Summary
蒸発で大気の強制力の影響を研究するために、小さな空調風洞にインタフェース土壌タンクの設計と建設のためのプロトコルを提示します。土壌タンクと風洞の両方が環境条件のその場測定の連続のためのセンサー技術が装備されています。
Introduction
陸と大気との間の相互作用を理解することは、土壌、気候変動、水や食糧供給の地質学的に隔離二酸化炭素、地雷の正確な検出、および地下水の浄化の漏れなど、現在の多くの世界の問題の理解に非常に重要です土壌。また、世界と地域の気象条件を駆動する熱と水の主なやり取りは、地球の表面で発生します。多くの気象や気候現象（ 例えば 、ハリケーン、エルニッケル＆＃241; O、干ばつなど ） は 、主に大気陸面相互作用1に関連付けられているプロセスによって駆動されます。地球上の地表面の半分以上は、乾燥または正確に大気と土壌表面との間の熱と水の交流に基づいてこれらの地域の水循環を記述し、2-4を半乾燥であるとしての我々の理解を向上させるために重要です前述の問題、特に、拡張干ばつや砂漠化に脆弱な地域です。しかし、研究の数十年にもかかわらず、まだ浅い地下の雰囲気は5どのように相互作用するかについての現在の理解には多くの知識のギャップが残っています。
土壌中に液体の水、水蒸気、及び熱を伴う輸送プロセスは動的であり、強く土壌との相互作用に対して結合され、境界条件（ すなわち 、温度、相対湿度、熱放射）を施行しました。数値熱および質量移動モデルは、一般的に、高い時間·空間分解能データの不足に起因する既存の理論のテストと洗練性の欠如に一部起因し、これらの複雑さの数を単純化し過ぎるか見渡せます。モデルの検証のために開発されたデータセットは、しばしば正常にインポートを考慮していない数値モデルで、その結果、適切な理論をテストするために重要な大気や地下情報が不足していますアリのプロセスまたはモデルで調整または取り付けられてあまり理解のパラメータの使用に依存します。このアプローチは広くによる使用のその単純さと使いやすさに使用され、いくつかの用途で多くのメリットを示しています。しかし、このアプローチは、より良いテスト熱及び水輸送理論6可能である過渡条件下でよく制御された実験を行うことにより、これらの「集中パラメータ化」の背後の物理学を理解することによって大幅に改善することができます。
実験室での慎重な実験は、高精度のデータセットは、その後、数値モデルを検証するために使用することができる生成することができます。フィールドサイトから利用可能なデータは、多くの場合、入手が不完全で高価であり、プロセスの基本的な理解を得るために、モデルの検証のためのデータを生成するために必要な制御の程度は、ある場合には不十分と考えられます。このような土壌蒸発のような自然現象の実験室での実験は、アトモスを可能にしますpheric条件（ すなわち 、温度、相対湿度、風速）と土壌条件（ すなわち 、土壌の種類、多孔性、構成パッキング）を注意深く制御することができます。土壌の蒸発と土壌熱及び油圧特性を研究するために使用される多くの実験技術は、破壊的なサンプリング7-10を使用しています。破壊的サンプリング方法は、過渡的挙動の測定を防止し、土壌の物理的性質を破壊し、土壌サンプルを点データを取得するために展開されることを必要とします。このアプローチは、データに誤りや不確実性を導入します。非破壊測定は、ここに提示された方法と同様に、土壌特性の相互依存性をより正確に決意し、研究を可能にし、11を処理します。
この研究の目的は、上で大気や地下条件の変化の影響に関係する高い空間及び時間分解能のデータを生成するための土壌槽装置と関連するプロトコルを開発することです裸の土壌蒸発。この作業のために、一定の風速及び温度を維持することができる小さな風洞土壌槽装置とインターフェースされます。風洞や土壌タンクは自律的かつ継続的なデータ収集のための技術のセンサ技術の状態の一式が装備されています。風速は、圧力変換器に取り付けられたステンレス鋼製のピトー静管を用いて測定されます。温度および相対湿度は、2種類のセンサを使用して、大気中でモニターされます。相対湿度と温度は、土壌表面で監視されています。地下対策土壌水分や温度センサー。タンク装置の重量測定は、水の質量収支を介して蒸発を決定するために使用されます。この実験装置およびプロトコルの適用性を実証するために、我々は、様々な風速の条件下での裸の土壌蒸発の例を提示します。土槽は、十分に特徴付け砂を均一に充填し、最初は完全にSAました（ すなわち 、温度、風速）turatedと慎重に制御大気条件下で自由に蒸発させます。
