Utforska effekterna av luft Forcings på avdunstning: Experimentell Integrering av atmosfäriska gränsskiktet och Grunt Subsurface
Summary
Ett protokoll för konstruktion och tillverkning av en jordtank gränssnitt till en liten klimat kontrollerade vindtunnel för att studera effekterna av atmosfär forcings på avdunstning presenteras. Både marktanken och vindtunneln är instrumenterade med sensorteknik för kontinuerlig in situ mätning av miljöförhållanden.
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
Förstå samspelet mellan marken och atmosfären är avgörande för vår förståelse av många nuvarande världsproblem såsom läckage av geologiskt-sequestred koldioxid i marken, klimatförändringar, vatten och livsmedelsförsörjning, noggrann detektering av landminor, och sanering av grundvatten och jord. Dessutom, de primära utbyte av värme och vatten som driver globala och regionala meteorologiska förhållanden inträffar vid jordens yta. Många väder- och klimatfenomen (t.ex. orkaner, El Ni & # 241; o, torka, etc.) är i huvudsak drivs av processer i samband med atmosfär-land ytinteraktioner 1. Eftersom mer än hälften av landytan på jorden är torra eller halvtorra 2-4, exakt beskriva vattnets kretslopp i dessa områden på grundval av värme- och vattenutbytet mellan den atmosfäriska luften och markytan är avgörande för att förbättra vår förståelse av de ovan angivna frågorna,särskilt i regioner utsatta för förlängd torka och ökenspridning. Trots decennier av forskning, finns det fortfarande många kunskapsluckor i den nuvarande förståelse för hur den grunda ytan och atmosfären interagerar 5.
Transport processer som involverar flytande vatten, vattenånga och värme i marken är dynamiska och starkt kopplad med avseende på interaktion med jorden och verkrandvillkor (dvs. temperatur, relativ luftfuktighet, värmestrålning). Numeriska värme- och massöverföringsmodeller förenkling eller förbise ett antal av dessa komplikationer ofta beror delvis på bristande testning och förfining av befintliga teorier till följd av en brist på hög tids- och rumsupplösning uppgifter. Dataset utvecklats för modellvalidering är ofta saknar kritisk atmosfärstryck eller under ytan informationen att korrekt testa teorierna, vilket resulterar i numeriska modeller som inte riktigt står för importmyra processer eller beror på användningen av dåligt förstådda parametrar som justeras eller monteras i modellen. Detta tillvägagångssätt används ofta på grund av dess enkelhet och användarvänlighet och har i vissa tillämpningar visas mycket meriterande. Dock kan förbättras detta synsätt på genom att bättre förstå fysiken bakom dessa "klumpas parametriseringar" genom att utföra väl kontrollerade experiment under transienta förhållanden som kan testa värme och vatten överföring teori 6.
Noggrann experiment i laboratoriet gör precisions dataset som genereras som sedan kan användas för att validera numeriska modeller. Uppgifter från fält platser är ofta ofullständiga och kostsamma att erhålla, och den grad av kontroll som krävs för att få en grundläggande förståelse för processer och för att generera data för modellvalidering kan betraktas som otillräckligt i vissa fall. Laboratorieexperiment av naturfenomen såsom jord avdunstning gör atmostill luft villkor (dvs. temperatur, relativ luftfuktighet, vindhastighet) och markförhållandena (dvs, jordart, porositet, packning konfiguration) ska kontrolleras noggrant. Många laboratorietekniker som används för att studera mark avdunstning och jord termiska och hydrauliska egenskaper använder förstörande provtagning 7-10. Destruktiva provtagningsmetoder kräver att ett jordprov packas upp för att erhålla punktdata, förhindrar mätning av övergående beteende och störa markens fysikaliska egenskaper; detta tillvägagångssätt introducerar fel och osäkerhet till uppgifterna. Icke-förstörande mätningar, liksom den metod som presenteras här, möjliggör mer noggrann bestämning och undersökning av det ömsesidiga beroendet av markegenskaper och processer 11.
Målet med detta arbete är att utveckla en marktank apparater och tillhörande protokoll för generering av höga rumsliga och tidsupplösning uppgifter som hänför sig till effekterna av förändringar i atmosfärens och underjordiska villkorbare-mark avdunstning. För detta arbete är en liten vindtunnel kan hålla en konstant vindhastighet och temperatur gränssnitt med en marktank apparat. Den vindtunnel och marktanken instrumenterade med en rad toppmoderna sensorteknologier för insamling autonomt och kontinuerligt data. Vindhastigheten mäts med en rostfritt stål Pitot-static tube ansluten till en tryckgivare. Temperatur och relativ fuktighet övervakas i atmosfären med användning av två typer av sensorer. Relativ fuktighet och temperatur övervakas också på jordytan. Sensorer i ytan åtgärd markfuktighet och temperatur. Vägningar av tankens apparaten används för att bestämma avdunstning genom en vattenmassbalans. För att demonstrera tillämpbarheten av detta experimentella apparater och protokoll, presenterar vi ett exempel på bare-mark indunstning under varierande vind- hastighetsförhållanden. Jorden tank, packad homogent med en väl karakteriserat sand, var till en början helt saturated och fick avdunsta fritt under noggrant kontrollerade atmosfäriska förhållanden (t.ex. temperatur, vindhastighet).
