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.

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

Nota: Os testes de laboratório é realizada utilizando um tanque de escala de bancada bidimensional em interface com um aparelho de túnel de vento de clima controlado. Tanto o tanque em escala de bancada e túnel de vento são instrumentados com várias tecnologias de sensores. O protocolo que se segue irá primeiro discutir a construção e preparação do tanque do solo, seguido por uma discussão do túnel de vento e a instrumentação de ambos. As dimensões do tanque, dimensões do túnel de vento, o número de sensores e tecnologia de sensor tipo apresentados podem ser modificados para atender às necessidades de um set-up experimental específico. O protocolo apresentado a seguir foi usado para estudar experimentalmente os efeitos da velocidade do vento sobre a evaporação bare-solo.

1. Construção e Preparação de Porous Media Tank Solo

1. Corte um pedaço grande de 1,2 cm de espessura de vidro acrílico em cinco painéis individuais. Montar esses painéis em um tanque de solo de topo aberto com comprimento interno, largura e altura de 25, 9,1 e 55 centímetros, respectively. Vidro acrílico permite que os processos no subsolo para ser observado visualmente.
2. Desenhar uma grade 5 x 5, que é de 25 cm por 25 cm de cada uma das duas grandes placas de vidro (25 cm de comprimento e de altura 55 cm), conforme mostrado na Figura 1. Assegurar que cada quadrado dentro da grade tem uma área de 25 ^cm2 (Figura 1). A grade irá ser utilizado para o espaço adequadamente os sensores no interior do tanque do solo.

Figura 1: Diagrama esquemático dianteiros e laterais vista para o tanque de solo utilizado para o set-up experimental (dimensões são em centímetros) (a) A vista frontal do tanque de solo exibindo o sistema de grade composta por vinte e cinco 5 cm x 5 cm. praças. (B) A vista lateral do tanque de solo, mostrando a temperatura instalado, umidade relativa e rede de sensores de umidade do solo como um funcção de profundidade. Note-se que os esquemas que não estão desenhadas à escala.

3. Em um dos grandes planos de vidro, perfurar um total de vinte e cinco (1,9 centímetro ¾ de polegada) de diâmetro para os sensores de umidade do solo.
   1. Broca de cada furo no centro de cada quadrado da grelha com sede em Passo 1.2, de modo que os centros dos furos de dois quadrados adjacentes são 5 cm de distância; o primeiro conjunto de furos é de 2,5 cm abaixo do topo do tanque. Use torneiras dimensionadas adequadamente para cortar fios em cada um dos buracos criados recentemente. O espaçamento entre os sensores 5 centímetros assegura que cada sensor está fora do volume de amostragem do sensor seguinte mais próximo.
4. Da mesma forma, perfurar e explorar um total de vinte e cinco 0,635 centímetros (¼ de polegada) de diâmetro no centro de cada caixa de grade criado durante a Etapa 1.2. Certifique-se de que o centro de cada buraco é espaçado cinco centímetros para além da primeira fila de orifícios localizada a 2,5 cm abaixo do topo do tanque do solo. O espaçamento entre os sensores 5 centímetros assegura que cada sensor está fora do volume de amostragem do sensor seguinte mais próximo.
5. No painel acrílico utilizado como o fundo do tanque, e toque broca um furo de diâmetro único ½ polegada no meio do painel. Cole um crivo de malha (mais fino do que os solos de ensaio a ser usada) sobre o orifício no lado interno do vidro. No lado externo do plano de fundo, instalar um cotovelo de 90 ° que está ligado a uma tubagem flexível com uma válvula ajustável. Esta válvula e tubulação é usado para drenar a água do tanque ao término de um experimento ou como uma maneira de instalar dispositivos de cabeça constantes para manter constantes níveis freáticos.
6. Use cola adesiva tipo naval ou polímero resistente à água semelhante para fixar e vedar o tanque em conjunto, como mostrado na Figura 1. Permitir que o adesivo a curar durante um dia.
7. Para levantar o tanque fora do chão e dar espaço para o cotovelo 90 ° (Figura 1), anexar duas peças adicionais de vidro acrílico 1,2 centímetros de espessura com length 12 cm e altura de 5 cm do fundo do tanque.