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Protocol
注：臨床検査は、気候制御風洞装置とインターフェース二次元ベンチスケールタンクを使用して実行されます。ベンチスケールタンクと風洞の両方が、様々なセンサー技術が装備されています。以下のプロトコルは、最初の風洞との両方の計測器の説明に続いて、土槽の構築と準備について説明します。提示タンク寸法、風洞寸法、センサの数、センサ技術の種類は、特定の実験設定のニーズに合わせて変更することができます。以下に示すプロトコルは、実験的に裸の土壌蒸発の風速の影響を研究するために使用されました。
1.多孔質媒体土壌タンクの構築と準備
- 5個々のペインに1.2センチメートル厚いアクリルガラスの大部分をカットします。内部の長さ、幅、および25、9.1、55センチ、高さとオープン突破土槽にこれらのペインを組み立て、RESPectively。アクリルガラスは、表面下の処理が視覚的に観察することができます。
- 図1に示すように、2つの大きなガラス板（長さ25センチメートル、高さ55センチメートル）のそれぞれに25センチメートル25センチ、5×5のグリッドを描画します。グリッド内の各正方形を25 cm 2の面積を有していることを確認してください（ 図1）。グリッドは、センサは、土壌槽内で適切に空間に使用されます。
図1：実験の設定に使用する土槽の概略正面および側面図（寸法はセンチメートルである）（a）の土壌槽の正面図は、x 5センチメートル二 十から五5cmのからなるグリッドシステムを表示します。正方形。 （b）は、土壌タンクの側面図、FUNCように設置された温度、相対湿度、土壌水分センサネットワークを示します深さの化。回路図は、縮尺通りに描かれていないことに注意してください。
- 大きなガラス面の一方に25枚1.9センチメートル（¾インチ）土壌水分センサーの直径の穴の合計をドリル。
- 2当接する四角形の穴の中心を5センチ離れているように、ステップ1.2に設立され、グリッド内の各正方形の中央にそれぞれ穴を開け、穴の第1のセットは、タンクの上部2.5未満cmです。新しく作成された穴のそれぞれにスレッドをカットするために適切なサイズのタップを使用してください。センサ間5cmの間隔は、各センサは、次に最も近いセンサーのサンプルボリュームの外にあることを保証します。
- 同様に、ドリルやステップ1.2の間に作成した各グリッドボックスの中心に二十から五0.635センチメートル（1/4インチ）直径の穴の合計をタップします。各穴の中心が2.5センチメートル土槽の上部の下方に位置する穴の最初の行で5センチメートル離間されていることを確認します。センサ間の5cmの間隔は、各sことを保証しますアンソールは次に最も近いセンサのサンプルボリュームの外にあります。
- タンクの底部として使用されるアクリルペインで、ドリル、ペインの中央に単一の½インチ径の穴をタップします。ガラスの内側の穴の上に（使用されるテストの土壌よりも細かい）メッシュスクリーンを接着。底面の外側に、調節可能な弁をフレキシブルチューブに接続されている90°エルボーをインストールしてください。このバルブとチューブは、実験の終了時に、または一定の水のテーブルの深さを維持するための一定のヘッド装置をインストールする方法として、タンクから水を排出するために使用されます。
- 図1に示すように一緒にタンクを取り付け、密封するために、海洋グレードの接着剤または類似の耐水性ポリマー接着剤を使用してください。接着剤は、一日のために硬化させます。
- 地面から離れてタンクを上げ、90°エルボ（ 図1）のためのスペースを作る、lengtで1.2センチメートル厚いアクリルガラスの二つの追加の部品を接続するにはタンクの底にH 12センチ、高さ5センチメートル。
2.気候制御風洞の構築と準備
- 8.5センチメートルの幅26センチ高さを有する矩形状の亜鉛メッキ鋼ダクト材料から風洞215センチの上流部を構成しています。ポリスチレン断熱材とダクトの外側を囲みます。
- 相対湿度·温度センサを挿入するための風洞の上流部の下流出口付近ダクト工事の側に小さな穴を開けます（ 図2）。
図2：タンク、配管、センサーグリッド（寸法はセンチメートルである）を含む、完全な実験設定は、組み合わせ風洞や土壌タンク装置の実験的なセットアップを完了します。風洞があります上昇と土壌タンクの表面と同一平面に位置しています。土壌は、地下タンクと大気の変数の多様性を測定するために使用されるセンサネットワークが装備されています。グリッド円は、これらのセンサを挿入するための場所を表します。加熱制御システムとインラインダクトファンは、それぞれ、温度と風速を制御するために使用されます。ピトー管は、静的な風速を測定するために使用されます。装置全体は、実験中の質量バランスを得るために、重み付けスケールに位置しています。概略は、一定の縮尺で描かれていないことに注意してください。
