Utforsker effekten av atmosfærisk pådriv på Fordamping: Experimental Integrasjon av Atmospheric Boundary Layer og Shallow Subsurface

Summary

En protokoll for design og bygging av en jord tank tilkobles en liten klima kontrollert vindtunnel for å studere effekter av atmosfæriske pådriv på fordampning er presentert. Både jord tank og vindtunnel er instrumentert med sensorteknologi for kontinuerlig in situ måling av miljøforhold.

Introduction

Forstå samspillet mellom jord og atmosfære er viktig for vår forståelse av mange aktuelle problemstillinger som lekker ut av geologisk-sequestered karbondioksid i jord, klima, vann og matforsyning, nøyaktig påvisning av landminer, og utbedring av grunnvann og jord. I tillegg er de primære utveksling av varme og vann som driver globale og regionale meteorologiske forhold oppstår ved jordoverflaten. Mange vær og klima fenomener (for eksempel orkaner, El Ni & # 241; o, tørke, etc.) er hovedsakelig drevet av prosesser knyttet til atmosfærisk-landoverflaten interaksjoner ^en. Ettersom mer enn halvparten av jordoverflaten på jorden er tørre eller semiarid ^2-4, nøyaktig beskriver vannsyklusen i disse områder på grunn av varme og vann utvekslinger mellom den atmosfæriske luften, og jordoverflaten er kritisk for å forbedre forståelsen av de nevnte problemene,spesielt i områder utsatt for utvidet tørke og forørkning. Men til tross for flere tiår med forskning, er det fortsatt mange kunnskapshull i dagens forståelse av hvordan den grunne undergrunnen og atmosfære samhandle ^5.

Transportprosesser som involverer flytende vann, vanndamp og varme i jord er dynamiske og sterkt koplet med hensyn til interaksjoner med jord og fullbyrdes randbetingelser (dvs. temperatur, relativ fuktighet, varmestråling). Numerisk varme- og masseoverføring modeller ofte overforenkle eller overse en rekke av disse kompleksiteten skyldes delvis mangel på testing og videreutvikling av eksisterende teorier som følge av mangelen på høye timelige og romlig oppløsning data. Datasett utviklet for modellen validering er ofte mangler kritisk atmosfærisk eller grunnen informasjon til å teste teorier, noe som resulterer i numeriske modeller som ikke ordentlig står for importmaur prosesser eller være avhengig av bruk av dårlig forstått parametre som justeres eller montert i modellen. Denne tilnærmingen er mye brukt på grunn av sin enkelhet og brukervennlighet, og har i noen programmer vist mye fortjeneste. Imidlertid kan denne tilnærmingen kan forbedres ved å bedre forstå fysikken bak disse "lumped parametriseringer" ved å utføre kontrollerte eksperimenter i henhold forbigående forhold som er i stand til testing varme og vann overføre teorien ^6.

Forsiktig eksperimentering i laboratoriet gir presisjon datasett som skal genereres som senere kan brukes til å validere numeriske modeller. Data tilgjengelig fra felten er ofte mangelfulle og kostbare å få tak i, og graden av kontroll som trengs for å oppnå en grunnleggende forståelse av prosesser og til å generere kunne betraktes data for modell validering utilstrekkelig i visse tilfeller. Laboratory eksperimentering av naturfenomener som jord fordampning gjør atmosatmosfæriske forhold (dvs. temperatur, luftfuktighet, vindhastighet) og grunnforhold (dvs. jordtype, porøsitet, pakking konfigurasjon) være nøye kontrollert. Mange laboratorieteknikker som brukes til å studere jord fordamping og jord termiske og hydrauliske egenskaper bruke destruktiv prøvetaking ^7-10. Destruktive prøvetakingsmetoder krever at en jordprøve pakkes ut for å få punktdata, hindrer måling av forbigående atferd og forstyrre jord fysiske egenskaper; denne tilnærmingen innfører feil og usikkerhet til dataene. Destruktive målinger, som den metoden som presenteres her, gi mer nøyaktig bestemmelse og studier av den gjensidige avhengigheten av jordegenskaper og prosesser ^11.