2. Construção e Preparação de clima controlado Túnel de Vento

1. Construir a porção 215 centímetros de comprimento a montante do túnel de vento para fora do material de condutas de aço galvanizado rectangular que tem uma largura de 8,5 cm e uma altura de 26 cm. Rodeiam o exterior da conduta com isolamento de poliestireno.
2. Broca de um pequeno orifício no lado da conduta de trabalho perto da saída a jusante da porção a montante do túnel de vento para a inserção de um sensor de humidade relativa, temperatura (Figura 2).

Figura 2:. Completa experimental set-up, incluindo tanque, canalização, grade sensores (dimensões são em centímetros) Complete experimental set-up do aparelho túnel de vento e-tank solo combinado. O túnel de vento éelevada e fica nivelada com a superfície do tanque de solo. O tanque do solo é instrumentada com uma rede de sensores utilizados para medir uma variedade de sub-superfície e variáveis ​​atmosféricas. Os círculos da grade representam os locais para a inserção desses sensores. Um sistema de controlo de aquecimento e um ventilador de conduta em-linha são utilizados para controlar a temperatura e velocidade do vento, respectivamente. O tubo de pitot-estático é usado para medir a velocidade do vento. Todo o aparelho fica em uma escala de ponderação para obter um balanço de massa durante a experimentação. Note-se que o esquema não está desenhada à escala.

3. Instalar cinco elementos de aquecimento por infravermelhos cerâmicos posicionados em paralelo dentro de um reflector ao longo do comprimento da porção a montante do túnel de vento. Conecte os elementos de aquecimento infravermelho para um sistema de controle de temperatura regulada por um sensor de temperatura infravermelho.
4. Construa a meados de secção do túnel de vento para fora de dois painéis de acrílico 1,2 centímetros de espessura, com um comprimento e altura de 25 cm e 26 cm, respectivamente.Perfurar dois 0,635 centímetros (¼ de polegada) de diâmetro num dos painéis secção intermédia para inserir a temperatura e / ou sensores de humidade e temperatura relativas nos locais mostrados na Figura 2.
   1. Fixar os painéis de acrílico para o topo das paredes laterais do tanque do solo (ou seja, painéis com dimensões 25 cm x 55 cm) usando uma fita adesiva forte, para assegurar que o túnel de vento e painéis tanque solo ficam nivelados um com o outro.
5. Construir os primeiros 50 cm da porção a jusante do túnel de vento para fora do mesmo tamanho do material de condutas rectangulares descrito na etapa 2.1. No lado do terminal, reduzir o material condutas rectangular a uma conduta redonda 15,3 centímetros de diâmetro, com comprimento de 170 cm. Instale um amortecedor de aço galvanizado, utilizado para ajustar a velocidade do vento, na extremidade a jusante da conduta rodada de ajuda no controle da velocidade do vento.
6. Tal como no Passo 2.2, perfurar um furo de diâmetro 0,635 centímetros no lado de jusante da conduta rectangular perto da entrada para oinserção de um sensor de humidade relativa à temperatura. Perfurar um segundo furo de diâmetro 0,635 centímetro a partir do topo da conduta rectangular ao longo da linha de centro do túnel de vento.
7. Instalar um ventilador de conduta em-linha no meio da conduta arredondada (isto é, 85 centímetros a jusante de redução descrito no Passo 2.4) orientados para expelir o ar a partir da porção a jusante do túnel de vento. Interface com o ventilador com um controlador de velocidade variável para um controle mais preciso de frequência de rotação e, como velocidade do vento resultado.
8. Use o material de soldagem e estantes ajustáveis ​​para elevar e proteger o aparelho de túnel de vento. Garantir que o fundo das condutas a montante e a jusante estão niveladas com a parte superior do tanque de solo (figura 2).

