Buharlaşma Atmosferik zorlamalara Etkilerinin keşfetmek: Atmosferik Sınır Tabakası ve Sığ Yer altı Deneysel Entegrasyon

Bu prosedürün genel amacı, atmosferik zorlamaların evaporasyon üzerindeki etkilerini deneysel olarak incelemek için bir toprak tankı düzeneği ve ilgili bir protokol geliştirmektir. Bu işlem, öncelikle iki boyutlu, tezgah ölçekli bir toprak tankı inşa edilerek gerçekleştirilir. İkinci adım ise, toprak tankı ile etkileşim kuran, iklim kontrollü bir rüzgar tüneli düzeneği inşa etmektir.

Ardından, rüzgar tüneli ve toprak tankı; toprak, nem, sıcaklık, bağıl nem ve rüzgar hızını ölçmek için kullanılan çeşitli sensör teknolojileri ile donatılır. Son adım, toprak tankının toprak ve su ile doldurulması, istenen atmosferik zorlamaların belirlenmesi ve deneyin başlatılmasıdır. Nihayetinde bu deneysel düzenek, iyi kontrollü sınır koşulları altında veri üretmek için kullanılabilir; bu da sahada mümkün olmayan, ilgi duyulan ölçeklerde daha iyi kontrol ve doğru veri toplanmasına olanak tanır.

Bu prosedürün mevcut yöntemlere göre temel avantajı, sayısal modellerin doğrulanmasında ve toprak özellikleriyle süreçler arasındaki karşılıklı bağımlılığın incelenmesinde kullanılabilecek hassas veri setlerinin oluşturulmasına olanak tanımasıdır. Saha bölgelerinden elde edilen veriler genellikle eksiktir ve temini maliyetlidir; ayrıca süreçlerin anlaşılması ve model doğrulaması için veri üretilmesi amacıyla gereken kontrol düzeyi yetersiz kabul edilebilir. Bu prosedür; sıcaklık, bağıl nem, rüzgar hızı gibi atmosferik koşulların ve toprak koşullarının dikkatle kontrol edilmesine imkan tanır.

Bu yöntem, burada gösterildiği gibi buharlaşma hakkında bilgi sağlayabilse de, jeolojik olarak hapsedilmiş karbondioksit sızıntıları, toprak iklim değişikliği, gıda ve su kaynakları, kara mayınlarının doğru tespiti ile yer altı suyu ve toprağın iyileştirilmesi gibi kara-atmosfer etkileşimlerinin anlaşılmasını gerektiren diğer sorunlara da uygulanabilir. Lisansüstü öğrencim Andrew Trouts ve laboratuvarımdan lisans öğrencisi Victoria Egan ile birlikte prosedürü uygulamalı olarak göstereceğiz. Başlamak için, 1,2 santimetre kalınlığındaki büyük bir akrilik cam parçasını beş ayrı panele kesin. Akrilik cam, yüzey altındaki süreçlerin görsel olarak gözlemlenmesine olanak tanır.

Ardından, beş çarpı beşlik bir ızgara çizin. Bu, iki büyük cam panelin her birinde 25 santimetreye 25 santimetrelik bir alana denk gelir. Izgara içerisindeki her bir karenin alanının 25 santimetrekare olduğundan emin olun.

Izgara, uygun aralıklandırma için kullanılacaktır. Toprak tankındaki sensörler için, büyük cam panellerden birine toplam 25 adet 0,9 santimetre çapında delik açın; toprak nem sensörleri için her deliği ızgaradaki her karenin merkezine, böylece yan yana gelen iki karenin delik merkezleri arasında beş santimetre mesafe olacak şekilde açın. İlk delik seti, tankın üst kenarının 2,5 santimetre altına gelecek şekilde konumlandırılır.

Yeni açılan her bir deliğe diş açmak için uygun boyutlardaki kılavuzları kullanın. Sensörler arasındaki beş santimetrelik boşluk, her bir sensörün en yakınındaki diğer sensörün örnekleme hacminin dışında kalmasını sağlar. Aynı şekilde, tankın tabanı olarak kullanılan akrilik panel üzerindeki diğer cam panelde, her bir ızgara kutusunun merkezine toplamda 25 adet 0,635 santimetre çapında delik açın ve dişlerini açın.

Panelin ortasına yarım inç çapında tek bir delik açın ve kılavuz çekin. Camın iç tarafındaki deliğin üzerine bir ağ ekran yapıştırın. Esnek bir boruya ve ayarlanabilir bir vanaya bağlı 90 derecelik bir dirsek monte edin.