Målet med dette arbeidet er å utvikle en jord tank apparater og tilknyttede protokoll for generering av høy romlig og tidsmessig oppløsning data knyttet til virkningene av endringer i atmosfæriske og undergrunnsforhold påbare-jord fordampning. For dette arbeidet, er en liten vindtunnel i stand til å opprettholde en konstant vindhastighet og temperaturen tilkobles med en jordtank apparat. Vindtunnelen og jord tank er instrumentert med en pakke med state of the art sensorteknologi for autonome og kontinuerlig datainnsamling. Vindhastigheten måles ved hjelp av en rustfri stål pitot-statiske rør festet til en trykktransduser. Temperatur og relativ fuktighet overvåkes i atmosfæren ved hjelp av to typer sensorer. Relativ fuktighet og temperatur blir også overvåket ved jordoverflaten. Sensorer i undergrunnen tiltaket jordfuktighet og temperatur. Vekt målinger av tanken anordningen benyttes for å bestemme fordampning gjennom en vannmassebalanse. For å demonstrere anvendelsen av denne eksperimentelle apparater og protokollen, presenterer vi et eksempel på bare-jord fordampning under varierende vind hastighetsforhold. Jordsmonnet tank, homogent pakket med en godt karakterisert sand, var innledningsvis fullt SAturated og lov til å fordampe fritt under nøye kontrollerte atmosfæriske forhold (dvs. temperatur, vindstyrke).

Protocol

Merk: Laboratorieundersøkelser utføres ved hjelp av en to-dimensjonal benk anken grensesnitt med et klimakontrollert vindtunnel apparat. Både benken anken og vindtunnel er instrumentert med ulike sensorteknologier. Følgende protokoll vil først på selve konstruksjonen og fremstillingen av jord tanken, etterfulgt av en diskusjon av vindtunnelen og instrumentering av begge. Tanken dimensjoner, vindtunnel dimensjoner, antall sensorer og sensorteknologi typen som presenteres kan endres for å dekke behovene til en bestemt eksperimentelt oppsett. Protokollen presenteres nedenfor ble brukt til å eksperimentelt studere effekter av vindhastighet på bare-jord fordampning.

1. Bygging og klargjøring av porøse medier Soil Tank

1. Skjær et stort stykke 1,2 cm tykk akrylglass i fem individuelle ruter. Montere disse rutene til en åpen-toppet jord tank med indre lengde, bredde og høyde på 25, 9,1 og 55 cm, respectively. Akrylglass tillater prosesser i undergrunnen som skal observeres visuelt.
2. Tegn en 5 x 5 rutenett som er 25 cm x 25 cm på hver av de to store glassruter (lengde 25 cm og høyde 55 cm), som vist i figur 1. Påse at hver kvadrat innenfor gitteret har et areal på 25 ^cm2 (Figur 1). Gitteret vil bli brukt til riktig plass sensorene i jorda tanken.

Figur 1: Skjematisk front- og sideutsikt over jordtank brukes til eksperimentelle oppsett (dimensjoner er i centimeter) (a) Forfra av jord tank viser bæresystem som består av tjuefem 5 cm x 5 cm. firkanter. (B) Et sideriss av jord tanken, som viser den installerte temperatur, relativ fuktighet og jordfuktighet sensornettverket som en funksjon av dybde. Legg merke til at tegningene ikke er tegnet i målestokk.

3. På en av de store glass fly, bore totalt tjuefem 1,9 cm (¾ tommer) diameter hull for jordfuktighet sensorer.
   1. Bor hvert hull i midten av hver firkant i rutenettet etablert i trinn 1.2, slik at sentrene av hullene på to tilstøtende rutene er 5 cm fra hverandre; det første sett med hull er 2,5 cm under toppen av tanken. Bruk riktig størrelse kraner for å kutte tråder i hver av de nyopprettede hull. Den 5 cm avstand mellom sensorer sikrer at hver sensor er utsiden av prøvetakingsvolumet av de neste nærmest sensoren.
4. Tilsvarende, bore og trykker totalt tjuefem 0,635 cm (¼ tommer) diameter hull i midten av hver grid boks opprettet i trinn 1.2. Sørg for at sentrum av hvert hull er plassert 5 cm fra hverandre med den første raden av hull ligger 2,5 cm under toppen av jorda tank. Den 5 cm avstand mellom sensorer sikrer at hver sEnsor utsiden av prøvetakingsvolumet av de neste nærmest sensoren.
5. På akrylruten brukes som bunnen av tanken, drill og trykk én ½ tommers diameter hull i midten av panelet. Lim et gitter (finere enn test jord som skal benyttes) over hullet på den indre side av glasset. På den ytre side av bunnplanet, installere en 90 ° albue som er festet til et fleksibelt rør med en justerbar ventil. Denne ventil og røret blir brukt til å drenere vann fra tanken ved slutten av forsøket, eller som en måte for å installere konstant hodeinnretninger for å opprettholde konstant vannbord dybder.
6. Bruk sjøvannsbestandig lim eller lignende vannfast lim polymer for å feste og forsegle beholderen sammen som vist i figur 1. La limet til å herde i en dag.
7. For å heve tanken ut av bakken og gjøre plass for 90 ° albue (figur 1), feste to ekstra biter av 1,2 cm tykk akrylglass med lengtH 12 cm og høyde 5 cm til bunnen av tanken.