- 風洞の上流部の長さに沿って反射鏡内に平行に配置5セラミック赤外線加熱要素をインストールします。赤外線温度センサにより温度調節制御システムに赤外線加熱要素を接続します。
- それぞれ25センチメートルおよび26センチの長さと高さを持つ2つの1.2センチメートル厚いアクリルパネルのうち風洞の中央部分を構築します。図2に示される位置での温度および/ または湿度、温度センサを挿入するために中央部分のパネルの1つ二つ0.635センチメートル（1/4インチ）直径の穴をドリル。
- 風洞や土壌タンクパネルが互いに同一平面に座っていることを保証する、強力な粘着テープを使用して（25センチ×55センチメートル寸法を有する、すなわち 、パネル）土壌槽の側壁の上部にアクリルパネルを固定します。
- ステップ2.1で説明したのと同じサイズの矩形ダクト材料から風洞の下流部分の最初の50センチ構築します。着信側で170センチ長さ15.3センチ、直径円形ダクトに矩形ダクト材料を減らすことができます。亜鉛メッキ鋼ダンパーを取り付け、風の速度制御の補助のための円形ダクトの遠下流端に、風速を調整するために使用。
- ステップ2.2のように、のための入口付近下流矩形ダクトの側面に1 0.635センチメートル直径の穴を開け相対湿度·温度センサを挿入します。風洞の中心線に沿った矩形ダクトの上から二番目0.635センチメートル直径の穴を開けます。
- 風洞の下流部分から空気を排出するように配向（ステップ2.4で説明した縮小から、すなわち 、85センチメートル下流）円形ダクトの途中でのインラインダクトファンを取り付けます。回転数をより正確に制御するため、結果風速などの可変速度制御器とファンとのインタフェース。
- 風洞装置を上昇し、確保するために溶接材料と調節可能な棚ユニットを使用してください。上流と下流の配管の底は土槽（ 図2）の頂部と同一平面であることを確認してください。
センサーの3.インストール
- 土槽内のインストールの前に、ねじNPT（1.9センチ、0.635センチメートルハウジング）ハウジングとSE内の各土壌水分と温度センサーを確保水分の浸入を防止するために、シーラントを点滅でアル。彼らはいくつかのセンサ内の電子機器を妨害することができるようシリコーン系シーリング材の製品を使用しないでください。約1週間のためのセンサを治します。
- 土壌槽内に設置する前に、榊ら 12によって開発された2点α混合法に従って土壌水分センサーを校正します。
- NPTスレッドとアクリルガラスとの間のより良好なシールを提供するのに役立つようにタンク内に設置する前に、配管工のテープで各NPTハウジングのスレッドをラップします。
- ステップ1.2で説明した場所で、タンクの壁を介して水平方向に25土壌水分と温度センサーの合計をインストールします。ケーブル内の内部配線に損傷を与えないようにNPTフィッティング/ハウジングに同期してセンサケーブルをねじります。割れたガラスを防止するために、オーバートルクNPTSをしないでください。土壌水分センサと温度センサは、その指定されたデータへの接続しますロガー。
- タンクの先端から2.5、12.5および21.5センチメートルの距離で土壌表面上の3相対湿度温度センサーを取り付けます。相対湿度の測定値は、土壌表面での条件ではなく、周囲の空気を反映するように土壌表面との良好な接触にセンサーを配置します。データロガーにセンサーを接続します。
- 大気中の必要な空気の温度と相対湿度の測定値を得るために、風洞の上流と下流のセクションだけでなく、パネルを開けた穴を使用して、風洞のフリーフローのセクションで、相対湿度、温度センサーを設置。
- 下流の風洞部の上部に開け0.635センチメートルホールを介して土壌槽の下流に直接ピトー静圧管をインストールしてください。セクションの床から21センチの高さにピトー静圧管を保持します。差圧トランスデューサにピトー静圧管を接続します。
- セイ差圧トランスデューサを電子。停滞と静圧の差として定義されるピトー静圧管対策動圧。圧力差は、電圧差として圧力変換器により解釈されます。
- 流れがない条件で電圧を測定（電圧が0にほぼ等しくなるべきである）、および既知の動圧の流れのために、これは、線形関係が動圧と電圧との間に確立されることを可能にします。ベルヌーイの方程式を適用することにより風速を決定します。
