Udforskning virkningerne af Atmosfæriske Drivkræfter på Fordampning: Eksperimentel Integration af det atmosfæriske grænselag og Shallow Subsurface

Summary

En protokol til design og konstruktion af en jord beholder forbundet med en lille klima kontrollerede vindtunnel for at studere virkningerne af atmosfæriske påvirkninger på fordampning præsenteres. Både jorden tank og vindtunnel er instrumenteret med sensorteknologier til kontinuerlig in situ måling af miljøforholdene.

Introduction

Forståelse af samspillet mellem land og atmosfæren er altafgørende for vores forståelse af mange aktuelle verdens problemer såsom lækage af geologisk-afsondret kuldioxid i jord, klimaændringer, vand og fødevareforsyning, nøjagtig detektering af landminer, og oprydning af grundvand og jord. Endvidere er de primære udveksling af varme og vand, der driver globale og regionale meteorologiske forhold forekommer ved jordens overflade. Mange vejr og klima fænomener (fx orkaner, El Ni & # 241; o, tørke, etc.) hovedsagelig drevet af processer i forbindelse med atmosfærisk-land overfladeinteraktioner ^1. Da mere end halvdelen af arealet på jorden er tørre eller halvtørre ^2-4, præcist beskriver vandets kredsløb i disse regioner på grundlag af udvekslinger varme og vand mellem den atmosfæriske luft og jordoverfladen er afgørende for at forbedre vores forståelse af de førnævnte problemer,især i regioner sårbare over for udvidet tørke og ørkendannelse. Men på trods af årtiers forskning, der stadig mange viden huller i den nuværende forståelse af, hvordan de lavvandede undergrunden og atmosfære interagerer ^5.

Transportprocesser, der involverer flydende vand, vanddamp og varme i jorden er dynamiske og stærkt forbundet med hensyn til interaktioner med jorden og håndhæves randbetingelser (dvs. temperatur, relativ luftfugtighed, termisk stråling). Numeriske modeller varme- og massetransport almindeligt forsimpler eller overse en række af disse kompleksiteter dels skyldes manglende testning og videreudvikling af eksisterende teorier som følge af en mangel på høje data tidsmæssige og rumlige opløsning. Datasæt, der er udviklet til validering modellen oftentimes mangler kritisk atmosfærisk eller under overfladen oplysninger til korrekt teste teorierne, hvilket resulterer i numeriske modeller, der ikke rigtigt udgør important processer eller afhængig af brugen af ​​dårligt forståede parametre som reguleres eller udstyret i modellen. Denne fremgangsmåde er meget udbredt på grund af sin enkelhed og brugervenlighed og har i nogle programmer vises megen fortjeneste. Imidlertid kan denne tilgang forbedres ved bedre at forstå fysikken bag disse "klumpet parameterizations" ved at udføre godt kontrollerede eksperimenter under transiente forhold, der er i stand til test varme og vand overførsel teori ^6.

Omhyggelig eksperimenter i laboratoriet tillader præcision datasæt, der skal dannes, som efterfølgende kan anvendes til at validere numeriske modeller. Data fra marken websteder er ofte ufuldstændige og dyrt at opnå, og graden af ​​kontrol er nødvendig for at opnå en grundlæggende forståelse af processer og til at generere data til validering model kunne anses utilstrækkelig i nogle tilfælde. Laboratorium eksperimenter af naturfænomener såsom jord fordampning tillader atmosmosfæriske betingelser (dvs. temperatur, relativ luftfugtighed, vindhastighed) og jordbundsforhold (dvs. jordtype, porøsitet, pakning konfiguration), der skal kontrolleres omhyggeligt. Mange laboratorieteknikker bruges til at studere jordens fordampning og jord termiske og hydrauliske egenskaber bruger destruktiv prøveudtagning ^7-10. Destruktive prøveudtagningsmetoder kræver, at en jordprøve udpakkes at indhente punktdata, forebygge målingen af ​​forbigående adfærd og forstyrre jordens fysiske egenskaber; denne tilgang introducerer fejl og usikkerhed til dataene. Destruktive målinger, ligesom metoden præsenteres her, giver mulighed for mere nøjagtig bestemmelse og undersøgelse af den gensidige afhængighed af jordens egenskaber og processer ^11.