2. Bygging og klargjøring av klima kontrollert Wind Tunnel

1. Konstruer 215 cm lang oppstrøms del av vindtunnel med rektangulær galvanisert stål kanaler materiale som har en bredde på 8,5 cm og en høyde på 26 cm. Omgi utsiden av kanalen med polystyren isolasjon.
2. Bore et lite hull i siden av kanal nær den nedstrøms utløpet av oppstrømsdelen av vindtunnelen for innsetting av en relativ fuktighet-temperatursensor (figur 2).

Figur 2:. Komplett eksperimentelle oppsettet, inkludert tank, kanaler, sensorer grid (dimensjoner er i centimeter) Fullfør eksperimentelt oppsett av den kombinerte vindtunnel og jord-tank apparat. Vinden tunnel erforhøyet og sitter i flukt med overflaten av jord tanken. Jordsmonnet tank er instrumentert med et nettverk av sensorer som brukes til å måle en rekke undergrunnen og atmosfæriske variabler. Sirklene grid representerer de stedene for å sette inn disse sensorene. En varmereguleringssystem og en in-line kanalvifte blir brukt til å styre temperaturen og vindhastighet, respektivt. Den pitot-statiske rør brukes til å måle vindhastigheten. Hele apparatet sitter på en vekting skala for å oppnå en massebalanse under eksperimentering. Merk at skjematisk ikke er tegnet i målestokk.

3. Installer fem keramiske infrarøde varmeelementer anbragt i parallell i en reflektor langs lengden av oppstrømsdelen av vindtunnelen. Koble de infrarøde varmeelementer til et temperaturreguleringssystem regulert av en infrarød temperatursensor.
4. Konstruer midtpartiet av vindtunnel med to 1,2 cm tykke akrylplastplater med en lengde og høyde på 25 cm og 26 cm henholdsvis.Bore to 0,635 cm (¼ tommer) diameter hull i en av midtpartiet paneler for å sette relative fuktigheten-temperatursensorer temperatur og / eller på vist i figur 2 steder.
   1. Fest akryl paneler til toppen av jord tanksidevegger (dvs. paneler med dimensjoner 25 cm x 55 cm) med en sterk teip, som sikrer at vindtunnel og jord tank paneler sitte i flukt med hverandre.
5. Konstruer de første 50 cm av nedstrømsdelen av vindtunnelen ut av samme størrelse rektangulære kanal materiale er beskrevet i trinn 2.1. På den terminerende side, reduserer den rektangulære kanal materialet til en 15,3 cm diameter rund kanal med lengde på 170 cm. Installer en galvanisert stål spjeld, som brukes til å justere vindhastigheter, helt til nedstrøms slutten av runden kanal for bistand i vindhastighet kontroll.
6. Som i trinn 2.2, bore en 0,635 cm diameter hull i siden av nedstrøms rektangulær kanal i nærheten av inngangen tilinnsetting av en relativ fuktighet-temperaturføler. Bore en andre 0,635 cm diameter hull fra toppen av den rektangulære kanal langs senterlinjen av vindtunnelen.
7. Installere en in-line kanalvifte i midten av det runde røret (dvs. 85 cm nedstrøms fra reduksjon er beskrevet i trinn 2.4) orientert for å drive ut luft fra nedstrømsdelen av vindtunnelen. Grensesnitt viften med en variabel hastighet kontrolleren for mer presis styring av rotasjonsfrekvens og som et resultat vindhastighet.
8. Bruk weldment materiale og justerbare hyller enheter for å heve og sikre vindtunnel apparat. Sørg for at bunnen av oppstrøms og nedstrøms kanaler er i flukt med toppen av jorda tanken (figur 2).

