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.

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

ملاحظة: يتم إجراء الفحوص المخبرية باستخدام مقاعد البدلاء ثنائي الأبعاد للدبابات على نطاق وربطه مع المناخ تسيطر جهاز نفق الرياح. والمجهزة على حد سواء للدبابات على نطاق ومقاعد البدلاء، ونفق الرياح مع تكنولوجيات الاستشعار المختلفة. فإن بروتوكول التالية أولا مناقشة أعمال البناء والتجهيز للدبابات التربة، تليها مناقشة نفق الرياح والأجهزة على حد سواء. أبعاد الخزان، أبعاد نفق الرياح، وعدد من أجهزة الاستشعار، ونوع تكنولوجيا الاستشعار عرض يمكن تعديلها لتناسب احتياجات محددة انشاء التجريبية. تم استخدام بروتوكول المعروضة أدناه لدراسة تجريبيا آثار سرعة الرياح على تبخر التربة العارية.

1. بناء وإعداد الأوساط المسامية دبابات التربة

1. قطع قطعة كبيرة من 1.2 سم زجاج الاكريليك سميكة إلى خمسة أجزاء الفردية. تجميع هذه الأجزاء إلى خزان التربة ذات السقف المفتوح مع الداخلية الطول والعرض والارتفاع من 25، 9.1 و 55 سم، والتركيبectively. يسمح زجاج الاكريليك العمليات في باطن الأرض التي يتعين مراعاتها بصريا.
2. رسم 5 × 5 الشبكة التي هي 25 سم في 25 سم في كل من اثنين من الألواح الزجاجية الكبيرة (طول 25 سم والارتفاع 55 سم) كما هو مبين في الشكل 1. تأكد من أن كل مربع داخل الشبكة تبلغ مساحتها 25 سم ² (الشكل 1). وسوف تستخدم الشبكة لصحيح الفضاء أجهزة الاستشعار داخل خزان التربة.

الشكل 1: الجبهة تخطيطي والجانب آراء خزان التربة المستخدمة في انشاء التجريبية (أبعاد هي في سم) (أ) المشهد الأمامي للدبابات التربة عرض نظام الشبكة التي تتكون من خمسة وعشرين 5 سم × 5 سم. الساحات. (ب) وجهة النظر جانب خزان التربة، والتي تبين درجة الحرارة المثبتة، والرطوبة النسبية وشبكة استشعار رطوبة التربة باعتبارها وظائفهانشوئها من العمق. لاحظ أن الخطط لم يتم رسمها على نطاق كبير.

3. على واحدة من طائرات الزجاجية الكبيرة، حفر ما مجموعه خمسة وعشرين 1.9 سم (¾ بوصة) ثقوب قطرها لأجهزة الاستشعار رطوبة التربة.
   1. حفر كل حفرة في وسط كل مربع في الشبكة التي أنشئت في الخطوة 1.2 بحيث مراكز الثقوب من ساحتين المتاخمة هي 5 سم بعيدا. أول مجموعة من الثقوب هو 2.5 سم تحت الجزء العلوي من الخزان. استخدام صنابير بحجم مناسب لخفض المواضيع في كل من الثقوب التي أنشئت حديثا. التباعد 5 سم بين أجهزة الاستشعار يضمن أن كل أجهزة الاستشعار خارج من حجم عينة من أقرب استشعار المقبل.
4. وبالمثل، حفر والاستفادة من ما مجموعه خمسة وعشرين 0.635 سم (¼ بوصة) ثقوب قطرها في وسط كل مربع الشبكة التي تم إنشاؤها أثناء الخطوة 1.2. تأكد من أن وسط كل حفرة ومتباعدة 5 سم بعيدا مع الصف الأول من الثقوب الموجودة 2.5 سم تحت الجزء العلوي من الخزان التربة. التباعد 5 سم بين أجهزة الاستشعار يضمن أن كل لياليإنسور هو خارج من حجم عينة من أقرب استشعار المقبل.
5. في الجزء الاكريليك تستخدم في قاع الخزان، حفر والاستفادة حفرة قطرها واحدة ½ بوصة في منتصف الجزء. الغراء شاشة شبكة (أدق من التربة اختبار لاستخدامها) عبر الفتحة الموجودة على الجانب الداخلي من الزجاج. على الجانب الخارجي للطائرة القاع، وتثبيت 90 درجة الكوع التي يتم تركيبها على أنابيب مرنة مع صمام قابل للتعديل. يستخدم هذا الصمام وأنابيب لتصريف المياه من الخزان عند انتهاء التجربة أو كوسيلة لتثبيت الأجهزة رئيس المستمرة للحفاظ على أعماق المياه الجوفية ثابتة.
6. استخدام الغراء الصف البحرية أو الماء مماثل البوليمر لاصقة مقاومة للأن نعلق وختم خزان معا كما هو مبين في الشكل 1. السماح لاصقة لعلاج لمدة يوم واحد.
7. لرفع خزان الخروج من الأرض، وإفساح المجال لل90 درجة الكوع (الشكل 1)، ونعلق قطعتين إضافية من زجاج الاكريليك 1.2 سم سميكة مع lengtح 12 سم والارتفاع 5 سم إلى أسفل الخزان.