Målet med dette arbejde er at udvikle en jord akvarium apparater og tilhørende protokol for generering af høje data rumlige og tidsmæssige opløsning vedrørende virkningerne af ændringer i atmosfærens og underjordiske betingelser påfordampning bare-jord. For dette arbejde, er en lille vindtunnel stand til at opretholde en konstant vindhastighed og temperatur interface med en apparat jord tank. Den vindtunnel og jord tanken er instrumenteret med en suite af state of the art sensorteknologier til selvstændigt og løbende indsamling af data. Vindhastighed måles ved anvendelse af en rustfri stål pitot-statiske rør fastgjort til en tryktransducer. Temperatur og relativ fugtighed overvåges i atmosfæren ved anvendelse af to typer af sensorer. Relativ fugtighed og temperatur overvåges også på jordoverfladen. Sensorer i undergrunden foranstaltning jordfugtighed og temperatur. Vejning af beholderen apparatet anvendes til at bestemme fordampning gennem en vand massebalance. For at demonstrere anvendeligheden af ​​denne eksperimentelle apparatur og protokol, præsenterer vi et eksempel på bare-jord fordampning under varierende forhold vindhastighed. Jorden tank, pakket homogent med en velkarakteriseret sand, var oprindeligt fuldt saturated og fik lov til at fordampe frit under omhyggeligt kontrollerede atmosfæriske betingelser (dvs. temperatur, vindhastighed).

Protocol

Bemærk: Laboratorieundersøgelser udføres under anvendelse af en todimensional bench-skala tanken interface med et klima kontrolleret apparat vindtunnel. Både bench-skala tank og vindtunnel er instrumenteret med forskellige sensorteknologier. Følgende protokol vil først diskutere opbygningen og forberedelse af tanken jord, efterfulgt af en diskussion af vindtunnelen og instrumenteringen af ​​begge. Tanken dimensioner, vindtunnel dimensioner, antal sensorer, og sensorteknologi typen præsenteret kan ændres så de passer til behovene i en bestemt eksperimentel opsætning. Protokollen nedenfor blev anvendt til eksperimentelt at undersøge virkningerne af vindhastighed på bare-jord fordampning.

1. Konstruktion og Udarbejdelse af porøse medier Soil Tank

1. Skær et stort stykke på 1,2 cm tykt akrylglas i fem individuelle ruder. Saml disse ruder i en åben-topped jord tank med indvendig længde, bredde og højde på 25, 9,1 og 55 cm, hhvectively. Akrylglas tillader processer i undergrunden, der skal observeres visuelt.
2. Tegn en 5 x 5 gitter, der er 25 cm gange 25 cm på hver af de to store glasruder (længde 25 cm og højde 55 cm) som vist i figur 1. Kontroller, at hver firkant i gitteret har et areal på 25 ^cm2 (figur 1). Gitteret vil blive anvendt til korrekt plads sensorerne i tanken jorden.

Figur 1: Skematisk forfra og fra siden af jorden tank, der benyttes til den eksperimentelle opstilling (dimensioner er i centimeter) (a) set forfra af tanken jord viser forsyningsnettet bestående af femogtyve 5 cm x 5 cm. firkanter. (B) sidebillede af tanken jord, der viser den installerede temperatur, relativ fugtighed og jordfugtighed sensor netværk som en funktion af dybde. Bemærk, at skemaer ikke målfaste.

3. På en af ​​de store glas fly, bore i alt femogtyve 1,9 cm (¾ tommer) huller med en diameter til jordfugtighedssensorer.
   1. Bor hvert hul i centrum af hvert kvadrat i gitteret etableret i trin 1.2, således at centrene af hullerne i to sammenstødende firkanter er 5 cm fra hinanden; det første sæt huller er 2,5 cm under toppen af ​​tanken. Brug passende størrelse haner til at skære gevind i hver af de nyoprettede huller. Mellemrummet 5 cm mellem sensorer sikrer, at hver sensor er uden for omfanget af den næste nærmeste sensor prøveudtagning.
4. Tilsvarende bore og tryk alt femogtyve 0,635 cm (¼ inch) huller med en diameter på midten af ​​hver gitter kasse oprettet under Trin 1.2. Kontroller, at midten af ​​hvert hul er adskilt 5 cm fra hinanden med den første række af huller placeret 2,5 cm under toppen af ​​tanken jord. Mellemrummet 5 cm mellem sensorer sikrer, at hver sEnsor er uden for omfanget af den næste nærmeste sensor prøveudtagning.
5. Om acryl rude anvendes som bunden af ​​tanken, bore og trykke på en enkelt ½ inch diameter hul i midten af ​​ruden. Lim en mesh sigte (finere end test jord, der skal anvendes) over hullet på indersiden af ​​glasset. På den udvendige side af den nederste plan, installere en 90 ° albue, der er knyttet til fleksibel slange med en justerbar ventil. Denne ventil og slange bruges til at dræne vand fra tanken ved afslutningen af ​​et forsøg eller som en måde at installere konstant hoved enheder for at opretholde konstant vand table dybder.
6. Bruge marine grade lim eller lignende vandtæt polymer lim til at fastgøre og forsegle beholderen sammen som vist i figur 1. Lad limen hærde i én dag.
7. For at hæve tanken ud af jorden og gøre plads til 90 ° albue (figur 1), vedhæfte yderligere to stykker af 1,2 cm tykt akrylglas med lengtH 12 cm og højde 5 cm fra bunden af ​​tanken.