（1）
V（メートル/秒）風速、P ダイナミック （Pa）である動圧、およびρ（キログラム/ m 3）であり、空気の密度です。 - 他の測定装置と、式（1）を用いて計算した速度の比較。ここでは、ピトー静圧管の差圧TRAを比較レーザードップラー流速計（LDV）±0.01メートル/秒の精度を有する測定とnsducer。
注：使用され、それらに関連するサンプリング周波数は、 表1に見ることができるセンサの概要を、センサの仕様およびその他の情報については、同封の材料/機器リストを参照してください。
- 流れがない条件で電圧を測定（電圧が0にほぼ等しくなるべきである）、および既知の動圧の流れのために、これは、線形関係が動圧と電圧との間に確立されることを可能にします。ベルヌーイの方程式を適用することにより風速を決定します。
（1） | センサー | センサ計測 | 実験装置に適用センサの数 | センサーサンプリング周波数（分） |
| EC-5 | 土壌水分 | 25 | 10 |
| ECT | 土壌/気温 | 25 | 10 |
| SH-1 | 熱特性 | 1 | 10 |
| EHT | 相対湿度/温度 | 10 | |
| 赤外線カメラ | 表面温度/蒸発 | 1 | 1 |
| デジタルカメラ | 乾燥前の可視化 | 1 | 60 |
| ピトー静圧管 | 風速 | 1 | 10 |
| 重み付けスケール | 累積蒸発/蒸着レート | 1 | 10 |
表1：本研究の実験部分に使用されるセンサのまとめ。
4.土壌タンクをパックし、実験開始の準備
- 土壌とタンクを充填する前には、リークテストを行うことにより、その完全性をテストします。水でタンクを満たし、構造またはセンサには漏れが発生しなかったことを確認し、4〜6時間を待ちます。
- 漏れが開発する場合、それは一晩乾燥させ、同じMを使用してリークを修正し、タンクを排水元の建設中に使用arine接着剤。漏れが開発していない場合は、土槽を排水し、以下の手順の準備をします。
- 代わりにセンサーを備えたタンクの総容量を決定します。慎重に添加する水の量を記録して確認して、メスシリンダーを用いて水でタンクを埋めます。ステップ4.5で使用するための立方センチメートルに記録された総容量に変換します。
- 土槽をパックするために乾燥土壌を入手します。スミッツら論じた方法に従って別々に選択された土壌の油圧および熱的特性を特徴づける。11
- 慎重に土と脱イオン水を用いて土壌槽をウェットパック。
- 土槽を濡らすパックには、第1タンクへの水の約5cmを注ぎます。ゆっくりと2.5センチメートル深さの増分で、スクープを使用して、タンク内の水に乾燥土壌を追加します。土壌の梱包の気孔率を算出することができるように、各リフトの間に加えた砂の重量を記録します。
- 完了時各層の繰り返しを通して均一な嵩密度を得るために、ゴム槌を使用して100〜200回のタンク壁をタップします。タッピングしながら、センサーおよびセンサーの配線との接触を避けます。敏感なセンサーのネットワークを損傷しないように、振動装置の使用は避けるべきです。
- タンク充填が完了すると、土壌の全質量を取得する（ステップ4.4参照）は、各土層の重量を一緒に合計します。土壌の嵩密度総質量を分割砂の量を決定するために（ 例えば、石英砂の嵩密度が2.65をg / cm 3である）、（V sを 、CM 3）。によると、タンク内の土壌の空隙率（η、M 3 / m 3で） を計算します：
（2）
ここで、（V T、M 3）が 、ステップ4.2で決定された空のタンクの全容積です。 <実験は蒸発の発症を予防するために開始する準備ができるまで、タンクが完全にパックされると李は>は、このようなタンクの上にサランラップなどのプラスチックカバーを置きます。 - 次に、蒸発速度を計算するために使用することができ、累積水分損失を監視するために、重み付けスケールでタンクを置き。
- 水の密度と蒸発面の断面積との積で毎時重量損失を分割して毎時蒸発率を計算します。
（2） 5.実験を開始し、データ収集を開始します。
- セットアップが完了すると、所望の雰囲気条件（ すなわち 、温度、風速）を決定します。データロガーやその他のデータ収集システムは、正しいサンプリング間隔（ 例えば 、10分毎）にオンと設定されていることを確認。
- ファンと温度制御システムを起動します。気候条件はSの表面にプラスチックのカバーを取り外す前に、平衡化させますオイルタンク。所望の時間（ 例えば 、15日）のための実験を実行します。