3. Montering av sensorer

1. Før installasjon i jorda tank, sikre hver jordfuktighet og temperatur sensor i et gjenget PT boliger (1,9 cm og 0,635 cm rhus, henholdsvis) og seal med blinkende fugemasse for å hindre fuktinntrengning. Ikke bruk silikonbasert fugemasse produkter som de kan forstyrre elektronikken i noen sensorer. Kurere sensorene i ca en uke.
2. Før installasjon i jordtanken, kalibrere jordfuktighet sensorene i henhold til to punkt α-blandingsmetoden utviklet av Sakaki et al., ^12.
3. Vikle trådene i hver PT huset med rørleggere tape før installasjon i tanken for å gi en bedre tetning mellom NPT gjenger eller akrylglass.
4. Installer totalt 25 jordfuktighet og temperatursensorer hver horisontalt gjennom vegger av tanken på de stedene som er omtalt i trinn 1.2. Tvinn sensorkablene i sync med NPT fitting / boliger slik at de ikke skade interne ledninger innenfor kablene. Ikke over-moment de NPTs slik som å hindre at glasset sprekker. Koble jordfuktighet sensorer og temperatursensorer til sine utpekte dataloggere.
5. Installer 3 Relativ fuktighet-temperatursensorer på jordoverflaten i en avstand på 2,5, 12,5 og 21,5 cm fra den øvre kanten av tanken. Plasser sensorene i god kontakt med jordoverflaten, slik at den relative luftfuktighet reflektere forholdene på jordoverflaten i stedet for den omgivende luft. Koble sensorene til dataloggere.
6. For å oppnå den nødvendige lufttemperatur og relativ fuktighet målinger i atmosfæren, installere relative fuktighet og temperatur-sensorer i den frie strømningstverrsnittet av vindtunnelen, ved hjelp av hull boret gjennom de oppstrøms og nedstrøms seksjoner av vindtunnelen samt panelene.
7. Installere en pitot-statiske rør direkte nedstrøms av jord tanken gjennom 0,635 cm hull som er boret i toppen av den nedstrøms vindtunnelseksjonen. Hold pitot-statiske rør i en høyde av 13 cm fra gulvet av seksjonen. Koble pitot-statiske røret til en differensialtrykk-transduktor.
8. Calibrate differansetrykkgiver. Den pitot-statiske tuben måler dynamisk trykk som er definert som differansen av stagnasjon og statiske trykk. Trykkforskjellen blir tolket av trykktransduser som en spenningsforskjell.
   1. Måle spenning under noen strømningsforhold (spenning bør være omtrent lik 0), og for strømning av en kjent dynamisk trykk; Dette gjør at en lineær sammenheng som skal etableres mellom dynamisk trykk og spenning. Bestem vindhastighet ved å bruke Bernoullis ligning:
      (1)
      hvor V (m / sek) er vindhastigheten, P _dynamisk (Pa) er dynamisk trykk, og ρ (kg / m ³⁾ er tettheten av luft.
   2. Sammenlign hastigheten beregnes ved bruk av ligning (1) med en annen måleinnretning. Her kan sammenligne pitot-statisk tube differansetrykkregulatorer transducer med laser dopplervelosimetri (LDV) målinger som har en nøyaktighet av ± 0,01 m / sek.
      Merk: Et sammendrag av sensorer ansatt og deres tilknyttede samplingsfrekvenser kan finnes i tabell 1 For sensor spesifikasjoner og annen informasjon, se vedlagte materialer / utstyrsliste..

Sensor	Sensor Målinger	Antall sensorer Sysselsatte i eksperimentelle enheter	Sensor Sampling Frequency (min)
EC-5	Jordfuktighet	25	10
ECT	Jord / lufttemperatur	25	10
SH-1	Termiske egenskaper	1	10
EHT	Relativ luftfuktighet / temperatur	10
Infrarødt kamera	Overflatetemperatur / fordampning	1	1
Digitalkamera	Visualisering av tørking foran	1	60
Pitot statisk tube	Vindhastighet	1	10
Vekting skala	Akkumulert fordampning / fordampingen	1	10

Tabell 1: Oppsummering av sensorer som brukes i eksperimentelle del av foreliggende undersøkelsen.