3. Instalação de Sensores

1. Antes da montagem no interior do tanque do solo, fixar cada humidade do solo e o sensor de temperatura dentro de um alojamento com rosca NPT (1,9 cm e 0,635 centímetros caixas, respectivamente) e SEal com selante piscando para evitar a intrusão de umidade. Não utilize produtos selantes à base de silicone, pois podem interferir com a eletrônica dentro de alguns sensores. Curar os sensores de aproximadamente uma semana.
2. Antes da instalação no tanque do solo, calibrar os sensores de humidade do solo de acordo com o método de mistura de dois pontos α desenvolvido por Sakaki et ¹² al.,.
3. Enrole os fios de cada habitação NPT com fita encanadores antes da instalação no tanque para ajudar a fornecer uma melhor vedação entre a rosca NPT e vidro acrílico.
4. Instale um total de 25 umidade e temperatura do solo sensores cada horizontalmente através das paredes do tanque nos locais indicados no Passo 1.2. Torça os cabos dos sensores em sincronia com o NPT montagem / habitação de modo a não danificar a fiação interna dentro dos cabos. Não excesso de binário os NPTs de modo a impedir que o vidro de rachar. Ligue os sensores de umidade do solo e sensores de temperatura para os seus dados designadasmadeireiros.
5. Instalar três sensores de humidade e temperatura relativas na superfície do solo, a distâncias de 2,5, 12,5 e 21,5 cm do bordo de ataque do tanque. Colocar os sensores em bom contacto com a superfície do solo de modo a que as leituras de humidade relativa reflectir as condições na superfície do solo em vez de o ar circundante. Ligue os sensores para registradores de dados.
6. Para obter a temperatura de ar necessária e medições de humidade relativa na atmosfera, instalar sensores de humidade e temperatura relativas na secção de fluxo livre do túnel de vento, utilizando os furos perfurados através das secções a montante e a jusante do túnel de vento, bem como os painéis.
7. Instale um tubo de pitot-estático diretamente a jusante do reservatório do solo através do 0,635 centímetros buraco perfurado no topo da seção de túnel de vento a jusante. Segurar o tubo pitot-estático a uma altura de 13 cm do chão da secção. Ligue o tubo de pitot-estático a um transdutor de pressão diferencial.
8. CalibratÊ O transdutor de pressão diferencial. A pressão dinâmica medidas tubo pitot-estática, que é definida como a diferença da estagnação e pressões estáticas. O diferencial de pressão é interpretado pelo transdutor de pressão como um diferencial de tensão.
   1. Medir a tensão sob condições de fluxo não há (tensão deve ser aproximadamente igual a 0) e para o fluxo de uma pressão dinâmica conhecido; isto permite uma relação linear para ser estabelecida entre a pressão dinâmica e tensão. Determinar a velocidade do vento, aplicando a equação de Bernoulli:
      (1)
      onde V (m / seg) é a velocidade do vento, _dinâmica P (Pa) é a pressão dinâmica, e ρ (kg / m ³⁾ é a densidade do ar.
   2. Compare a velocidade calculada usando a Equação (1) com outro dispositivo de medição. Aqui, comparar os diferenciais tubo tra pressão pitot-estáticonsducer com Laser Doppler velocimetria (LDV) medidas que tem uma precisão de ± 0,01 m / seg.
      Nota: Um resumo de sensores empregados e suas frequências de amostragem associados podem ser encontrados na Tabela 1 Para obter as especificações do sensor e outras informações, consulte a materiais anexos / lista de equipamentos..

Sensor	As medições do sensor	Número de sensores empregados em aparato experimental	Sensor Frequência de Amostragem (min)
EC-5	Umidade do solo	25	10
ECT	Solo / temperatura do ar	25	10
SH-1	Propriedades térmicas	1	10
EHT	Humidade relativa / temperatura	10
Câmera infravermelha	A temperatura da superfície / evaporação	1	1
Câmera digital	Visualização da frente de secagem	1	60
Tubo de Pitot estático	A velocidade do vento	1	10
Escala de medição de peso	Taxa cumulativa de evaporação / evaporação	1	10

Tabela 1: Resumo dos sensores utilizados na parte experimental da presente estudo.

