Het verkennen van de gevolgen van atmosferische forcering bij verdamping: Experimentele Integratie van de atmosferische grenslaag en ondiepe ondergrond

Inzicht in de wisselwerking tussen het land en de sfeer is van cruciaal belang voor ons begrip van veel van de huidige problemen in de wereld, zoals het lekken van geologisch-afgezonderd kooldioxide in de bodem, klimaatverandering, water- en voedselvoorziening, de nauwkeurige opsporing van landmijnen, en de sanering van het grondwater en bodem. Bovendien, de primaire uitwisseling van warmte en water dat globale en regionale meteorologische omstandigheden rijden optreden op het aardoppervlak. Veel weer en klimaat verschijnselen (bijv, orkanen, El Ni & # 241; o, droogte, enz.) Worden voornamelijk gedreven door processen die verband houden met de atmosferische-landoppervlak interacties ^1. Aangezien meer dan de helft van het landoppervlak van de aarde is dorre of semi-aride ^2-4, nauwkeurig beschrijven van de watercyclus in deze regio's op basis van warmte en water uitwisseling tussen de atmosferische lucht en het grondoppervlak is van cruciaal belang voor het verbeteren van ons begrip van de bovengenoemde kwesties,met name in gebieden kwetsbaar voor langere droogte en woestijnvorming. Echter, ondanks decennia van onderzoek, is er nog steeds vele kennislacunes in het huidige begrip van hoe de ondiepe ondergrond en de sfeer interactie ^5.

Transportprocessen van vloeibaar water, waterdamp, en warmte in de bodem zijn dynamisch en sterk gekoppeld met betrekking tot interacties met de bodem en afgedwongen randvoorwaarden (dwz temperatuur, relatieve vochtigheid, thermische straling). Numerieke warmte en massa-overdracht modellen vaak te simpel of kijken uit op een aantal van deze complexiteit deels te wijten aan een gebrek aan het testen en verfijning van bestaande theorieën als gevolg van een gebrek aan hoge temporele en ruimtelijke resolutie data. Datasets ontwikkeld voor model validatie zijn vaak ontbreekt kritische atmosferische of ondergrond informatie om goed te testen de theorieën, wat resulteert in numerieke modellen die niet goed zijn goed voor important processen of afhangen van het gebruik van slecht begrepen parameters die veranderd wordt aangebracht in het model. Deze aanpak wordt algemeen gebruikt vanwege zijn eenvoud en gebruiksgemak en in sommige getoonde veel verdienste toepassingen. Echter, deze benadering worden verbeterd door een beter begrip van de fysica achter deze "discrete parameterizaties" door het uitvoeren van goed gecontroleerde experimenten onder wisselende omstandigheden die geschikt voor het testen warmte- en waterafvoer theorie ⁶ zijn.

Zorgvuldig experimenteren in het laboratorium maakt nauwkeurige datasets te genereren die vervolgens kunnen worden gebruikt om numerieke te valideren. Gegevens beschikbaar vanaf onderzoekslocaties vaak onvolledig en kostbaar te verkrijgen, en de mate van controle die nodig is om een ​​fundamenteel inzicht in de processen te verkrijgen en het genereren van gegevens voor modelvalidering kan onvoldoende worden geacht in sommige gevallen. Laboratorium experimenten van natuurverschijnselen zoals bodem verdamping toelaat atmosferische omstandigheden (dat wil zeggen, temperatuur, relatieve luchtvochtigheid, windsnelheid) en de bodemgesteldheid (dwz, bodemtype, porositeit, verpakking configuratie) worden zorgvuldig gecontroleerd. Veel laboratoriumtechnieken gebruikt om de bodem verdamping en bodem thermische en hydraulische eigenschappen te bestuderen gebruiken destructieve bemonstering ^7-10. Destructieve bemonstering methoden vereisen dat een grondmonster worden uitgepakt punt gegevens te verkrijgen, waardoor de meting van voorbijgaande gedrag en het verstoren van de bodem fysische eigenschappen; Deze benadering introduceert fouten en onzekerheid data. Destructieve metingen, zoals de hier gepresenteerde methode, zorgen voor meer nauwkeurige bepaling en studie van de onderlinge afhankelijkheid van de bodemeigenschappen en processen ^11.

Het doel van dit werk is om een ​​bodem tank apparatuur en bijbehorende protocol voor de generatie van hoge ruimtelijke en temporele resolutie van gegevens met betrekking tot de effecten van veranderingen in de atmosfeer en de ondergrond condities op het ontwikkelenkale bodem verdamping. Voor dit werk, is een kleine wind tunnel staat het handhaven van een constante windsnelheid en de temperatuur gekoppeld aan een bodem tank apparaat. De windtunnel en bodem tank worden geïnstrumenteerd met een suite van state of the art-sensor technologie voor autonome en continue dataverzameling. Windsnelheid wordt gemeten met een roestvrijstalen statische Pitot-buis verbonden aan een druktransducer. Temperatuur en relatieve vochtigheid worden bewaakt in de atmosfeer met gebruik van twee sensoren. Relatieve vochtigheid en temperatuur worden ook gecontroleerd op het bodemoppervlak. Sensoren in de ondergrond mate bodemvochtigheid en temperatuur. Gewicht metingen van de tank apparaten worden gebruikt om verdamping te bepalen door middel van een water massabalans. Om de toepasbaarheid van deze experimentele apparatuur en protocol te tonen, geven we een voorbeeld van een kale bodem verdamping onder wisselende wind snelheid. De bodem tank, homogeen verpakt met een goed gekarakteriseerde zand, was aanvankelijk volledig saonverzadigde en vrijelijk onder zorgvuldig gecontroleerde atmosferische omstandigheden verdampen (temperatuur, windsnelheid).