4. Pakk Jord Tank og forberede seg til starten av eksperimentet

1. Før pakking tanken med jord, teste dets integritet ved å utføre en lekkasjeprøve. Fyll tanken med vann og vente i 4-6 timer for å sikre at ingen lekkasjer i strukturen eller sensorer har utviklet.
   1. Hvis lekkasjer utvikle, tømme tanken, la det tørke over natten og fikse lekkasjer bruker samme mArine lim brukes under opprinnelige konstruksjonen. Hvis ingen lekkasjer utvikle, tømme jord tank og forberede trinnene nedenfor.
2. Bestemme det totale volumet av tanken med sensorer på plass. Fylle nøye tanken med vann ved hjelp av en målesylinder, og pass på å registrere hvor mye vann tilsatt. Konvertere innspilt totale volumet til kubikkcentimeter til bruk i trinn 4.5.
3. Skaff tørr jord å pakke jord tank. Karakterisere hydrauliske og termiske egenskapene til den valgte jord separat i samsvar med metodene diskutert i Smits et al. ¹¹
4. Nøye våt-pakke jorda tank ved hjelp av jord og avionisert vann.
   1. Til våt-pakke jord tank, først helle ca. 5 cm vann inn i tanken. Tilsett langsomt tørr jord til vannet i tanken, ved hjelp av en skje, på 2,5 cm intervaller dybde. Registrere vekten av sand tilsettes i løpet av hver heis, slik at porøsiteten av jordpaknings kan beregnes.
   2. Ved ferdigstillelsei hvert lag, gjentatt trykk på tankveggene ved hjelp av en gummiklubbe, 100-200 ganger, for å oppnå en jevn romvekt hele. Mens tapping, unngå kontakt med sensorer og sensor ledninger. Bruken av vibrasjonsinnretninger bør unngås, for ikke å skade følsomme nettverket av sensorer.
5. Ved fullføring av pakking av tanken, summerer sammen vektene til hvert jordlaget (se trinn 4.4) for å få den totale masse av jord. Dele den totale massen av massetetthet på jord (f.eks bulktetthet på kvartssand er 2,65 g / cm ³⁾ for å bestemme volumet av sand (V _s, cm ^3). Beregn porøsitet (η, m ³ / m ³⁾ fra jord i tanken i henhold til:
   (2)
   hvor (V _T, m ³⁾ er det totale volum av den tomme tanken bestemt i trinn 4.2.
<li> Når tanken er fullt pakket, plassere et plastdeksel som saran vikle over tanken før forsøket er klar til å begynne å hindre utbruddet av fordampning.
6. Plasser tanken på en vekting skala for å overvåke kumulativ vanntap som igjen kan brukes til å beregne fordamping rate.
7. Beregn time fordampningshastigheten ved å dividere hver time vekttap av produktet av tettheten av vannet, og tverrsnittsarealet av den fordampende overflaten.

5. Start Experiment og starte datainnsamlingen

1. Når oppsettet er ferdig, bestemmer de ønskede atmosfæriske forhold (dvs. temperatur, vindhastighet). Sørg for at dataloggere og andre datainnsamlingssystemer er slått på og stilt inn i riktige samplingsintervaller (f.eks hvert 10 min).
2. Start vifte og temperaturkontrollsystem. La de klimaforhold skal stabilisere seg før du fjerner plastdekselet på overflaten av soljetank. Kjør eksperiment for ønsket tidsrom (f.eks 15 dager).

Representative Results

Formålet med forsøket presentert her var å studere effekten av vindhastigheten på fordampning fra bar jord. Viktige egenskaper av test jord anvendt i denne studien er oppsummert i tabell 2. En serie forsøk ble utført hvori forskjellige grensebetingelser på overflaten av jord (dvs. vindhastighet og temperatur) ble anvendt (tabell 3). Selv om fire eksperimenter på ulike vindhastigheter og temperaturer ble utført, de fleste eksperimentelle resultatene som presenteres her er for en vindhastighet på 1,22 m / sek. Kumulativ fordampning data er vist for alle fire eksperimenter.

Pakking betingelser	Tørrbulk Density (G cm-3)	Air Entry Trykk (Cm H 2 O)	restvanninnhold (M 3 m -3)	Van Genuchten
			Modellparametere *
			α (cm -1)	n (-)
Stramt	1.79	16.1 / 22.5	0,028	0,04	20.53

Tabell 2: Sentrale egenskaper eksperimentelle test jord brukes.