2. Konstruktion og Udarbejdelse af klima kontrollerede Wind Tunnel

1. Konstruere den 215 cm lange opstrøms del af vindtunnel ud af rektangulære galvaniseret stål rørføring materiale, der har en bredde på 8,5 cm og en højde på 26 cm. Omgiver ydersiden af ​​kanalen med polystyren isolering.
2. Bore et lille hul i siden af kanalen arbejdspladsen nær den nedstrøms afgangen fra den opstrøms del af vindtunnel til indsættelse af en relativ fugtighed-temperaturføler (figur 2).

Figur 2:. Komplet eksperimentel opsætning, herunder tank, kanalsystem, sensorer nettet (dimensioner er i centimeter) Komplet eksperimentel opsætning af den kombinerede vindtunnel og jord-tanken apparat. Den vindtunnel erforhøjede og sidder i plan med overfladen af ​​tanken jord. Tanken jord er instrumenteret med et netværk af sensorer, der anvendes til at måle en række underjordiske og atmosfæriske variabler. De grid cirkler repræsenterer de steder til indsættelse disse sensorer. Et varmestyringssystem og en in-line kanal ventilator anvendes til at styre temperatur og vindhastighed, hhv. Den pitot-statiske rør anvendes til at måle vindhastigheden. Hele apparatet sidder på en vægtning skala for at opnå en massebalance under eksperimenter. Bemærk, at den skematiske ikke er tegnet i målestok.

3. Installere fem keramiske infrarøde varmeelementer anbragt parallelt i en reflektor langs længden af ​​den opstrøms del af vindtunnel. Forbinde de infrarøde varmelegemer til en temperatur kontrolsystem reguleret af en infrarød temperaturføler.
4. Konstruere den midterste del af vindtunnel ud af to 1,2 cm tykke akryl paneler med en længde og højde på 25 cm og 26 cm henholdsvis.Bor to 0,635 cm (¼ inch) huller med en diameter på en af den midterste del paneler til at indsætte temperatur og / eller relative luftfugtighed-temperaturfølere på de steder, der er vist i figur 2.
   1. Fastgør akrylplader til toppen af jorden tankens sidevægge (dvs. paneler med dimensionerne 25 cm x 55 cm) under anvendelse af en stærk tape, som sikrer, at vindtunnel og jord tank-paneler sidde flugter med hinanden.
5. Konstruere de første 50 cm af den nedstrøms del af vindtunnel ud af samme størrelse rektangulære kanaler materiale beskrevet i trin 2.1. På den afsluttende side, reducere den rektangulære kanal materiale til en 15,3 cm i diameter rund kanal med en længde på 170 cm. Installer en galvaniseret stål spjæld, der anvendes til at justere vindhastigheder, i den fjerneste nedstrøms ende af runde kanal for støtte vindhastighed kontrol.
6. Som i trin 2.2, bore et 0,635 cm i diameter hul i siden af ​​den nedstrøms rektangulær kanal i nærheden af ​​indgangen tilindsættelse af en relativ fugtighed-temperaturføler. Bore et andet 0,635 cm i diameter hul fra toppen af ​​den rektangulære kanal langs centerlinjen af ​​vindtunnel.
7. Installere en in-line kanal ventilator i midten af den runde kanal (dvs. 85 cm nedstrøms fra reduktion beskrevet i trin 2.4) orienteret for at fjerne luft fra den nedstrøms del af vindtunnel. Interface blæser med variabel hastighed controller til mere præcis styring af roterende frekvens og som et resultat vindhastighed.
8. Brug svejsning materiale og justerbare reoler at ophøje og fastgør apparatet vindtunnel. Sikre, at bunden af opstrøms og nedstrøms rørsystem flugter med toppen af jorden tank (figur 2).