4. Embale o solo do tanque e se preparar para o início do experimento

1. Antes da embalagem com o tanque do solo, testar a sua integridade através da realização de um ensaio de fugas. Encha o tanque com água e esperar por 4-6 horas para assegurar que não há vazamentos na estrutura ou sensores desenvolveram.
   1. Se os vazamentos desenvolver, drenar o tanque, deixe-o secar durante a noite e corrigir os vazamentos usando a mesma marine adesiva utilizada durante a construção original. Se não há vazamentos de desenvolver, drenar o tanque do solo e se preparar para as etapas abaixo.
2. Determinar o volume total do tanque com sensores no lugar. Preencher cuidadosamente o reservatório de água com uma proveta graduada, certificando-se de registrar a quantidade de água adicionada. Converter o volume total registado para centímetros cúbicos para utilizao no passo 4.5.
3. Obter solo seco para embalar o tanque de solo. Caracterizar as propriedades hidráulicas e térmicas do solo seleccionado separadamente de acordo com os métodos discutidos em Smits et al. ¹¹
4. Cuidadosamente wet-embalar o tanque de solo usando solo e água deionizada.
   1. Para molhar a embalar o tanque do solo, primeiro derramar aproximadamente 5 cm de água no tanque. Lentamente, adicionar solo seco para a água no tanque, usando uma colher, em incrementos de 2,5 centímetros de profundidade. Registar o peso da areia adicionado durante cada elevador para a porosidade da embalagem do solo pode ser calculada.
   2. Após a conclusãode cada camada, toque repetidamente nas paredes do reservatório, usando um martelo de borracha, 100-200 vezes, para obter uma densidade uniforme. Enquanto tocando, evitar o contacto com os sensores e os fios do sensor. A utilização de dispositivos de vibração devem ser evitadas de modo a não danificar a rede de sensores sensíveis.
5. Após a conclusão da embalagem do tanque, juntos soma dos pesos de cada camada de solo (ver Passo 4.4), para obter a massa total do solo. Dividir a massa total por a densidade aparente do solo (por exemplo, a densidade da areia de quartzo é 2,65 g / cm ³⁾ para determinar o volume da areia (V _s, ³ cm). Calcula-se a porosidade (η, m ³ / m ³⁾ do solo no tanque de acordo com:
   (2)
   onde (V _T, m ³⁾ é o volume total do tanque vazio determinada no passo 4.2.
<li> Uma vez que o tanque esteja completamente embalado, colocar uma tampa de plástico, tais como Saran Wrap sobre o tanque até que a experiência está pronto para começar a prevenir o aparecimento de evaporação.
6. Coloque o tanque numa escala de ponderação para monitorizar a perda de água cumulativa que por sua vez pode ser utilizado para calcular a taxa de evaporação.
7. Calcula-se a taxa de evaporação horária dividindo a perda de peso por hora ao produto da densidade da água e da área da secção transversal da superfície de evaporação.

5. Inicie o Experimento e iniciar a recolha de dados

1. Uma vez que o set-up está completo, determinar as condições atmosféricas desejados (temperatura, velocidade do vento). Certifique-se de que os registradores de dados e outros sistemas de aquisição de dados são ligada e definida para os intervalos de amostragem corretas (por exemplo, a cada 10 min).
2. Inicie o sistema de ventilação e controle de temperatura. Permitir que as condições climáticas-se equilibrar antes de remover a tampa de plástico na superfície dos stanque de combustível. Executar o ensaio durante o período de tempo desejado (por exemplo, 15 dias).

Representative Results

O objetivo do experimento apresentado aqui foi estudar o efeito da velocidade do vento na evaporação do solo nu. Propriedades-chave do solo de teste utilizado no presente estudo estão resumidos na Tabela 2. Uma série de experiências foram realizadas em diferentes condições de contorno que na superfície do solo (ou seja, a velocidade do vento e da temperatura) foram aplicados (Tabela 3). Embora quatro experiências em diferentes velocidades de vento e as temperaturas foram realizadas, a maioria dos resultados experimentais aqui apresentados são para uma velocidade de vento de 1,22 m / seg. Dados evaporação cumulativa é mostrada para todas as quatro experiências.

Condições de embalagem	Seco Densidade (G cm -3)	Pressão de entrada de ar (Cm H2O)	Residual conteúdo de água (M 3 m -3)	Van Genuchten
			Parâmetros do Modelo *
			α (cm-1)	n (-)
Justa	1.79	16.1 / 22.5	0,028	0.04	20.53

Tabela 2: Principais propriedades do solo teste experimental utilizado.