Eksperiment Run #	Gjennomsnittlig maksimal vindstyrke	Initial Temperatur på jordoverflaten	Endelig Temperatur på jordoverflaten
	(M / s)		(° C)
1	0,55	27	31
2	1,22	26	33
3	3	29	37
4	3,65	33	44.5

Tabell 3: Eksperimentelle vindhastigheter brukt.

Tidsavhengig relativ fuktighet og temperatur målt ved jordoverflaten er presentert i figur 3. Den relative fuktigheten holder seg relativt konstant ved omkring 0,80 i omtrent to dager før bratt avtagende løpet av de neste fire dager, hvoretter et stabilt relativ fuktighet-verdi på 0,35 er innhentet. Temperaturen på jordoverflaten viser en økende tendens i løpet av en fire dagers periode før stabilisering. Disse trendene ble observert i alle fire eksperimenter og kan forklares påform av jord tørking. Relativ fuktighet avtar i forbindelse med en reduksjon i fordampingen fordi det er mindre vanndamp over tid. Temperaturen øker som de tilgjengelige vann minker (dvs. fordampning avtar) fordi prosessen av fordampning ikke lenger kjøler jordoverflaten. I løpet av de tre første dagene, den relative fuktigheten av luft nedstrøms var høyere enn oppstrøms luft på grunn av tilstedeværelsen av mer vanndamp som følge av oppstrøms fordampning. Denne trenden ble snudd senere, mest sannsynlig på grunn av oppstrøms sensor miste kontakt med jordoverflaten; sensorkablene er fleksible og tidvis trekke føleren fra jordoverflaten, endring av fuktigheten ute. Den relative fuktighet skal måles nedstrøms, er større enn den som ble målt oppstrøms fordi prosessen med inndampning langs de første 21,5 cm i tanken øket mengden av fuktighet er til stede i luften.

<img alt = "Figur 3" src = "/ files / ftp_upload / 52704 / 52704fig3highres.jpg" width = "700" />
Figur 3: Relativ fuktighet og temperatur målt på jordoverflaten (Dette tallet er blitt modifisert fra Davarzani et al. ^5).

Den frie flyt lufttemperaturen i dette eksperiment ble satt til en konstant verdi på 40 ° C ved hjelp av den tidligere beskrevne temperaturkontrollsystem. Den tidsavhengige temperatur og relativ fuktighet av luften i fri flyt, i en høyde av 8,5 cm over jordoverflaten, er vist i figur 4. De observerte diurnal svingninger i temperatur er på grunn av variasjon av varme utganger i respons til temperaturen måles av den infrarøde temperaturføler som regulerer temperaturreguleringssystemet (se trinn 2.3). Diurnal svingninger kan unngås, hvis ønskelig, ved å sette den infrarøde temperatursensoren til et sett temperaturverdi. Forskjellen i atmosfærisketemperatur langs lengden av tanken er et resultat av fordampningskjøling (figur 4).

Figur 4: Relativ fuktighet og temperatur målt 7,5 cm over jordoverflaten oppstrøms og nedstrøms i forhold til tanken (Dette tallet er blitt modifisert fra Davarzani et al. ^5).

I figur 5a, er tidsavhengige jordtemperaturen er vist for dypet av 2,5 cm, 7,5 cm og 12,5 cm under jordoverflaten, samt omgivelsestemperaturen; se figur 1 for sensoren identifikasjon. Som vist i figur 5a, overflatetemperatur og vindhastigheten er mindre innflytelse på lokale temperaturer på større dyp -. Viser ingen virkning på dybder under 12,5 cm figur 5B viser temperatur som afunction av tid for tre sensorer som er plassert i en dybde på 2,5 cm. Det er en liten forskjell i temperatur-sensorer på denne dybden med oppstrømssensoren 5, og viser en høyere temperatur enn den nedstrøms sensoren 1. Dette er fordi den fri flyt temperaturen alltid høyere oppstrøms enn nedstrøms (figur 4). Forskjellene i temperatur resulterer også i en asymmetrisk metningsprofil i jorda beholderen som vil bli vist senere.

A

B

Figur 5: Utvikling av målte jordtemperaturen som en funksjon av tiden (a) loddrett på midten av tanken og (b) vannrett i en dybde på 2,5 cm (dette tallet er modified fra Davarzani et al. ^5).