3. Installation af sensorer

1. Før installation i tanken jord, fastgøre hver jordfugtighed og temperaturføler i et gevind NPT hus (1,9 cm og 0,635 cm huse, henholdsvis) og seal med blinkende fugemasse for at forhindre fugt indtrængen. Brug ikke silikone-baserede fugemasse produkter, da de kan forstyrre elektronikken inden nogle sensorer. Cure sensorerne i ca. en uge.
2. Før installation i tanken jord, kalibrere jordfugtighedssensorer i overensstemmelse med de to point α-blanding metode udviklet af Sakaki et al. ^12.
3. Wrap trådene i hver NPT hus med blikkenslagere tape inden installation i tanken for at bidrage til at give en bedre forsegling mellem NPT gevind og akrylglas.
4. Installer alt 25 jordfugtighed og temperatursensorer hver vandret gennem væggene af tanken på de steder, der omtales i trin 1.2. Sno sensor kabler i sync med NPT fitting / boliger, så de ikke beskadiger interne ledninger inden kablerne. Må ikke over-moment de NPTs for at forhindre, at glasset revner. Tilslut jordfugtighedssensorer og temperaturfølere til deres udpegede dataloggere.
5. Installer 3 relative luftfugtighed-temperaturfølere på jordoverfladen i en afstand på 2,5, 12,5 og 21,5 cm fra forkanten af ​​tanken. Placer sensorer i god kontakt med jordoverfladen, således at de relative luftfugtighed afspejler forholdene på jordoverfladen snarere end den omgivende luft. Slut sensorerne til dataloggere.
6. For at opnå den fornødne lufttemperatur og relative målinger fugtighed i atmosfæren, installere relative luftfugtighed-temperaturfølere i den frie strøm sektion af vindtunnel, ved hjælp af huller boret gennem de opstrøms og nedstrøms dele af vindtunnel samt panelerne.
7. Installer en pitot-statisk rør direkte nedstrøms af tanken jord gennem 0,635 cm hul boret i toppen af ​​den nedstrøms vindtunnel sektion. Hold pitot-statiske rør i en højde af 13 cm fra gulvet af sektionen. Slut pitot-statiske rør til et differenstryk transducer.
8. Calibrate differenstrykket transducer. Den pitot-statiske rør foranstaltninger dynamisk tryk, som er defineret som forskellen mellem den stagnation og statiske tryk. Trykforskellen er fortolket af tryktransduceren som en spænding forskellen.
   1. Mål spændingen under ingen strømning (spænding skal være omtrent lig med 0) og til strømning af en kendt dynamisk tryk; dette tillader en lineær sammenhæng skal etableres mellem dynamiske tryk og spænding. Bestemme vindhastigheden ved at anvende Bernoullis ligning:
      (1)
      hvor V (m / sek) er vindhastighed, P _dynamisk (Pa) er dynamisk tryk, og ρ (kg / m ³⁾ er massefylden af luft.
   2. Sammenlign hastigheden beregnes ved anvendelse af ligning (1) med en anden måleindretningen. Her sammenligne pitot-statisk rør differenstryk transducer med Laser Doppler Velocimetri (LDV) målinger, som har en nøjagtighed på ± 0,01 m / sek.
      Bemærk: En sammenfatning af sensorer beskæftigede og deres tilknyttede samplingfrekvenser kan findes i tabel 1 For sensor specifikationer og andre oplysninger, henvises til vedlagte materialer / udstyrsliste..

Sensor	Sensormålinger	Antal sensorer Beskæftigede i eksperimentelle enheder	Sensor Sampling Frequency (min)
EF-5	Jordfugtighed	25	10
ECT	Jord / lufttemperatur	25	10
SH-1	Termiske egenskaber	1	10
EHT	Relativ fugtighed / temperatur	10
Infrarødt kamera	Overfladetemperatur / fordampning	1	1
Digitalkamera	Visualisering af tørring foran	1	60
Pitot statisk rør	Vindhastighed	1	10
Vægtning skala	Kumulativ fordampning / fordampning sats	1	10

Tabel 1: Sammenfatning af sensorer, der anvendes i eksperimentel del af nærværende undersøgelse.