Bu valf ve boru sistemi, bir deneyin sonunda tanktaki suyu boşaltmak veya sabit su seviyelerini korumak için sabit başlık cihazları kurmak amacıyla kullanılır. Tablo derinlikleri. Tankı birbirine eklemek ve sızdırmazlığını sağlamak için deniz tipi yapıştırıcı veya benzeri suya dayanıklı polimer yapıştırıcı kullanın.

Tankı yerden yükseltmek ve 90 derecelik dirsek için yer açmak amacıyla yapıştırıcının bir gün boyunca kürleşmesini bekleyin. Tankın altına 12 cm uzunluğunda ve 5 cm yüksekliğinde, 1,2 cm kalınlığında iki adet ek akrilik cam parça sabitleyin. Rüzgar tünelinin 215 cm uzunluğundaki üst akış kısmını, 8,5 cm genişliğinde ve 26 cm yüksekliğinde dikdörtgen galvanizli çelik kanal malzemesinden oluşturun.

Kanallın dış kısmını yalıtım malzemesiyle kaplayın. Ardından, rüzgar tünelinin akış yönündeki ön kısmının uzunluğu boyunca, bir reflektör içinde paralel olarak konumlandırılmış beş adet seramik kızılötesi ısıtıcı eleman yerleştirin. Kızılötesi ısıtıcı elemanları, bir kızılötesi sıcaklık sensörü tarafından düzenlenen bir sıcaklık kontrol sistemine bağlayın.

Rüzgar tünelinin orta kısmını, 25 santimetre uzunluğunda ve 26 santimetre yüksekliğinde, 1,2 santimetre kalınlığındaki iki akrilik panelden oluşturun. Rüzgar tüneli ve toprak tankı panellerinin birbirine tam olarak oturduğundan emin olarak, akrilik panelleri güçlü bir yapışkan bant kullanarak toprak tankı yan duvarlarının üst kısmına sabitleyin. Sıcaklık ve/veya bağıl nem sensörlerini yerleştirmek için orta kısım panellerinden birine 0,635 santimetre çapında iki delik açın.

Daha sonra sıcaklık sensörleri, rüzgar tünelinin aşağı akış kısmının ilk 50 santimetresini daha önce kullanılanla aynı boyutlardaki dikdörtgen kanal malzemesinden oluşturur. Sonlandırıcı tarafta, dikdörtgen kanal malzemesini 170 santimetre uzunluğunda ve 15,3 santimetre çapında yuvarlak bir kanala düşürün. Rüzgar hızı kontrolüne yardımcı olması için yuvarlak kanalın en uç aşağı akış kısmına, rüzgar hızlarını ayarlamak için kullanılan galvanizli çelik bir damper monte edin. Ardından, yuvarlak kanalın ortasına, havayı rüzgar tünelinin aşağı akış kısmından dışarı atacak şekilde yönlendirilmiş bir hat içi kanal fanı yerleştirin.

Dönüş frekansının ve dolayısıyla toprak tankına yerleştirilmeden önceki rüzgar hızının daha hassas kontrolü için fanı değişken hız kontrollü bir sisteme bağlayın. Her bir toprak nemi ve sıcaklık sensörünü dişli bir NPT yuvasına sabitleyin ve nem sızmasını önlemek için yalıtım malzemesi ile sızdırmaz hale getirin. Bazı sensörlerin içindeki elektronik aksama müdahale edebileceği için silikon bazlı sızdırmazlık ürünleri kullanmayın.

Sensörleri yaklaşık bir hafta boyunca kürleyin. NPT dişleri ile akrilik cam arasında daha iyi bir sızdırmazlık sağlamak için, tanka yerleştirmeden önce her bir NPPT yuvasının dişlerini tesisatçı bandı ile sarın. Ardından, toplam 25 adet toprak nemi ve sıcaklık sensörünü tank duvarlarından yatay olarak yerleştirin.

Izgara konumlarında, kabloların içindeki kablolamaya zarar vermemek için sensör kablolarını NPT yuvasıyla senkronize bir şekilde bükün. Camın yerleştirildikten sonra çatlamasını önlemek için MPT'leri aşırı sıkmayın; toprak nemi sensörlerini ve sıcaklık sensörlerini kendileri için belirlenmiş veri kaydedicilere bağlayın.

P toe statik tüpünü, rüzgar tünelinin alt akış kesitinin üst kısmında açılan delikten geçecek şekilde, toprak tankının hemen altına yerleştirin. P toe statik tüpünü, kesit tabanından istenen yükseklikte tutun. Ardından, tankı toprakla doldurmadan önce tüpü bir diferansiyel basınç transduserine bağlayın.