Figur 6a viser den tidsavhengige metning som funksjon av tiden ved jord dybder på 2,5, 7,5, 12,5 og 17,5 cm. For dybder større enn 12,5 cm, forble metning på 100% i løpet av eksperimentet; nærmere jordoverflaten imidlertid metnings redusert over tid. Metnings vist i figur 6a kan være relatert til de forskjellige stadier av fordampning (dvs. fase I og fase II), definert av forskjeller i fordampningshastigheten, plassering av tørke foran, og dominerende transportmekanismer ^14. Under Stage jeg fordampning, trekker tørke foran raskt bort fra jordoverflaten som gravitasjons og viskøse kreftene begynner å dominere kapillære krefter. Dette er observert i den første dagen av den målte reduksjon i jord metning av den første raden av jordfuktighet følere svarende til en dybde på 2,5 cm. Etter dag 1, den hastigheten som tørke foran continues å trekke bremser, som vist i den gradvise formen av metningskurvene for sensorene 6-10 lokalisert ved en dybde på 7,5 cm (figur 6a). Dette markerer overgangen fra fordampning til dampdiffusjon begrenset trinn II fordampning. Den første delen av Stage II kalles ofte den fallende rente perioden ^15-17. Til slutt, metningskurvene flate ut og endre svært lite som tørke foran når en dybde på 12,5 cm (f.eks Sensor 13) ved Dag 3.

A

B

Figur 6: tidsutviklingen av målte undergrunnsjordmetnings (a) loddrett på midten av tanken og (b) vannrett i en dybde på 2,5 cm (denne figure har blitt forandret fra Davarzani et al. ^5).

Figur 6b viser metning som funksjon av tiden for tre sensorer plassert ved konstant dybde på 2,5 cm. Metningskurver er nesten identiske og ensartet over hele lengden av tanken ved denne dybden. Den svakt asymmetrisk fordeling skyldes lufttemperaturforskjellen mellom oppstrøms- og nedstrøms-delene av vindtunnelen. Siden oppstrøms temperaturer var konsekvent et par grader varmere, stemnings etterspørsel, som driver fordampning, ville bli høyere, og derfor ville det være en litt raskere hastighet på tørking.

Figur 7 viser vindhastighet, middelverdi på 1,22 m / sek, som en funksjon av tid. Den observerte sinus dagaktive trend i vindhastighet er et resultat av endringer i atmosfæriske forhold som lufttrykk og lufttetthet. Gjennomsnittlig vindhastighet ble brukt i modellering innsats fordi effektene av diurelle svingninger i atmosfæriske variabler var ikke fokus for denne studien. Dette betyr imidlertid ikke at tidsavhengige data kunne ikke brukes. Som en del av serien av fordampning eksperimenter ble fire forskjellige middelvindhastigheter brukes; se tabell 3 for et sammendrag. De beregnede Reynolds tall for alle forsøkene i denne studien var innenfor laminær og overgangsstrømningsregimer. Men det er godt kjent at overflateturbulens kan påvirke fordampingshastigheter ¹⁶ og bør tas opp i fremtidige studier.

Figur 7: Tidsavhengig vindhastighet over jordoverflaten med en gjennomsnittlig verdi på 1,22 m / sek ^{- 1} (Dette tallet er blitt modifisert fra Davarzani et al. ^5).

Effekten av luftstrømmen iden frie væsken regionen (dvs. atmosfære) på kumulativ fordampning er vist i Figur 8. Akkumulert fordampning er plottet for fire ulike fri flyt gjennomsnittlig vindhastighet (Vw) av 0,50, 1,20, 3,00 og 3,60 m / sek. Resultatene viser at vindhastigheten har en meget fremtredende virkning på kumulativ fordampning, og mengden av vanntapet under de forskjellige stadier fordampning. Som vist i figur 8, øker vindhastigheten øker den totale fordampning. Ved å sammenligne bakken av kurvene, størst innflytelse var på den første fordampningshastigheten, her omtalt som trinn 1. Trinn 1 fordampning er ofte definert av høye og relativt konstant fordampingshastigheter ¹⁷ og er hovedsakelig påvirket av atmosfærisk etterspørsel snarere enn grunnforhold . Som vindhastighet er ytterligere økt fra 3 til 3,6 m / sek, viser fordamping mye mindre avhengighet av inkrementelle endringer i vindhastighet enn det som ble observert for endringer ved lave vindhastigheter. Økendevindhastighet fører til en økning i Stage jeg fordampingen samtidig redusere overgangstiden fra Stage jeg i Stage II ^5. Påvirkningen av vindhastigheten på fordampning er av mindre betydning for trinn II fordampning som styres hovedsakelig av det porøse medium. I denne fasen blir kontrollert fordampning av den hastighet med hvilken vann kan overføres til jordoverflaten via diffusjon heller enn atmosfære etterspørselen.