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Representative Results
ここで紹介する実験の目的は、裸の土壌からの蒸発の風速の効果を研究することでした。本研究で用いた試験土壌の主な特性を表2に要約されている。一連の実験は、土壌表面（ すなわち 、風速及び温度）で異なる境界条件は（ 表3）を適用して行きました。別の風速と温度での4つの実験を行ったが、ここで提示実験結果の大部分は、1.22メートル/秒の風速のためのものです。累積蒸発データは4つのすべての実験のために示されています。
| パッキング条件 | ドライバルク密度 （グラムセンチ-3） | 空気浸入圧 さ（cm H 2 O） | 残留含水量 （M 3メートル-3） | ヴァンGenuchten | |
| モデルのパラメータ * | |||||
| α（-1） | N（ - ） | ||||
| タイト | 1.79 | 16.1 / 22.5 | 0.028 | 0.04 | 20.53 |
表2：使用した実験試験土壌の主な特性。
| 実験の実行＃ | 平均最大風速 | 初期温度 土壌表面に | 最終温度 土壌表面上 |
| （メートル/秒） | | （°C） | | |
| 1 | 0.55 | 27 | 31 |
| 2 | 1.22 | 26 | 33 |
| 3 | 3 | 29 | 37 |
| 4 | 3.65 | 33 | 44.5 |
表3：実験風速を適用。
時間依存は、土壌表面で測定された相対湿度及び温度は、 図3に示されている。相対湿度前急激0.35の安定した相対湿度の値である超えて、次の4日間にわたって減少、約2日間で約0.80比較的一定のままであります得られました。土壌表面の温度が安定化する前に、4日間にわたって増加傾向を示しています。これらの傾向は、全ての4つの実験において観察されたと説明することができます土壌乾燥の条件。時間にわたって存在少ない水蒸気が存在するため、相対湿度は、蒸発速度の減少に関連して減少します。利用可能な水が減少する（ すなわち 、蒸発速度が低下する）として、温度が上昇する蒸発プロセスは、もはや土壌表面を冷却していないからです。最初の3日間、下流の空気の相対湿度が原因上流蒸発に起因する多くの水蒸気の存在のために、上流側の空気よりも高かったです。この傾向は、原因土壌表面との接触を失うこと上流センサに、後で最も高い逆転しました。センサケーブルは柔軟性があり、時には湿度の読みを変え、土壌表面からのセンサを引き出します。タンクの第21.5センチメートル沿って蒸発プロセスは、空気中に存在する水分の量を増加させたため、下流の測定された相対湿度は、上流の測定よりも大きいです。
<IMGのALT = "図3" SRC = "/ファイル/ ftp_upload / 52704 / 52704fig3highres.jpg"幅= "700" />
図3：土壌表面に測定された相対湿度と温度 （この図はDavarzani らから変更されている5）。
この実験におけるフリーフロー空気温度は、前述の温度制御システムを用いて、40℃の一定値に設定しました。自由な流れの時間依存温度と空気の相対湿度は、土壌表面から8.5 cmで高さで、 図4に示されている。温度の日周変動が観測されたに応じて、ヒータ出力の変動に起因します温度制御システムを調整する赤外線温度センサにより測定された温度は（ステップ2.3参照します）。設定温度値に赤外線温度センサを設定することにより、所望であれば、日内変動を回避することができます。大気の違いタンクの長さに沿って温度が蒸発冷却（ 図4）の結果です。
図4：相対湿度と温度の上流と下流のタンクの7.5センチメートル土壌表面上で測定 （この図はDavarzani らから変更されている5）。
図5aでは、時間依存土壌温度を2.5センチ、7.5センチメートル12.5土壌表面下のCMだけでなく、周囲温度の深さのために示されています。センサー識別のための図1を参照してください。 図5aに見られるように、表面温度と風速が大きい深さで局所温度にあまり影響力のある- 12.5 cm未満の深さでは効果を示さない図5bは、AFとしての温度を示しています2.5センチメートルの深さに位置する3つのセンサのための時間の慰め。自由流れ温度が常に下流（ 図4）より高い上流からである下流側センサ1よりも高い温度を示す上流側センサ5と、この深さでの温度センサのためのわずかな違いがあります。その後に示されるように温度差も、土壌槽における非対称飽和プロファイルをもたらします。