Protocol
Representative Results
Discussion
Syftet med detta protokoll var att utveckla en experimentell apparater och tillhörande förfaranden för generering av höga rumsliga och tidsupplösning uppgifter som krävs för att studera landatmosfäriska interaktioner med avseende på värme och massöverföringsprocesser. Den experimentella apparater beskrivna bestod av en jordtank och en liten vindtunnel, som båda var utrustade med en rad sensorer för mätning av relevanta mark- och atmosfär variabler (t.ex. vindhastighet, relativ luftfuktighet, mar…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning har finansierats av den amerikanska armén Research Office Award W911NF-04-1-0169, Engineering Research and Development Center (ERDC) och National Science Foundation EAR-1.029.069. Dessutom var denna forskning som stöds av en sommar program i Grundutbildning forskningsanslag från Colorado School of Mines. Författarna vill tacka Ryan Tolene och Paul Schulte för deras bidrag.
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
- Verstraete, M. M., Schwartz, S. A. Desertification and global change. Vegetatio. 91, 3-13 (1991).
- Warren, A., Adams, W. M., Goudie, A. S., Orme, A. R. Desertification. The Physical Geography of Africa. , 342-355 (1996).
- 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).
- Davarzani, H., Smits, K. M., Tolene, R., Illangasekare, T. H. Study of the effect of wind speed on evaporation from soil through integrated modeling of atmospheric boundary layer and shallow subsurface. Water Resour. Res. 50, (2014).
- Heitman, J. L., Horton, R., Ren, T., Nassar, I. N., Davis, D. D. A test of coupled soil heat and water transfer prediction under transient boundary temperatures. Soil Sci. Soc. Am. J. 72 (5), 1197-1207 (2008).
- Gurr, C. G., Marshall, T. J., Hutton, J. T. Movement of water in soil due to a temperature gradient. Soil Sci. 74, 335-345 (1952).
- Nassar, I. N., Horton, R. Water transport in unsaturated non-isothermal salty soil: experimental results. Soil Sci. Soc. Am. J. 53, 1323-1363 (1989).
- Prunty, L., Horton, R. Steady-state Temperature Distribution in Nonisothermal unsaturated closed soil cells. Soil Sci. Soc. Am. J. 58, 1358-1363 (1994).
- Bachmann, J., Horton, R., Ren, T., van der Ploeg, R. R. Comparison of the thermal properties of four wettable and four water-repellent soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 65 (6), 1675-1679 (2001).
- Smits, K. M., Sakaki, T., Limsuwat, A., Illangasekare, T. H. Thermal conductivity of sands under varying moisture and porosity in drainage-wetting cycles. Vadose Zone J. 9, 1-9 (2010).
- Sakaki, T., Limsuwat, A., Smits, K. M., Illangasekare, T. H. Empirical two-point α-mixing Model for calibrating the ECH2O EC-5 soil sensor in sands. Water Resources Research. 44, W00D08 (2008).
- Shokri, N., Lehmann, P., Or, D. Evaporation from layered porous media. J. Geophys. Res. 115, B06204 (2010).
- Van Brakel, J., Mujumdar, A. S. Mass transfer in convective drying. Advances in Drying. 1, 217-267 (1980).
- Yiotis, A. G., Subos, A. G. B. o. u. d. o. u. v. i. s. A. K., Tsimpanogiannis, I. N., Yortsos, Y. C. The effect of liquid films on the drying of porous media. AIChE J. 50, 2721-2737 (2004).
- Ishihara, Y., Shimojima, E., Harada, H. Water vapor transfer beneath bare soil where evaporation is influenced by a turbulent surface wind. J. Hydrol. 131 (1-4), 63-104 (1992).
- Lehmann, P., Assouline, S., Or, D. Characteristic lengths affecting evaporative drying of porous media. Phys. Rev. E. 77 (5 Pt 2), 056309 (2008).
- Trautz, A. C., Smits, K. M., Schulte, P., Illangasekare, T. H. Sensible heat balance and heat-pulse method applicability to in situ soil-water evaporation. Vadose Zone J. 13, (2014).
