استكشاف تأثيرات الغلاف الجوي التأثيرات على التبخر: تجربة دمج طبقة الغلاف الجوي الحدود وتحت السطحية الضحلة
Summary
ويرد بروتوكول لتصميم وبناء خزان التربة ربطه إلى مناخ تسيطر نفق الرياح الصغيرة لدراسة الآثار المترتبة على التأثيرات الجوية على التبخر. والمجهزة على حد سواء خزان التربة ونفق الرياح مع تكنولوجيات الاستشعار لاستمرار قياس الموقع من الظروف البيئية في.
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
فهم التفاعل بين الأرض والغلاف الجوي أهمية قصوى في فهمنا لكثير من المشاكل العالمية الراهنة مثل تسرب ثاني أكسيد الكربون جيولوجيا-المعزول في التربة، وتغير المناخ والمياه والإمدادات الغذائية، وكشف دقيق للألغام الأرضية، ومعالجة المياه الجوفية والتربة. بالإضافة إلى ذلك، التبادلات الأولية للحرارة والماء التي تدفع الظروف الجوية العالمية والإقليمية تحدث على سطح الأرض. العديد من الظواهر الجوية والمناخية (مثل الأعاصير، شركة ني & # 241؛ س، والجفاف، وما إلى ذلك) هي التي تحرك أساسا من العمليات المرتبطة التفاعلات سطح الغلاف الجوي البرية 1. وبما أن أكثر من نصف سطح الأرض على الأرض القاحلة أو شبه القاحلة 2-4، واصفا بدقة دورة المياه في هذه المناطق على أساس من الحرارة والماء التبادل بين الهواء في الغلاف الجوي وسطح التربة أمر بالغ الأهمية لتحسين فهمنا لل القضايا المذكورة آنفا،لا سيما في المناطق المعرضة للجفاف الممتد والتصحر. ومع ذلك، على الرغم من عقود من البحث، لا تزال هناك العديد من الثغرات المعرفية في الفهم الحالي لكيفية باطن الأرض الضحلة والغلاف الجوي تتفاعل 5.
عمليات النقل التي تنطوي على الماء السائل، وبخار الماء، والحرارة في التربة الحيوية ومقترنة بقوة فيما يتعلق التفاعل مع التربة وتطبق شروط الحدود (أي، درجة الحرارة، الرطوبة النسبية، والإشعاع الحراري). نماذج انتقال الحرارة والكتلة العددية عادة الإفراط أو نغفل عددا من هذه التعقيدات ويرجع ذلك جزئيا إلى عدم وجود اختبار وصقل النظريات القائمة الناتجة عن ندرة البيانات عالية الدقة الزمنية والمكانية. قواعد البيانات المتقدمة من أجل التحقق من نموذج تفتقر في كثير من الأحيان المعلومات في الغلاف الجوي أو تحت سطح الأرض الحاسمة لاختبار النظريات بشكل صحيح، مما أدى إلى النماذج العددية التي لا تمثل بشكل صحيح للاستيرادتعتمد عمليات النمل أو على استخدام المعلمات غير مفهومة التي يتم تعديلها أو تركيبها في النموذج. ويستخدم هذا الأسلوب على نطاق واسع نظرا لبساطته وسهولة الاستخدام، ولها في بعض الطلبات التي تعرض الكثير من الجدارة. ومع ذلك، فإن هذا النهج يمكن تحسينها من خلال فهم أفضل للفيزياء وراء هذه "البارامترات جمعها" عن طريق إجراء التجارب تسيطر عليها بشكل جيد في ظل ظروف عابرة قادرة على اختبار الحرارة ونقل المياه نظرية 6.