A 
B 
図5：垂直タンクの真ん中で時間の関数として測定された土壌の温度の進化（a）と（b）水平に2.5センチメートルの深さで（この図はMODIFIされていますDavarzaniからED ら 5）。
図6aは、2.5、7.5、12.5、17.5センチの土壌の深さでの時間に対する時間依存飽和を示しています。 12.5センチメートルより大きい深さのために、飽和は、実験の期間のための100％のままでした。土壌表面に近いしかし、彩度は時間の経過とともに減少しました。 図6aに示す飽和が蒸発速度、乾燥前の位置、および支配的な搬送機構14の差によって定義され、蒸発の異なる段階（ すなわち、I期およびII）に関連させることができます。重力と粘性力が毛細管力を支配し始めるとステージI蒸発中に、乾燥前は急速に離れて土壌表面から退避します。この2.5センチの深さに対応した土壌水分センサーの最初の行によって土壌飽和度の測定に減少することにより、第1日目に観察されました。 1日目の後に、フロント共に乾燥する速度7.5センチメートル（ 図6a）の深さに配置されたセンサ6-10のための飽和曲線の緩やかな形状に示すように後退するntinuesが遅くなります。これは、蒸気拡散限られたステージII蒸発蒸発の移行をマークします。ステージIIの最初の部分は、多くの場合、減率期間15〜17と呼ばれています。乾燥前12.5センチの深さに達すると最終的には、飽和曲線を平準とほとんど変化（ 例えば 、センサ13）3日目による。
A 
B 
図6：時間垂直タンクの中央で測定された地下土壌飽和の進化（a）と（b）水平に2.5センチメートルの深さで（このFIGUReはDavarzani ら 5）から変更されています。
図6bを2.5センチ一定の深さに位置する3つのセンサのための時間に対する飽和を示しています。飽和曲線は、ほぼ同一であり、この深さで、タンクの全長にわたって一貫しています。わずかな非対称分布は風洞の上流及び下流部分間の空気の温度差に起因します。上流の温度は一貫していたので蒸発を駆動する数度暖かく、大気中の需要が、高くなり、したがって、乾燥のわずかに速い速度が存在することになります。
図7は、時間の関数として、風速、1.22メートル/秒の平均値を示しています。風速の観察された正弦波昼間の傾向は、このような気圧と空気密度などの大気条件の変化の結果です。平均風速はdiurの効果ためのモデリング努力で使用されました大気変数の最終変動が本研究の焦点ではありませんでした。しかし、これは、その時間依存データが使用できないわけではありません。蒸発一連の実験の一環として、四つの異なる平均風速を適用しました。概要については、表3を参照してください。本研究における全ての実験のための計算されたレイノルズ数は、層および遷移流レジーム内でした。しかし、それも表面乱流が蒸発速度16に影響を与えることができ、今後の研究で対処する必要があることを知っています。
図7：時間依存1.22メートル/秒の平均値と土壌表面上の風速- 1（この図はDavarzani ら 5から変更されています。）。
気流の影響で累積蒸発の空き流体領域（ すなわち、大気）は、 図8に示されている。累積蒸発は0.50、1.20、3.00および3.60メートル/秒、4つの異なる自由な流れの平均風速（Vwの）に対してプロットされています。結果は、風速が異なる蒸発段階における累積蒸発水損失量に非常に顕著な効果を有することを実証します。風速が増加すると、 図8に示すように、合計蒸発を増加させます。曲線の傾きを比較することにより、最大の影響は、最初の蒸発速度にあった、ここで1蒸発がしばしば高く、比較的一定の蒸発速度17によって定義され、主に大気需要はなく土壌条件によって影響されるステージ1ステージと呼ば。風速がさらに3.6メートル/秒に3から増加するにつれて、蒸発は、低風速での変化について観察されたよりも、風速の増分変化にはるかに少ない依存性を示します。増加同時に、ステージII、ステージ5のIからの遷移時間を短縮しながら、風速は、ステージIの蒸発率の増加につながります。蒸発の風速の影響は多孔質媒体によって主に制御されるステージIIの蒸発にはあまり重要です。この段階では、蒸発は、水が拡散ではなく、大気を介して需要土壌表面に伝達することができる速度によって制御されます。
図8：累積蒸発の異なる平均風速の影響 （この図はDavarzani らから変更されている5）。
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Discussion