4. Pak Soil Tank og forberede starten af ​​eksperimentet

1. Forud for pakning tanken med jord, teste sin integritet ved at udføre en lækage test. Fyld tanken med vand og vente 4-6 timer for at sikre, at ingen utætheder i konstruktionen eller sensorer har udviklet.
   1. Hvis utætheder udvikler, tømme tanken, lad det tørre natten over og løse lækager ved hjælp af den samme mArine klæbemiddel anvendes under oprindelige konstruktion. Hvis der ikke forekommer utætheder, tøm tanken jorden og forberede nedenstående trin.
2. Bestemme det totale volumen af ​​tanken med sensorer på plads. Fyld forsigtigt tanken med vand med en måleglas, og sørg for at registrere mængden af ​​vand tilsættes. Konvertere den optagede samlede volumen til kubikcentimeter til anvendelse i trin 4.5.
3. Opnå tør jord at pakke tanken jord. Karakterisere de hydrauliske og termiske egenskaber for den valgte jord hver i overensstemmelse med de metoder, der diskuteres i Smits et al. ¹¹
4. Omhyggeligt wet-pakke jorden tanken ved hjælp af jord og demineraliseret vand.
   1. Til våd-pack tanken jord, først hælde ca. 5 cm vand i tanken. Tilsæt langsomt tør jord til vandet i tanken, ved hjælp af en skovl, i intervaller 2,5 cm dybde. Man noterer vægten af ​​sandet tilsættes under hver elevator så kan beregnes porøsiteten af ​​jorden pakning.
   2. Efter færdiggørelseaf hvert lag, gentagne gange trykke beholderens vægge ved hjælp af en gummihammer, 100-200 gange, for at opnå en ensartet bulkdensitet i hele. Mens aflytning, undgå kontakt med sensorerne og sensor ledninger. Brugen af ​​vibrerende udstyr bør undgås for ikke at beskadige det netværk af følsomme sensorer.
5. Ved afslutningen af ​​pakning tanken, opsummere sammen vægtene af hvert jordlaget (se trin 4.4) for at få den totale masse af jord. Opdele den samlede masse af rumvægten af jord (rumvægten af kvartssand er 2,65 g / ^cm3) for at bestemme volumenet af sandet (V _s, ^cm3). Beregne porøsitet (η, m ³ / m ³⁾ af jorden i tanken ifølge:
   (2)
   hvor (V _T, ^m3) er det samlede volumen af den tomme tank bestemt i trin 4.2.
<li> Når tanken er fuldt pakket, placere en plastkappe, såsom Saran wrap over tanken, indtil forsøget er klar til at begynde at forhindre udbrud af fordampning.
6. Placer tanken på en vægtning skala til overvågning af akkumulerede vand tab, som igen kan bruges til at beregne fordampningen sats.
7. Beregn time fordampningshastighed ved at dividere hver time vægttab ved produktet af densiteten af ​​vand, og tværsnitsarealet af den fordampende overflade.

5. Start Experiment og Begin Dataindsamling

1. Når opsætningen er færdig, fastlægge de ønskede atmosfæriske forhold (dvs. temperatur, vindhastighed). Sørg for, at dataloggere og andre dataopsamlingssystemer er tændt og indstillet til de korrekte prøveudtagning intervaller (f.eks hver 10 min).
2. Start ventilatoren og temperatur kontrolsystem. Lad klimaforhold i ligevægt, før du fjerner plastik dæksel på overfladen af ​​de solietank. Køre eksperimentet for den ønskede længde af tid (fx 15 dage).

Representative Results

Formålet med forsøget præsenteres her var at undersøge virkningen af ​​vindhastigheden på fordampning fra bar jord. Vigtige egenskaber af testen anvendte jord i den foreliggende undersøgelse er opsummeret i tabel 2. En række forsøg blev udført, hvor forskellige randbetingelser i jordoverfladen (dvs., vindhastighed og temperatur) blev påført (tabel 3). Selvom fire forsøg ved forskellige vindhastigheder og temperaturer blev udført, at størstedelen af ​​eksperimentelle resultater præsenteres her er for en vindhastighed på 1,22 m / sek. Kumulativ fordampning data er vist for alle fire forsøg.