Experiment # Run	Média Velocidade máxima do vento	Temperatura Inicial na superfície do solo	Temperatura final na superfície do solo
	(M / seg)		(° C)
1	0.55	27	31
2	1.22	26	33
3	3	29	37
4	3.65	33	44,5

Tabela 3: a velocidade do vento experimentais aplicadas.

Dependente do tempo de umidade relativa e temperatura medida na superfície do solo são apresentados na Figura 3. A umidade relativa do ar permanece relativamente constante, em torno de 0,80 para cerca de dois dias antes da acentuada descida ao longo dos próximos quatro dias, para além do qual um valor de umidade relativa estável de 0,35 é obtida. A temperatura da superfície do solo mostra uma tendência crescente ao longo de um período de quatro dias antes de se estabilizar. Estas tendências foram observadas em todos os quatro ensaios e podem ser explicados emtermos de secagem do solo. Humidade relativa diminui em conjunto com uma diminuição na taxa de evaporação, porque há menos vapor de água presente ao longo do tempo. Os aumentos de temperatura que a água diminui disponíveis (ou seja, diminui a taxa de evaporação), porque o processo de evaporação não resfria a superfície do solo. Durante os três primeiros dias, a humidade relativa do ar na saída foi maior do que o ar a montante, devido à presença de mais vapor de água resultante da evaporação a montante. Esta tendência foi revertida mais tarde, provavelmente devido ao sensor a montante perder contato com a superfície do solo; os cabos dos sensores são flexíveis e, ocasionalmente, puxar o sensor da superfície do solo, alterando a leitura de humidade. A humidade relativa medida a jusante é maior do que a medida a montante porque o processo de evaporação ao longo das primeiras 21,5 centímetros do tanque aumentada a quantidade de humidade presente no ar.

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Figura 3: umidade relativa e temperatura medida na superfície do solo (Esta figura foi modificado a partir Davarzani et al. ^5).

A temperatura do fluxo de ar livre nesta experiência foi definido como um valor constante de 40 ° C utilizando o sistema de controlo de temperatura descrito anteriormente. A temperatura dependente do tempo e da humidade relativa do ar no fluxo livre, a uma altura de 8,5 cm acima da superfície do solo, são mostrados na Figura 4. As flutuações de temperatura diurna observadas são devidas à variabilidade de saídas em resposta ao aquecedor a temperatura medida pelo sensor de temperatura de infravermelhos que regula o sistema de controlo de temperatura (ver Passo 2.3). Diurnal flutuações pode ser evitado, se desejado, ajustando o sensor de temperatura por infravermelhos para um valor de temperatura definido. A diferença no atmosféricotemperatura ao longo do comprimento do tanque é o resultado do arrefecimento por evaporação (Figura 4).

Figura 4: humidade relativa e temperatura medindo 7,5 cm acima da superfície do solo a montante e a jusante do tanque (Esta figura foi modificado a partir de ⁵ Davarzani et ai.).

Na Figura 5a, o tempo dependente da temperatura do solo é mostrado para as profundidades de 2,5 cm, 7,5 centímetros e 12,5 cm abaixo da superfície do solo, bem como a temperatura ambiente; veja a Figura 1 para a identificação do sensor. Como pode ser visto na figura 5a, a temperatura da superfície e a velocidade do vento é menor influência das temperaturas locais em maiores profundidades -. Mostrando qualquer efeito a profundidades inferiores a 12,5 centímetros Figura 5b mostra a temperatura como afunção do tempo para três sensores localizados a uma profundidade de 2,5 cm. Existe uma pequena diferença de temperatura para os sensores a essa profundidade com o sensor a montante 5 mostrando uma temperatura mais elevada do que o sensor a jusante 1. Isto é porque a temperatura de fluxo livre é sempre maior a montante do que a jusante (Figura 4). As diferenças de temperatura, também resulta num perfil de saturação assimétrico no tanque do solo tal como será mostrado posteriormente.

UMA

B

Figura 5: Evolução da temperatura do solo medido como uma função do tempo (a) verticalmente no meio do tanque e (b) na horizontal, a uma profundidade de 2,5 cm (este valor foi modifiEd de Davarzani et ai. ^5).