Figur 8: Effekten av ulike middelvindhastigheter på kumulativ fordampning (Dette tallet har blitt forandret fra Davarzani et al. ^5).

Discussion

Hensikten med denne protokollen var å utvikle et forsøksapparat og tilhørende fremgangsmåter for generering av høy romlig og tidsmessig oppløsning data som er nødvendige for å studere land atmosfærisk interaksjoner med hensyn til varme- og masseoverføringsprosesser. Den eksperimentelle beskrevne apparat besto av en jordtank og en liten vindtunnel, som begge var utstyrt med en rekke sensorer for måling av relevante jord og atmosfæriske variabler (f.eks, vindhastighet, relativ fuktighet, jord og lufttemperatur og fuktighet i jorda ). Følgende er noen av de mest kritiske komponentene i protokollen som presenteres i denne studien.

Tanken dimensjoner og plassering av sensoren ble spesielt utvalgt for å maksimere antall sensorer ansatt mens regnskap for sensorens respektive prøvevolumer. Den første raden av sensorer er 2,5 cm under jordoverflaten på grunn av hver av sensorene prøvevolum (definert som den VOlume av jord rundt sensoren, hvori en endring i miljøbetingelser påvirker sensoravlesninger). Sensorene som er lagt inn i NPT fittings, installeres horisontalt gjennom vegger av jord tanken slik at sensorledningene ikke er i jorda selv; Alle sensorledningene er utenfor tanken, hindrer vann kanalisering. Installasjonen av et stort nettverk av temperatur og fuktighet jord sensorer tillater horisontale og vertikale fordelinger av disse variablene som skal bestemmes ved en høy romlig oppløsning.

Plassere jord tanken på en vekting skala tillater kumulative vanntap og tilhørende fordampningshastigheten skal bestemmes ved hjelp av vannmassebalansemetoden beskrevet ovenfor. Disse verdiene kan så bli sammenlignet med fordampingshastigheter oppnådd ved anvendelse av andre metoder som det kombinerte varmepuls og følbar varme saldometoden anvendes i Trautz et al. ¹⁸

Vindtunnelen del av stofAtus består av tre deler - en oppstrøms, nedstrøms og midtre delen. Den oppstrøms delen brukes til å varme opp luften før den trekkes over jordtanken i midtseksjonen ved hjelp av et temperaturreguleringssystem. Den midtre delen av vindtunnelen er utstyrt med sensorteknologi for måling av temperatur og relativ fuktighet. Nedstrømsdelen av vindtunnelen inneholder en in-line kanalvifte og spjeld for regulering av vindhastigheten som overvåkes ved hjelp av en pitot-statiske rør.

Anvendelsen av jord tank-vindtunnel apparat som er beskrevet ovenfor, ble demonstrert i en eksperimentell studie av virkningene av vindhastigheten på fordampningshastighet. Resultatene viser at økende vindhastighet fører til en økt fordampningshastigheten og forkortet Trinn I fordampning varighet. Økende vindhastighet enn 3 m / sek viser imidlertid liten ytterligere innvirkning på fase I fordampning. Stage II fordampning, styrt hovedsakelig av eiendommer of den porøse medium, ser ut til å være uavhengig av eller bare litt påvirket av vindhastigheten.

Dette eksperimentelle protokollen gjelder for en rekke miljøforhold å omfatte endringer i grunnforhold (dvs. forskjellige jordtyper, pakking konfigurasjoner, vegetasjon og urbane miljøer), klimagrensebetingelser (temperatur, vindstyrke, nedbør) eller undergrunnsforhold (f.eks varierende vann bordnivå). Den dimensjoner og sensor utformingen av den beskrevne apparat kan bli endret for å møte behovene til ulike eksperimenter. Pakkingen Fremgangsmåten beskrevet ovenfor kan på lignende måte bli modifisert til kontoen for forskjellige emballasje konfigurasjoner slik som porøsitet varierende forhold og jord heterogenitet.

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.