La exploración de los efectos de los forzamientos atmosféricos de evaporación: Integración experimental de la capa límite atmosférica y superficial del subsuelo
Summary
Se presenta un protocolo para el diseño y construcción de un tanque de suelo interfaz con un pequeño túnel de viento de clima controlado para estudiar los efectos de los forzamientos atmosféricos sobre la evaporación. Tanto el tanque de suelo y túnel de viento están equipados con tecnologías de sensores para la medición continua en situ de las condiciones ambientales.
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
La comprensión de la interacción entre la tierra y el ambiente es de suma importancia para nuestra comprensión de muchos de los problemas actuales del mundo, tales como filtración de dióxido de carbono geológico-secuestrado en el suelo, el cambio climático, agua y suministro de alimentos, la detección precisa de las minas terrestres, y el saneamiento de las aguas subterráneas y el suelo. Además, las bolsas principales de calor y agua que impulsan las condiciones meteorológicas mundiales y regionales se producen en la superficie de la Tierra. Muchos fenómenos meteorológicos y climáticos (por ejemplo, huracanes, El Ni & # 241; o, sequías, etc.) son impulsados principalmente por los procesos asociados con las interacciones superficie-atmósfera de la tierra 1. Como más de la mitad de la superficie de la tierra en la Tierra es árido o semiárido 2-4, que describe con precisión el ciclo del agua en estas regiones sobre la base de intercambios de calor y de agua entre el aire de la atmósfera y la superficie del suelo es fundamental para mejorar nuestra comprensión de los temas antes mencionados,especialmente en las regiones vulnerables a la sequía prolongada y la desertificación. Sin embargo, a pesar de décadas de investigación, aún quedan muchas lagunas de conocimiento en la comprensión actual de cómo el subsuelo poco profundo y el ambiente interactúan 5.
Procesos de transporte que incluyen agua líquida, vapor de agua, y el calor en el suelo son dinámicos y fuertemente acoplado con respecto a las interacciones con el suelo y forzada condiciones de contorno (es decir, temperatura, humedad relativa, radiación térmica). Modelos de transferencia de calor y masa numéricos comúnmente simplifican o pasan por alto algunas de estas complejidades debido en parte a la falta de pruebas y el refinamiento de las teorías existentes derivadas de la escasez de datos de alta resolución temporal y espacial. Conjuntos de datos desarrollados para la validación del modelo se carece a menudo de información atmosférica o subsuelo fundamental para probar adecuadamente las teorías, lo que resulta en modelos numéricos que no tienen en cuenta adecuadamente para la importaciónprocesos de hormigas o dependen de la utilización de parámetros poco conocidos que se ajustan o montarse en el modelo. Este enfoque es ampliamente utilizado debido a su simplicidad y facilidad de uso y tiene en algunas aplicaciones se muestran mucho mérito. Sin embargo, este enfoque puede ser mejorado mediante una mejor comprensión de la física detrás de estos "parametrizaciones concentrados" mediante la realización de experimentos bien controlados en condiciones transitorias que son capaces de pruebas de transferencia de calor y agua teoría 6.
Experimentación cuidadosa en el laboratorio permite a los conjuntos de datos de precisión que se generen que posteriormente se puede utilizar para validar los modelos numéricos. Los datos disponibles de los sitios de campo son a menudo incompletos y costoso de obtener, y el grado de control necesarios para obtener una comprensión fundamental de los procesos y generar datos para la validación de modelos podrían considerarse insuficientes en algunos casos. La experimentación de laboratorio de los fenómenos naturales como la evaporación del suelo permite atmoscondiciones atmos- (es decir, temperatura, humedad relativa, velocidad del viento) y las condiciones del suelo (es decir, el tipo de suelo, la porosidad, el embalaje de configuración) para ser cuidadosamente controlados. Muchas de las técnicas de laboratorio utilizadas para estudiar la evaporación del suelo y las propiedades térmicas e hidráulicas del suelo utilizan muestreo destructivo 7-10. Métodos de muestreo destructivos requieren que una muestra de suelo se descomprime para obtener datos de puntos, lo que impide la medición del comportamiento transitorio e interrumpiendo propiedades físicas del suelo; este enfoque introduce error y la incertidumbre a los datos. Mediciones no destructivas, como el método que aquí se presenta, permiten una determinación más precisa y el estudio de la interdependencia de las propiedades del suelo y procesos 11.
El objetivo de este trabajo es desarrollar un aparato de depósito de suelo y el protocolo asociado para la generación de datos de resolución espacial y temporal altos relativos a los efectos de los cambios en la atmósfera y las condiciones del subsuelo enla evaporación del suelo desnudo. Para este trabajo, un túnel de viento pequeño capaz de mantener una velocidad constante viento y la temperatura se interconecta con un aparato de depósito de suelo. El túnel de viento y el tanque del suelo están equipados con un conjunto de estado de las tecnologías de sensores de arte para la recopilación de datos autónomo y continuo. La velocidad del viento se mide usando un tubo de pitot-estática de acero inoxidable unido a un transductor de presión. La temperatura y la humedad relativa se supervisan en la atmósfera utilizando dos tipos de sensores. La humedad relativa y la temperatura también son monitoreados en la superficie del suelo. Los sensores de la humedad del suelo y la temperatura medida del subsuelo. Mediciones de peso del aparato tanque se utilizan para determinar la evaporación a través de un balance de masas de agua. Para demostrar la aplicabilidad de este aparato experimental y el protocolo, se presenta un ejemplo de la evaporación del suelo desnudo bajo condiciones variables de velocidad del viento. El depósito de suelo, lleno homogéneamente con una arena bien caracterizado, fue inicialmente completamente saturated y dejó evaporar libremente en condiciones atmosféricas cuidadosamente controladas (temperatura, velocidad del viento).
Protocol
Representative Results
Discussion
El propósito de este protocolo era desarrollar un aparato experimental y procedimientos asociados para la generación de los datos de resolución espacial y temporal altas requeridas para el estudio de las interacciones tierra-atmosférica con respecto al calor y los procesos de transferencia de masa. El aparato experimental descrito consistía en un depósito de suelo y un pequeño túnel de viento, ambos de los cuales fueron equipados con un conjunto de sensores para la medición de variables del suelo y atmosférica…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue financiada por el Premio de la Oficina de Investigación del Ejército de EE.UU. W911NF-04-1-0169, el Centro de Investigación y Desarrollo de Ingeniería (ERDC) y la Fundación Nacional para la Ciencia de subvención EAR-1029069. Además, esta investigación fue apoyada por unos Programas de Verano en Investigación de Pregrado beca de la Escuela de Minas de Colorado. Los autores desean agradecer a Ryan Tolene y Paul Schulte por sus contribuciones.
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).