Sızdırmazlık testi yaparak bütünlüğünü kontrol edin. Yapıda veya sensörlerde herhangi bir sızıntı oluşmadığından emin olmak için tankı suyla doldurun ve dört ila altı saat bekleyin. Sızdırmazlık testini gerçekleştirdikten sonra tankı boşaltın.

Toprak tankını doldurmak için kuru toprak temin edin. Seçilen toprağın hidrolik ve termal özelliklerini, daha önce yayınlanmış yöntemlere uygun olarak ayrı ayrı karakterize edin. Toprak tankını ıslak şekilde doldurmak için toprak ve deiyonize su kullanarak tankı dikkatlice paketleyin.

İlk olarak, bir kepçe yardımıyla tanka yaklaşık beş santimetre su dökün ve tanktaki suya yavaşça kuru toprak ekleyin. Her katman tamamlandığında toprak paketlemesinin gözenekliliği hesaplanabilsin diye, her eklemede eklenen kumun ağırlığını 2,5 santimetrelik derinlik artışları şeklinde kaydedin. Tüm tankta homojen bir yığın yoğunluğu elde etmek için tank duvarlarına kauçuk bir tokmakla 100 ila 200 kez art arda vurun.

Tıklama işlemi sırasında sensörlerle ve sensör kablolarıyla temas etmekten kaçının. Hassas sensör ağının zarar görmemesi için vibrasyonlu cihazların kullanımından kaçınılmalıdır. Kümülatif su kaybını izlemek için tankı bir terazi üzerine yerleştirin; bu veri aynı zamanda buharlaşma hızını hesaplamak için kullanılabilir.

Kurulum tamamlandığında, istenen atmosferik koşulları belirleyin. Veri kaydedicilerin ve diğer veri toplama sistemlerinin açık olduğundan ve doğru örnekleme aralıklarına ayarlandığından emin olun. Fanı ve sıcaklık kontrol sistemini çalıştırın.

Toprak tankının yüzeyindeki plastik örtüyü kaldırmadan önce iklim koşullarının dengelenmesine izin verin. Son olarak, deneyi istenen süre boyunca çalıştırın. Kombine rüzgar tüneli ve toprak tankı düzeneği, toprak yüzeyinde farklı sınır koşullarının uygulandığı bir dizi deneyi gerçekleştirmek için kullanılmıştır.

Farklı rüzgar hızları ve sıcaklıklarda dört deney gerçekleştirilmiş olsa da, burada sunulan deneysel sonuçların çoğunluğu 1.22 meters per second rüzgar hızı içindir. Toprak yüzeyinin bağıl nemi zamanla azalırken, toprak yüzey sıcaklığı stabilize olmadan önce zamanla artan bir eğilim göstermektedir. Bu eğilimler dört deneyin tamamında gözlemlenmiş olup toprak kurumasıyla açıklanabilir.

Yüzey sıcaklığı ve rüzgar, daha büyük derinliklerdeki yerel sıcaklıklar üzerinde daha az etkilidir ve 12,5 santimetrenin altındaki derinliklerde herhangi bir etki göstermez. Doygunluk, buharlaşma hızlarındaki farklılıklarla tanımlanan farklı buharlaşma aşamalarıyla ilişkilendirilebilir. Kuruma cephesinin konumu ve baskın taşıma mekanizmaları.

Rüzgar hızının artması, buharlaşma hızının artmasına ve birinci aşama buharlaşma süresinin kısalmasına yol açar. Ancak rüzgar hızının saniyede üç metrenin üzerine çıkmasının, birinci aşama buharlaşma üzerinde çok az ek etkisi olduğu görülmektedir. Temel olarak gözenekli ortamın özelliklerine bağlı olan ikinci aşama buharlaşmanın, rüzgar hızından bağımsız olduğu veya rüzgar hızından yalnızca hafifçe etkilendiği görülmektedir.

Bu deneysel protokol; toprak, iklim, sınır veya yeraltı koşullarındaki değişiklikler dahil olmak üzere çeşitli çevresel koşullara uygulanabilir. Tanımlanan düzeneğin boyutları ve sensör yerleşimi, farklı deneylerin ihtiyaçlarını karşılamak üzere modifiye edilebilir. Ayrıca, paketleme prosedürü, değişken gözeneklilik koşulları ve toprak heterojenliği gibi farklı paketleme konfigürasyonlarını dikkate almak için benzer şekilde modifiye edilebilir.