Figura 6a mostra a saturação dependente do tempo em função do tempo em profundidades de 2,5, 7,5, 12,5, e 17,5 centímetros. Para profundidades superiores a 12,5 centímetros, a saturação permaneceu a 100% durante o período da experiência; mais perto da superfície do solo no entanto, a saturação diminuiu ao longo do tempo. A saturação mostrado na Figura 6a pode estar relacionado com as diferentes etapas de evaporação (ou seja, Fase I e Fase II), definida por diferenças nas taxas de evaporação, a localização da frente de secagem e transporte dominante mecanismos ^14. Durante a Fase I evaporação, frente a secagem rápida recua longe da superfície do solo como forças gravitacionais e viscosas começa a dominar as forças capilares. Isto é observado no primeiro dia após a diminuição da saturação do solo medido por a primeira linha de sensores de humidade de solo correspondentes a uma profundidade de 2,5 cm. Após 1 dia, a taxa à qual o co frente secagemntinues a recuar diminui conforme mostrado na forma gradual das curvas de saturação para sensores 10/06 localizadas a uma profundidade de 7,5 cm (Figura 6A). Isto marca a transição de evaporação para difusão de vapor limitado evaporação Stage II. A parte inicial do Estágio II é muitas vezes chamado o período de queda de velocidade ^15-17. Eventualmente, as curvas de saturação nivelar e mudar muito pouco como frente a secagem atinge uma profundidade de 12,5 cm (por exemplo, Sensor 13) por Dia 3.

UMA

B

Figura 6: A evolução no tempo de medida de saturação do solo subsuperficial (a) verticalmente no meio do tanque e (b) na horizontal, a uma profundidade de 2,5 cm (Este figure foi modificado a partir do Davarzani et ai. ^5).

A Figura 6b mostra a saturação em função do tempo para três sensores localizados em profundidade constante de 2,5 cm. As curvas de saturação são quase idênticos e consistente ao longo de todo o comprimento do tanque a essa profundidade. A ligeira distribuição assimétrica é devido à diferença de temperatura do ar entre as secções de montante e de jusante do túnel de vento. Desde temperaturas a montante foram consistentemente alguns graus mais quente demanda, atmosférico, que impulsiona a evaporação, seria mais elevado e, portanto, não haveria uma taxa ligeiramente mais rápida de secagem.

A Figura 7 mostra a velocidade do vento, o valor médio de 1,22 m / s, como uma função do tempo. A tendência diurna sinusoidal observada na velocidade do vento é o resultado de mudanças nas condições atmosféricas, tais como a pressão barométrica ea densidade do ar. A velocidade média do vento foi usada nos esforços de modelagem porque os efeitos da diurflutuações finais de variáveis ​​atmosféricas não eram o foco do presente estudo. Isto não significa, contudo, que os dados de tempo-dependentes não poderia ser utilizada. Como parte da série de experimentos com evaporação, quatro velocidades do vento média diferentes foram aplicados; ver Tabela 3 para um resumo. Os números de Reynolds calculados para todas as experiências neste estudo estavam dentro da laminar e regimes de fluxo de transição. No entanto, é sabido que a turbulência superfície podem afetar as taxas de evaporação ¹⁶ e devem ser abordadas em estudos futuros.

Figura 7: a velocidade do vento sobre a superfície do solo com o valor médio de 1,22 m / seg dependente do tempo ^{- 1} (Esta figura foi modificado a partir de ⁵ Davarzani et ai.).

