Explorando os efeitos de forçantes atmosféricas sobre evaporação: Integração Experimental da Camada Limite Atmosférica e Raso Subsurface
Summary
Um protocolo para a concepção e construção de um tanque de solo interface com uma pequena clima controlado túnel de vento para estudar os efeitos de forçantes atmosféricas sobre a evaporação é apresentado. Tanto o tanque de solo e túnel de vento são instrumentados com tecnologias de sensores para a medição in situ contínua das condições ambientais.
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
Entender a interação entre a terra ea atmosfera é fundamental para a nossa compreensão de muitos problemas do mundo atual, tais como vazamento de dióxido de carbono geologicamente retido no solo, alterações climáticas, água e abastecimento de alimentos, a detecção precisa de minas terrestres, bem como a reabilitação das águas subterrâneas e do solo. Além disso, as principais trocas de calor e de água que impulsionam condições meteorológicas global e regional ocorrem na superfície da Terra. Muitos fenómenos meteorológicos e climáticos (por exemplo, furacões, El Ni & # 241; o, secas, etc.) são principalmente impulsionadas por processos associados atmosférico-terra interações de superfície 1. Como mais de metade da superfície terrestre na Terra é árido ou semi-árido 2-4, descrevendo com precisão o ciclo da água nessas regiões, com base em calor e trocas de água entre o ar atmosférico e superfície do solo é fundamental para melhorar a nossa compreensão da as questões acima mencionadas,particularmente em regiões vulneráveis à seca prolongada e desertificação. No entanto, apesar de décadas de pesquisas, ainda permanecem muitas lacunas de conhecimento na compreensão atual de como a subsuperfície rasa ea atmosfera interagem 5.
Processos de transporte que envolvem água em estado líquido, vapor de água e calor no solo são dinâmicas e fortemente acoplado com respeito às interações com o solo e aplicadas condições de contorno (ou seja, temperatura, umidade relativa, radiação térmica). Modelos de transferência de calor e massa numéricos comumente simplificar ou ignorar um número dessas complexidades, devido em parte à falta de testes e refinamento das teorias existentes resultantes de uma escassez de dados de resolução espacial e temporal elevados. Os conjuntos de dados desenvolvidos para validação do modelo são muitas vezes falta informação atmosférica ou subsuperfície crítico para testar as teorias corretamente, resultando em modelos numéricos que não conta corretamente para importaçãoprocessos de formigas ou dependem da utilização de parâmetros pobremente entendidos que são ajustados ou adaptados ao modelo. Esta abordagem é amplamente utilizado devido à sua simplicidade e facilidade de uso e tem em algumas aplicações mostradas muito mérito. No entanto, esta abordagem pode ser melhorado através de uma melhor compreensão da física por trás dessas "parametrizações aglomeradas" através da realização de experimentos bem controlados sob condições transitórias que são capazes de testes de transferência de calor e água teoria 6.
Experimentação cuidadosa no laboratório permite que os conjuntos de dados de precisão a ser gerada, que pode subsequentemente ser utilizado para validar modelos numéricos. Os dados disponíveis a partir de locais de campo são muitas vezes incompleta e dispendioso de obter, e o grau de controlo necessários para se obter uma compreensão fundamental do processo e para gerar dados para validação do modelo pode ser considerada inadequada, em alguns casos. Experimentação laboratorial de fenômenos naturais, como a evaporação do solo permite atmosatmosférico condições (ou seja, temperatura, umidade relativa, velocidade do vento) e as condições de solo (ou seja, tipo de solo, a porosidade, a configuração de embalagem) deve ser cuidadosamente controlada. Muitas técnicas de laboratório usados para estudar a evaporação do solo e propriedades térmicas e hidráulicas do solo usar amostragem destrutiva 7-10. Métodos de amostragem destrutivos exigir que uma amostra de solo ser descompactado para obter dados de ponto, impedindo a medição do comportamento transitório e perturbando propriedades físicas do solo; esta abordagem introduz erro e incerteza para os dados. Medidas não destrutivas, como o método aqui apresentado, para permitir a determinação mais precisa e estudo da interdependência das propriedades do solo e processa 11.
O objetivo deste trabalho é desenvolver um aparelho tanque de solo e protocolo associado para a geração de dados de resolução espacial e temporal elevados relativos aos efeitos das mudanças na atmosfera e condições de subsuperfície sobreevaporação bare-solo. Para este trabalho, um túnel de vento pequeno capaz de manter uma velocidade de vento constante e temperatura é ligada a um aparelho de tanque de solo. O túnel de vento e tanque de solo são instrumentados com um conjunto de tecnologias estado da arte de sensores para coleta de dados autônoma e contínua. A velocidade do vento é medida usando um aço de pitot-estático tubo de aço inoxidável ligada a um transdutor de pressão. Temperatura e umidade relativa do ar são monitorados na atmosfera utilizando dois tipos de sensores. De humidade relativa e temperatura também são monitorizados a superfície do solo. Sensores na medida subsuperficial do solo umidade e temperatura. As medidas do peso do aparelho de tanque são utilizados para determinar a evaporação através de um balanço de massa de água. Para demonstrar a aplicabilidade deste aparelho experimental e protocolo, apresentamos um exemplo de evaporação bare-solo sob diferentes condições de velocidade do vento. O tanque de solo, embalado de forma homogénea com uma areia bem caracterizado, foi inicialmente totalmente saturated e deixou-se evaporar livremente sob condições atmosféricas cuidadosamente controladas (temperatura, velocidade do vento).
Protocol
Representative Results
Discussion
O objectivo deste protocolo foi desenvolver um aparelho experimental e procedimentos associados para a geração de dados de resolução espacial e temporal elevados necessários para estudar interações terra-atmosfera em relação ao calor e processos de transferência de massa. O aparelho experimental descrito consistiu de um tanque de solo e um túnel de vento pequeno, ambos os quais foram equipados com uma matriz de sensores para a medição de variáveis pertinentes do solo e na atmosfera (por exemplo,<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa foi financiada pelo Exército dos EUA Research Award Escritório W911NF-04-1-0169, da Investigação e Desenvolvimento Centro de Engenharia (ERDC) e da National Science Foundation subvenção EAR-1029069. Além disso, esta pesquisa foi apoiada por uma Programas de Verão em Iniciação Científica conceder pela Colorado School of Mines. Os autores gostariam de agradecer Ryan Tolene e Paul Schulte por suas contribuições.
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. |
References
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