التجريب الدقيق في المختبر يسمح مجموعات البيانات الدقيقة لأن تتولد التي يمكن بعد ذلك أن تستخدم للتحقق من صحة النماذج العددية. البيانات المتاحة من المواقع الميدانية وغالبا ما تكون ناقصة ومكلفة للحصول على، ودرجة الرقابة اللازمة للحصول على فهم أساسي للعمليات وتوليد ويمكن اعتبار البيانات اللازمة للتحقق نموذج غير كافية في بعض الحالات. التجارب المختبرية من الظواهر الطبيعية مثل تبخر التربة يسمح ATMOSشروط pheric (أي درجة الحرارة والرطوبة النسبية وسرعة الرياح) وظروف التربة (أي نوع التربة، المسامية، والتعبئة التكوين) أن يكون للرقابة بعناية. العديد من التقنيات المخبرية المستخدمة لدراسة تبخر التربة وخصائص التربة الحرارية والهيدروليكية تستخدم أخذ العينات المدمرة 10/07. تتطلب أساليب أخذ العينات المدمرة التي يتم تفكيك عينة التربة للحصول على بيانات نقطة، ومنع قياس سلوك عابر وتعطيل الخواص الفيزيائية للتربة. هذا النهج يقدم الخطأ وعدم اليقين إلى البيانات. قياسات تدميري، مثل الطريقة المعروضة هنا، والسماح لتحديد أكثر دقة ودراسة الترابط بين خصائص التربة والعمليات 11.
الهدف من هذا العمل هو تطوير جهاز دبابات التربة والبروتوكول المرتبطة لتوليد بيانات عالية الدقة المكانية والزمانية المتعلقة آثار التغيرات في الغلاف الجوي والظروف الموجودة تحت سطح الأرض علىتبخر التربة العارية. لهذا العمل، وربطه نفق الرياح الصغيرة قادرة على الحفاظ على سرعة الرياح ودرجة الحرارة ثابتة مع جهاز دبابات التربة. والمجهزة نفق الرياح وخزان التربة مع مجموعة من حالة تكنولوجيات الاستشعار الفن لجمع البيانات مستقل ومستمر. يتم قياس سرعة الرياح باستخدام الفولاذ المقاوم للصدأ نظام Pitot ثابت أنبوب تعلق على محول الضغط. ويتم رصد درجة الحرارة والرطوبة النسبية في الجو باستخدام نوعين من أجهزة الاستشعار. يتم مراقبة الرطوبة النسبية ودرجة الحرارة أيضا على سطح التربة. أجهزة الاستشعار في رطوبة التربة تحت السطحية مقياس ودرجة الحرارة. وتستخدم قياسات وزن الجهاز دبابة لتحديد التبخر من خلال توازن الكتلة المائية. للتدليل على تطبيق هذا الجهاز التجريبي والبروتوكول، ونحن تقديم مثال التبخر التربة عارية في ظل ظروف مختلفة سرعة الرياح. خزان التربة، ومعبأة بشكل متجانس مع الرمال تتميز بشكل جيد، وكان في البداية سا تماماturated وسمح لتتبخر بحرية تحت الظروف الجوية التي تسيطر عليها بعناية (أي درجة الحرارة وسرعة الرياح).
Protocol
Representative Results
Discussion
وكان الغرض من هذا البروتوكول إلى تطوير جهاز التجريبية والإجراءات المرتبطة بها لتوليد البيانات القرار المكانية والزمانية العالية المطلوبة لدراسة التفاعلات في الغلاف الجوي الأرض مع الاحترام للحرارة وعمليات نقل جماعية. الجهاز التجريبي وصفها يتكون من خزان التربة ونف…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم تمويل هذا البحث من قبل الجيش الاميركي جائزة مكتب ابحاث W911NF-04-1-0169، مركز البحوث والتطوير الهندسي (ERDC) والمؤسسة الوطنية للعلوم منحة EAR-1029069. بالإضافة إلى ذلك، وأيد هذا البحث من قبل برامج الصيف في المرحلة الجامعية بحوث منح من مدرسة كولورادو للمناجم. الكتاب أود أن أشكر ريان Tolene وبول شولت على مساهماتهم.
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).