O efeito do fluxo de ar ema região livre de fluido (isto é, atmosfera), por evaporação cumulativa é apresentada na Figura 8. evaporação cumulativa é traçada para quatro diferentes velocidades de fluxo livre média do vento (VW) de 0,50, 1,20, 3,00 e 3,60 m / seg. Os resultados demonstram que a velocidade do vento tem um efeito muito importante na evaporação acumulada ea quantidade de perda de água durante as diferentes fases de evaporação. Como mostrado na Figura 8, o aumento da velocidade do vento aumenta a evaporação total. Ao comparar as inclinações das curvas, a maior influência foi sobre a taxa de evaporação inicial, aqui referida como fase 1. Fase 1 a evaporação é geralmente definido por taxas altas e relativamente constantes de evaporação ¹⁷ e é predominantemente influenciada pela demanda atmosférica, em vez de condições de solo . Como a velocidade do vento é ainda maior 3-3,6 m / s, a evaporação mostra muito menos dependência de mudanças incrementais na velocidade do vento do que foi observado para modificações em baixas velocidades de vento. Aumentarvelocidade do vento leva a um aumento na Fase I taxa de evaporação, ao mesmo tempo diminuindo o tempo de transição da Fase I à Fase II ^5. A influência da velocidade do vento, por evaporação é menos significativa à fase II da evaporação, que é controlada predominantemente pelo meio poroso para. Durante esta fase, a evaporação é controlada pela velocidade à qual a água pode ser transmitida à superfície do solo por meio de difusão em vez de demanda atmosférica.

Figura 8: O efeito de diferentes velocidades do vento média cumulativa de evaporação (Esta figura foi modificado a partir de ⁵ Davarzani et ai.).

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, velocidade do vento, humidade relativa, do solo e da temperatura do ar e da humidade do solo ). A seguir estão alguns dos componentes mais críticos do protocolo apresentado neste estudo.

A colocação dimensões do tanque e do sensor foram especificamente escolhidos para maximizar o número de sensores empregados enquanto representando respectivos volumes de amostra do sensor. A primeira linha de sensores é de 2,5 cm abaixo da superfície do solo devido ao volume de amostra de cada sensor (definida como a volume de solo ao redor do sensor, dentro do qual uma mudança nas condições ambientais afeta as leituras dos sensores). Os sensores, colocados em acessórios NPT, são instalados horizontalmente através das paredes do tanque de solo, de modo que os fios do sensor não estão dentro do próprio solo; Todos os fios do sensor estão fora do tanque, impedindo a canalização de água. A instalação de uma grande rede de sensores de temperatura e umidade do solo permite distribuições horizontal e vertical destas variáveis ​​a ser determinado em uma resolução espacial muito bem.

Colocar o tanque de solo em uma escala de ponderação permite a perda de água acumulada ea taxa de evaporação associado a ser determinado utilizando a abordagem do balanço de massas da água acima descrito. Estes valores podem então ser comparadas com as taxas de evaporação obtidos utilizando outros métodos, como o calor pulsos combinada e método do balanço de calor sensível empregados em Trautz et al ^18.

A porção de túnel de vento da apparatus é composto de três partes - uma seção a montante, a jusante e meio. A secção a montante é utilizado para aquecer o ar antes que ele é desenhado sobre o tanque do solo na secção intermédia com a ajuda de um sistema de controlo de temperatura. A seção do meio do túnel de vento é equipado com tecnologias de sensores para a medição da temperatura e umidade relativa. A parte a jusante do túnel de vento contém um ventilador em linha duto e amortecedor para controlar a velocidade do vento que é monitorado usando um tubo de pitot-estático.

A aplicabilidade do aparelho túnel tanque-vento solo acima descrito foi demonstrado em um estudo de caso experimental dos efeitos da velocidade do vento sobre a taxa de evaporação. Os resultados mostram que o aumento da velocidade do vento leva a um aumento da taxa de evaporação e encurtado Fase I duração evaporação. Aumentar a velocidade do vento para além de 3 m / s no entanto, mostra pouco impacto adicional sobre Estágio I evaporação. Fase II evaporação, regido principalmente pelas propriedades de of o meio poroso, parece ser independente de ou apenas ligeiramente influenciado pela velocidade do vento.

Este protocolo experimental é aplicável a uma variedade de condições ambientais para incluir mudanças nas condições de solo (ou seja, solos diferentes, configurações de embalagem, vegetação e ambientes urbanos), condições de contorno do clima (temperatura, velocidade do vento, precipitação) ou condições de subsuperfície (água, por exemplo variando níveis tabela). O sensor de dimensões e disposição do aparelho descrito pode ser modificado para lidar com as necessidades de diferentes experimentos. O procedimento de embalagem descrita acima pode igualmente ser modificado para conta para diferentes configurações de embalagem, tais como diferentes condições de porosidade e heterogeneidade do solo.

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.