Pakning Betingelser	Tør Bulk Density (G cm-3)	Air indtastning Pressure (Cm H2O)	Resterende Water Content (M 3 m -3)	Van Genuchten
			Modelparametre *
			α (cm-1)	n (-)
Stram	1,79	16,1 / 22,5	0,028	0.04	20.53

Tabel 2: Vigtigste egenskaber for eksperimentel test jord anvendes.

Experiment Run #	Gennemsnitlig Maksimal vindhastighed	Begyndelsestemperatur på jordoverfladen	Sluttemperatur på jordoverfladen
	(M / sek)		(° C)
1	0,55	27	31
2	1.22	26	33
3	3	29	37
4	3,65	33	44.5

Tabel 3: Eksperimentelle vindhastigheder anvendt.

Tidsafhængig relativ luftfugtighed og temperatur målt ved jordoverfladen er vist i figur 3. Den relative luftfugtighed forbliver relativt konstant på omkring 0,80 i ca. to dage før stejlt faldende over de næste fire dage, ud over hvilken en stabil relativ fugtighed værdi på 0,35 er opnået. Temperaturen på jordoverfladen viser en stigende tendens i løbet af en periode på fire dag før stabilisering. Disse tendenser blev observeret i alle fire forsøg, og kan forklares påhensyn til jordbundens tørring. Relativ fugtighed aftager sammen med et fald i fordampningshastigheden fordi der er mindre vanddamp til stede over tid. Temperaturen stiger som de tilgængelige vand aftager (dvs. fordampning aftager), fordi processen for fordampning ikke længere køler jordoverfladen. I løbet af de første tre dage, den relative fugtighed i nedstrøms luften var højere end opstrøms luft på grund af tilstedeværelsen af ​​mere vanddamp som følge af opstrøms fordampning. Denne tendens blev vendt senere, sandsynligvis på grund af den opstrøms sensor miste kontakten med jordoverfladen; følerkablerne er fleksible og lejlighedsvis trække føleren fra jordoverfladen, ændre fugtigheden læsning. Den relative luftfugtighed målt nedstrøms, er større end den, der måles opstrøms fordi processen med fordampning langs de første 21,5 cm af tanken øget mængden af ​​fugtighed til stede i luft.

<img alt = "Figur 3" src = "/ files / ftp_upload / 52704 / 52704fig3highres.jpg" width = "700" />
Figur 3: Relativ luftfugtighed og temperatur målt på jordoverfladen (Dette tal er blevet ændret fra Davarzani et al. ^5).

Den frie strøm lufttemperatur i dette eksperiment blev sat til en konstant værdi på 40 ° C ved anvendelse af den tidligere beskrevne temperaturkontrol system. Den tidsafhængige temperatur og relative fugtighed af luften i det frie strøm, i en højde af 8,5 cm over jordoverfladen, er vist i figur 4. De observerede døgnets temperaturudsving skyldes variabiliteten af patroneffekter som reaktion på temperaturen målt af den infrarøde temperaturføler, der regulerer temperaturen styresystemet (se trin 2.3). Døgnets udsving kan undgås, hvis det ønskes, ved at indstille den infrarøde temperaturføler til et sæt temperaturværdi. Forskellen i atmosfærisketemperaturen langs længden af tanken er resultatet af fordampningskøling (figur 4).

Figur 4: Relativ fugtighed og temperatur målt 7,5 cm over jordoverfladen opstrøms og nedstrøms for tanken (Dette tal er blevet ændret fra Davarzani et al. ^5).

I figur 5a, er den tidsafhængige jordtemperatur vist for dybderne af 2,5 cm, 7,5 cm og 12,5 cm under jordoverfladen samt den omgivende temperatur; se figur 1 til identifikation sensor. Som det ses i figur 5a, overfladetemperatur og vindhastigheden er mindre indflydelsesrige på lokale temperaturer på større dybder -. Viser ingen virkning ved dybder under 12,5 cm Figur 5b viser temperatur som AFsidste olie af tid for tre følere placeret i en dybde på 2,5 cm. Der er en lille forskel i temperatur sensorer i denne dybde med opstrøms sensor 5 viser en højere temperatur end den nedstrøms Sensor 1. Dette skyldes den frie strøm temperaturen altid højere opstrøms end nedstrøms (figur 4). Forskellene i temperatur resulterer også i en asymmetrisk mætning profil i tanken jorden som efterfølgende vil blive vist.

En

B

Figur 5: Udvikling af målt jordtemperatur som funktion af tid (a) lodret i midten af tanken og (b) vandret med en dybde på 2,5 cm (Dette tal er modified fra Davarzani et al. ^5).

