Esplorare gli effetti dell'inquinamento atmosferico forcing per evaporazione: Integrazione sperimentale dello strato atmosferica Boundary e Subsurface Shallow
Summary
Un protocollo per la progettazione e la costruzione di un serbatoio terreno interfacciato ad una piccola galleria del vento climatica controllata per studiare gli effetti delle forzanti atmosferici sul evaporazione è presentato. Sia il serbatoio suolo e galleria del vento sono strumentati con tecnologie di sensori per il continuo nella misurazione in situ di condizioni ambientali.
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
Comprendere l'interazione tra la terra e l'atmosfera è fondamentale per la nostra comprensione di molti problemi del mondo di oggi, come fuoriuscita di anidride carbonica geologicamente-sequestrato nel suolo, i cambiamenti climatici, l'acqua e l'approvvigionamento alimentare, il rilevamento accurato delle mine terrestri, e la bonifica delle acque sotterranee e del suolo. Inoltre, gli scambi primari di calore e acqua che guidano condizioni meteorologiche globali e regionali verificano sulla superficie della Terra. Molti fenomeni meteorologici e climatici (ad esempio, uragani, El Ni & # 241; o, siccità, ecc) sono principalmente guidati da processi associati atmosferico-land interazioni di superficie 1. Come più della metà della superficie terrestre sulla Terra è aride o semiaride 2-4, che descrive con precisione il ciclo delle acque in queste regioni sulla base di scambi di calore e di acqua tra l'aria atmosferica e la superficie del suolo è fondamentale per migliorare la nostra comprensione di le questioni di cui sopra,in particolare nelle regioni vulnerabili alla siccità e alla desertificazione estesa. Tuttavia, nonostante decenni di ricerca, rimangono ancora molte lacune nelle conoscenze nell'attuale comprensione di come il sottosuolo superficiale e l'atmosfera interagiscono 5.
Processi di trasporto coinvolgono acqua liquida, vapore acqueo, e il calore nel suolo sono dinamiche e fortemente accoppiato rispetto alle interazioni con il suolo e forzata condizioni al contorno (cioè, temperatura, umidità relativa, radiazione termica). Modelli di calore e di massa di trasferimento numeriche comunemente semplificano troppo o si affacciano su un certo numero di queste complessità dovuta in parte alla mancanza di prove e la raffinatezza delle teorie esistenti derivanti da una carenza di dati ad alta risoluzione spaziale e temporale. Dataset sviluppati per la convalida dei modelli sono spesso carenti informazioni atmosferica o sottosuolo fondamentale per testare correttamente le teorie, con conseguente modelli numerici che non rappresentano adeguatamente importazioneprocessi formica o dipendono dall'uso di parametri poco conosciute che sono regolate o adattarsi al modello. Questo approccio è ampiamente utilizzato per la sua semplicità e facilità di utilizzo e presenta in alcune applicazioni indicate molto merito. Tuttavia, questo approccio può essere migliorato attraverso una migliore comprensione della fisica dietro questi "parametrizzazioni concentrati" effettuando esperimenti ben controllati in condizioni transitorie che sono in grado di prove di calore e trasferimento di acqua teoria 6.
Un'attenta sperimentazione in laboratorio permette dataset di precisione da generare che può successivamente essere utilizzato per validare modelli numerici. Dati disponibili da siti di campo sono spesso incomplete e costoso ottenere, e il grado di controllo necessari per ottenere una comprensione fondamentale dei processi e per generare dati di convalida del modello potrebbero essere considerati talora inadeguata. Laboratorio di sperimentazione di fenomeni naturali quali l'evaporazione del suolo permette atmoscondizioni atmosferico (cioè, temperatura, umidità relativa, velocità del vento) e le condizioni del suolo (ad esempio, tipo di terreno, la porosità, la configurazione d'imballaggio) da controllare con attenzione. Molte tecniche di laboratorio utilizzate per lo studio di evaporazione del suolo e del suolo proprietà termiche e idrauliche utilizzano un campionamento distruttivo 7-10. Metodi di campionamento distruttivi richiedono che un campione di suolo decomprimere per ottenere dati puntuali, impedendo la misurazione del comportamento transitorio e distruggere proprietà fisiche del suolo; questo approccio introduce errore e l'incertezza per i dati. Misure non distruttive, come il metodo presentato qui, consentono la determinazione più accurata e lo studio dell'interdipendenza di proprietà del suolo e processi 11.
L'obiettivo di questo lavoro è quello di sviluppare un apparato di carro armato del suolo e protocollo associato per la generazione di dati di risoluzione spaziale e temporale elevate relative agli effetti delle variazioni atmosferiche e delle condizioni del sottosuolo suevaporazione nudo terreno. Per questo lavoro, una piccola galleria del vento in grado di mantenere una velocità del vento e temperatura costanti è interfacciato con un apparato tank terreno. La galleria del vento e il serbatoio del suolo sono strumentati con una suite di tecnologie allo stato dell'arte dei sensori per la raccolta di dati autonomo e continuo. Velocità del vento viene misurata utilizzando un acciaio tubo di Pitot-statico in acciaio collegato a un trasduttore di pressione. Temperatura e umidità relativa sono monitorati nell'atmosfera utilizzando due tipi di sensori. Umidità relativa e temperatura vengono monitorati anche sulla superficie del suolo. I sensori della misura dell'umidità del suolo sottosuolo e della temperatura. Misurazioni di peso dell'apparato serbatoio vengono utilizzati per determinare l'evaporazione attraverso un bilancio di massa di acqua. Per dimostrare l'applicabilità di questo apparato sperimentale e protocollo, presentiamo un esempio di evaporazione nudo suolo in diverse condizioni di velocità del vento. Il serbatoio del terreno, ricco omogeneo con una sabbia ben caratterizzato, è stato inizialmente completamente saturated e lasciato evaporare liberamente in condizioni atmosferiche attentamente controllate (temperatura, velocità del vento).
Protocol
Representative Results
Discussion
Lo scopo di questo protocollo è quello di sviluppare un apparato sperimentale e relative procedure per la generazione di dati ad alta risoluzione spaziale e temporale necessarie per studiare le interazioni terra atmosferica rispetto al calore e processi di trasferimento di massa. L'apparato sperimentale descritto consisteva in un serbatoio suolo e una piccola galleria del vento, ambedue equipaggiato con una serie di sensori per la misurazione di suolo e atmosferiche variabili pertinenti (ad esempio, veloci…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata finanziata dalla US Army Research Ufficio Award W911NF-04-1-0169, il Centro Ricerca e Sviluppo Engineering (ERDC) e National Science Foundation grant EAR-1.029.069. Inoltre, questa ricerca è stata sostenuta da un programmi estivi in Undergraduate Research Grant da Colorado School of Mines. Gli autori desiderano ringraziare Ryan tolene e Paul Schulte per il loro contributo.
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. |
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