è stata modificata da Davarzani et al. ^5).

Discussion

Lo scopo di questo protocollo è quello di sviluppare un apparato sperimentale e relative procedure per la generazione di dati ad alta risoluzione spaziale e temporale necessarie per studiare le interazioni terra atmosferica rispetto al calore e processi di trasferimento di massa. L'apparato sperimentale descritto consisteva in un serbatoio suolo e una piccola galleria del vento, ambedue equipaggiato con una serie di sensori per la misurazione di suolo e atmosferiche variabili pertinenti (ad esempio, velocità del vento, umidità relativa, suolo e temperatura dell'aria e dell'umidità del terreno ). I seguenti sono alcuni dei componenti più critici del protocollo presentato in questo studio.

Le dimensioni del serbatoio e il sensore di collocamento sono stati appositamente scelti per massimizzare il numero di sensori utilizzati tenendo conto di rispettivi volumi di campione del sensore. La prima fila di sensori è 2,5 cm sotto la superficie del terreno a causa del volume del campione di ciascun sensore (definito come il volume di terreno attorno al sensore, all'interno del quale un cambiamento delle condizioni ambientali influenza le letture del sensore). I sensori, collocati in NPT, vengono installati orizzontalmente attraverso le pareti del serbatoio suolo in modo che i fili del sensore non sono all'interno del suolo stesso; tutti i fili del sensore sono al di fuori del serbatoio, evitando canalizzazione dell'acqua. L'installazione di una grande rete di sensori di temperatura e di umidità del terreno permette distribuzioni orizzontali e verticali di queste variabili per determinare con una precisione spaziale fine.

Posizionamento del serbatoio di terreno su una scala di ponderazione consente la perdita di acqua cumulativa e la velocità di evaporazione associata a determinate utilizzando il metodo del bilancio di massa d'acqua sopra descritto. Questi valori possono essere confrontati con i tassi di evaporazione ottenuti con altri metodi, come il calore impulsi combinato e sensibile metodo del bilancio di calore impiegato in Trautz et al. ¹⁸

La porzione galleria del vento del apparatus si compone di tre parti - una sezione a monte, a valle e medio. La sezione a monte viene utilizzato per riscaldare l'aria prima che viene disegnato sul serbatoio terreno nella sezione centrale con l'ausilio di un sistema di controllo della temperatura. La sezione centrale della galleria del vento è dotato di tecnologie di sensori per la misurazione della temperatura e dell'umidità relativa. La parte a valle della galleria del vento contiene un ventilatore in-line condotto e guastafeste per controllare la velocità del vento che viene monitorata con un tubo di Pitot-statico.

L'applicabilità del suolo serbatoio vento apparato tunnel sopra descritta è stata dimostrata in un caso studio sperimentale degli effetti della velocità del vento sulla velocità di evaporazione. I risultati mostrano che l'aumento della velocità del vento porta ad un aumento del tasso di evaporazione e accorciata Fase I durata evaporazione. Aumentare la velocità del vento oltre i 3 m / sec tuttavia, mostra un lieve impatto sulla fase I evaporazione. Fase II evaporazione, governato principalmente da proprietà of mezzo poroso, sembra essere indipendente o solo leggermente influenzata dalla velocità del vento.

Questo protocollo sperimentale è applicabile a una varietà di condizioni ambientali per includere cambiamenti nelle condizioni del terreno (cioè terreni diversi, configurazioni imballaggio, la vegetazione e gli ambienti urbani), condizioni al contorno clima (temperatura, velocità del vento, precipitazioni) o le condizioni del sottosuolo (acqua ad esempio variando livelli tabella). Le dimensioni e il layout del sensore dell'apparecchio descritto può essere modificato per soddisfare le esigenze dei diversi esperimenti. La procedura sopra descritta può imballaggio analogamente essere modificato per tenere conto di diverse configurazioni di imballaggio come diverse condizioni di porosità e eterogeneità del suolo.

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.