Figur 6a viser den tidsafhængige mætning versus tid ved jorddybder på 2,5, 7,5, 12,5, og 17,5 cm. For dybder over 12,5 cm, mætningen forblev på 100% under hele forsøget; tættere på jordoverfladen faldt imidlertid mætning over tid. Det er vist i figur 6a mætning kan relateres til de forskellige stadier af fordampning (dvs. fase I og fase II), defineret af forskelle i fordampningshastigheder, placering af tørring fronten, og dominerende transportmekanismer ^14. Under fase I fordampning, tørring forreste hurtigt retreats væk fra jordoverfladen som tyngdekraften og viskøse kræfter begynder at dominere kapillære kræfter. Dette observeres i den første dag af den målte nedgang i jord mætning af den første række af jordfugtighedssensorer svarende til en dybde på 2,5 cm. Efter dag 1, den hastighed, hvormed tørring foran continues at trække sig tilbage forsinker som vist i den gradvise formen af mætningskurver til sensorer 6-10 anbragt ved en dybde på 7,5 cm (figur 6A). Dette markerer overgangen af ​​inddampning til dampdiffusionstæt begrænset fase II-fordampning. Den indledende del af fase II kaldes ofte den faldende rente perioden ^15-17. Til sidst, de mætning kurver udjævner og ændre meget lidt som tørring fronten når en dybde på 12,5 cm (f.eks Sensor 13) ved Dag 3.

En

B

Figur 6: Time udvikling målt jord under overfladen mætning (a) lodret i midten af tanken og (b) vandret med en dybde på 2,5 cm (Denne figure er blevet ændret fra Davarzani et al. ^5).

Figur 6b viser mætning versus tid for tre følere placeret ved konstant dybde på 2,5 cm. De mætning kurver er næsten identiske og konsekvent i hele længden af ​​tanken ved denne dybde. Den lille asymmetriske fordeling skyldes lufttemperaturen forskel mellem de opstrøms og nedstrøms dele af vindtunnel. Da opstrøms temperaturer var konsekvent et par grader varmere, atmosfærisk efterspørgsel, der driver fordampning, ville være højere, og derfor ville der være en lidt hurtigere hastighed på tørring.

Figur 7 viser vindhastighed, middelværdi på 1,22 m / sek, som en funktion af tid. Den observerede sinusformede døgnets tendens i vindhastigheden er resultatet af ændringer i atmosfæriske forhold såsom barometertryk og luft tæthed. Den gennemsnitlige vindhastighed blev anvendt i modellering indsats, fordi virkningerne af diurnale udsving i atmosfæriske variabler var ikke i fokus i denne undersøgelse. Dette betyder dog ikke, at der kunne tidsafhængige data ikke anvendes. Som en del af serien af ​​fordampning eksperimenter blev fire forskellige gennemsnitlige vindhastigheder anvendt; se tabel 3 for en oversigt. De beregnede Reynolds tal for alle forsøg i denne undersøgelse var i laminare og overgangsbestemmelser flow regimer. Det er imidlertid velkendt, at overfladen turbulens kan påvirke fordampningshastigheder ¹⁶ og bør behandles i fremtidige studier.

Figur 7: Tidsafhængig vindhastighed over jordoverfladen med middelværdi på 1,22 m / sek ^{- 1} (Dette tal er blevet ændret fra Davarzani et al. ^5).

Virkningen af ​​luftstrømmen iden fri væske-regionen (dvs. atmosfære) på den kumulative fordampning er vist i figur 8. Kumulativ fordampning er afbildet for fire forskellige frie flow gennemsnitlige vindhastigheder (VW) af 0,50, 1,20, 3,00 og 3,60 m / sek. Resultater viser, at vindhastigheden har en meget fremtrædende virkning på kumulativ fordampning og mængden af ​​vandtab i de forskellige fordampningsemissioner faser. Som vist i figur 8, øge vindhastigheden øger den totale fordampning. Ved at sammenligne skråningerne af kurverne, den største indflydelse var på den oprindelige fordampningshastighed, her kaldet fase 1. Fase 1 fordampning defineres ofte af høje og relativt konstante fordampningshastigheder ¹⁷ og overvejende påvirket af atmosfærisk efterspørgsel snarere end jordbundsforhold . Som vindhastigheden øges yderligere 3-3,6 m / sek, fordampning viser meget mindre afhængighed af trinvise ændringer i vindhastigheden, end der blev observeret for ændringer ved lave vindhastigheder. Stigendevindhastighed fører til en stigning i fase I fordampningshastighed samtidig mindske overgangstid fra fase I til fase II ^5. Indflydelsen af ​​vindhastighed på fordampning er mindre signifikant for fase II fordampning som styres hovedsagelig af det porøse medium. I denne fase, er fordampning kontrolleres af den hastighed, hvormed vand kan overføres til jordoverfladen via diffusion snarere end atmosfærisk efterspørgsel.