このプロトコルの目的は、熱および質量移動プロセスに対して土地の大気相互作用を研究するために必要な高い空間分解能と時間分解能データを生成するための実験装置および関連する手順を開発することでした。記載された実験装置は、適切な土壌を測定するためのセンサのアレイと大気の変数（ 例えば 、風速、相対湿度、土壌、空気温度と土壌水分を装備した、どちらも土壌タンクと小型風洞、から構成され）。以下、本研究で提示プロトコルの最も重要なコンポーネントの一部です。
タンクの大きさとセンサの配置は、具体的には、センサのそれぞれの試料体積を考慮しながら用いられるセンサの数を最大にするように選択しました。センサの最初の行が原因Voとして定義された各センサーのサンプルボリューム（に2.5センチメートル土壌表面の下にあります環境条件の変化は、センサの測定値に影響を与える内のセンサ、周りの土のLUME）。センサー線は土壌自体の中にならないようにNPT継手に配置されたセンサは、土壌槽の壁を通って水平に設置されています。全てのセンサ線は水チャネリングを防止し、タンクの外にあります。温度および土壌水分センサーの大規模なネットワークの導入は、これらの変数の水平方向および垂直方向の分布が細かい空間分解能で決定することができます。
重み付けスケールで土壌タンクを配置する累積水分損失と関連する蒸発速度は、上記の水のマスバランス法を用いて決定することができます。これらの値は、そのような組み合わせの熱パルスとトラウツら用い顕熱分散方法などの他の方法を用いて得られた蒸発速度と比較することができる。18
明朝の風洞部、上流下流と中間部 - atusは、次の3つの部分から構成されています。上流部分は、それが温度制御システムの助けを借りて、中央部に土槽の上に描画される前に、空気を加熱するために使用されます。風洞の中央部分は、温度および相対湿度を測定するためのセンサー技術が装備されています。風洞の下流部はピトー静圧管を用いて監視されている風速を制御するためのインラインダクトファンとダンパーが含まれています。
上述の土壌タンク風洞装置の適用性は、蒸発速度に風速の影響の実験的事例研究で実証されました。結果は、風速が増加すると増加した蒸発速度と短縮ステージI蒸発時間につながることを示しています。 3メートル/秒を超えて風速を増加させることが、ステージIの蒸発にはほとんど追加の影響を示します。プロパティOによって主に支配ステージIIの蒸発、多孔質媒体Fの独立したまたはわずかしか風速によって影響を受けるように見えます。
この実験プロトコルは、土壌条件の変化（ すなわち 、異なる土壌、構成、植生、都市環境を梱包）、気候の境界条件（温度、風速、降水量）または地下の条件を含めるように様々な環境条件にも適用可能である（ 例えば、変化する水テーブルレベル）。記載された装置の寸法およびセンサのレイアウトは異なる実験のニーズに対応するように変更することができます。上述の充填手順は、同様に、そのような変化する多孔性条件、土壌の不均一性などの異なるパッキング構成を考慮するように修正することができます。
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Disclosures
著者は、彼らが競合する金融利害関係がないことを宣言します。
Acknowledgments
この研究は、米陸軍研究室賞W911NF-04-1-0169、工学研究開発センター（ERDC）と国立科学財団補助金EAR-1029069によって資金を供給されました。また、この研究はコロラドスクールオブマインズから学部研究助成サマープログラムによってサポートされていました。著者らは、彼らの貢献のためにライアンToleneとポールシュルテに感謝したいと思います。
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. |
References
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- Verstraete, M. M., Schwartz, S. A. Desertification and global change. Vegetatio. 91, 3-13 (1991).
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- 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).
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