Figur 8: Effekten af forskellige gennemsnitlige vindhastigheder på kumulativ fordampning (Dette tal er blevet ændret fra Davarzani et al. ^5).

Discussion

Formålet med denne protokol var at udvikle en eksperimentel apparatur og tilhørende procedurer for generering af høje data rumlige og tidsmæssige opløsning, der kræves for at studere jord-atmosfæriske interaktioner med hensyn til varme og massetransport processer. Den eksperimentelle apparat bestod af en jord tank og en lille vindtunnel, som begge var udstyret med et array af sensorer til måling af relevante jordbunds- og atmosfæriske variabler (f.eks vindhastighed, relativ fugtighed, jord og luft temperatur og jordfugtighed ). Følgende er nogle af de mest kritiske komponenter i den protokol præsenteret i denne undersøgelse.

Tanken dimensioner og sensor placering var specielt udvalgt til at maksimere antallet af sensorer, der anvendes, mens der tegner sig for sensorens respektive prøvevolumener. Den første række af sensorer er 2,5 cm under jordoverfladen på grund af hver sensors prøvevolumen (defineret som volume af jorden omkring sensoren, inden for hvilket en ændring i miljøforholdene påvirker sensoraflæsninger). Sensorerne, placeret i NPT fittings, der er installeret vandret gennem væggene af tanken jord, således at sensoren ledningerne ikke er i jorden selv; alle sensorledninger er ydersiden af ​​tanken, forhindrer vand kanalisering. Installationen af ​​et stort netværk af temperatur- og jordfugtighedssensorer tillader lodrette og vandrette fordelinger af disse variabler, der skal fastlægges på en fin rumlig opløsning.

Placering af tanken jorden på en vægtning skala giver akkumulerede tab vand og den tilhørende fordampning, der skal bestemmes ved hjælp af vand massebalancemetode beskrevet ovenfor. Disse værdier kan derefter sammenlignes med fordampningshastigheder opnået med andre metoder, såsom kombineret varme-puls og fornuftig varmebalance ansat i Trautz et al. ¹⁸

Vindtunnelen del af tilsynerater består af tre dele - en opstrøms, nedstrøms og midterste sektion. Den opstrøms del anvendes til at opvarme luften, før den trækkes over jorden tank i den midterste sektion med hjælp af en temperatur kontrolsystem. Den midterste del af vindtunnel er udstyret med sensor teknologier til måling af temperatur og relativ fugtighed. Den nedstrøms del af vindtunnel indeholder en in-line kanal ventilator og spjæld til styring vindhastighed, som overvåges under anvendelse af et pitot-statisk rør.

Anvendeligheden af ​​jorden tanken-vindtunnel apparat beskrevet ovenfor, blev demonstreret i en eksperimentel casestudie af virkningerne af vindhastighed på fordampning sats. Resultater viser, at øget vindhastighed fører til en øget fordampning sats og forkortet fase I fordampning varighed. Stigende vindhastighed over 3 m / sek dog viser lidt ekstra effekt på trin I fordampning. Trin II fordampning, reguleret primært ved ejendomme of det porøse medium, synes at være uafhængig af eller kun svagt påvirket af vindhastighed.

Denne forsøgsprotokol er gældende for en række miljømæssige forhold at omfatte ændringer i jordbundsforhold (dvs. forskellige jordtyper, pakning konfigurationer, vegetation og bymiljøer), klima randbetingelser (temperatur, vindhastighed, nedbør) eller underjordiske (f.eks varierende vand table niveauer). Dimensioner, sensor layout af det beskrevne apparat kan modificeres til at imødekomme behovene hos forskellige forsøg. Den emballage, der er beskrevet ovenfor, kan ligeledes modificeres til hensyn til forskellige emballering konfigurationer såsom varierende porøsitet betingelser 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.