2. بناء وإعداد المناخ التحكم نفق الرياح

1. بناء جزء المنبع 215 سنتيمترا من نفق الريح من مستطيلة المواد الأنابيب الصلب المجلفن لديها عرض 8.5 سم وارتفاعه 26 سم. تحيط خارج القناة مع عزل البوليسترين.
2. حفر ثقب صغير في جانب من عمل القناة بالقرب من الخروج المصب من الجزء النظري من نفق الرياح لادراج استشعار الرطوبة النسبية ودرجات الحرارة (الشكل 2).

الشكل 2: استكمال انشاء التجريبية، بما في ذلك دبابات، مجاري الهواء، وأجهزة الاستشعار شبكة (أبعاد هي في سم) مجموعة كاملة تجريبي يتكون من نفق الرياح والتربة للدبابات الأجهزة مجتمعة. نفق الرياحمرتفعة ويجلس مطاردة مع سطح الخزان التربة. والمجهزة للدبابات التربة مع شبكة من أجهزة الاستشعار المستخدمة لقياس مجموعة متنوعة من باطن الأرض والمتغيرات في الغلاف الجوي. الدوائر الشبكة تمثل مواقع لإدراج هذه المجسات. وتستخدم نظام التحكم في التدفئة ومروحة لاصق في خط للسيطرة على درجة الحرارة وسرعة الرياح، على التوالي. يتم استخدام أنبوب نظام Pitot ثابت لقياس سرعة الرياح. جهاز كامل يجلس على نطاق والترجيح للحصول على التوازن الشامل خلال التجريب. لاحظ أن التخطيطي لا تعادل على نطاق كبير.

3. تثبيت خمسة عناصر التسخين بالأشعة تحت الحمراء السيراميك المتمركزة في موازاة داخل عاكس على طول الجزء النظري من نفق الرياح. ربط عناصر التسخين بالأشعة تحت الحمراء لنظام التحكم في درجة الحرارة التي ينظمها جهاز استشعار درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء.
4. بناء القسم الاوسط من نفق الرياح من كل اثنين من 1.2 سم لوحات الاكريليك سميكة بطول وارتفاع 25 سم و 26 سم على التوالي.بحفر بئرين 0.635 سم (¼ بوصة) ثقوب قطرها في واحدة من لوحات منتصف القسم لادخال درجة الحرارة و / أو أجهزة استشعار الرطوبة النسبية ودرجات الحرارة في المواقع هو مبين في الشكل (2).
   1. تأمين لوحات الاكريليك على الجزء العلوي من الجدران الجانبية خزان التربة (أي، لوحات ذات أبعاد 25 سم × 55 سم) باستخدام شريط لاصق قوي، وضمان أن نفق الرياح والألواح خزان التربة جلوس مطاردة مع بعضها البعض.
5. بناء سم ال 50 الأولى من الجزء المصب من نفق الريح من نفس الحجم المواد الأنابيب مستطيلة هو موضح في الخطوة 2.1. على الجانب تنتهي، والحد من المواد الأنابيب مستطيلة لاصق جولة 15.3 سم القطر بطول 170 سم. تثبيت المثبط الصلب المجلفن، وتستخدم لضبط سرعة الرياح، في نهاية المصب بكثير من القناة جولة للحصول على مساعدات في التحكم في سرعة الرياح.
6. كما في الخطوة 2.2، حفر واحدة 0.635 سم حفرة قطرها في جانب قناة مستطيلة المصب بالقرب من مدخل لادراج استشعار الرطوبة النسبية ودرجات الحرارة. حفر الثاني 0.635 سم حفرة قطرها من الجزء العلوي من القناة مستطيل على طول محور من نفق الرياح.
7. تثبيت مروحة القناة في خط في منتصف القناة المستديرة (أي 85 سم المصب من الحد هو موضح في الخطوة 2.4) الموجهة لطرد الهواء من الجزء المصب من نفق الرياح. واجهة المروحة مع وحدة تحكم متغيرة السرعة للتحكم أكثر دقة من تردد التناوب ونتيجة لسرعة الرياح نتيجة.
8. استخدام المواد weldment وحدات رفوف قابلة للتعديل لرفع وتأمين جهاز نفق الرياح. تأكد من أن الجزء السفلي من مجاري الهواء المنبع والمصب هي مطاردة مع الجزء العلوي من الخزان التربة (الشكل 2).

3. تركيب مجسات

1. قبل التثبيت داخل خزان التربة، وتأمين كل رطوبة التربة واستشعار درجة الحرارة داخل السكن معاهدة حظر الانتشار النووي الخيوط (1.9 سم و0.635 سم العلب، على التوالي) وحد ذاتهاآل مع وامض تسرب لمنع تسرب الرطوبة. لا تستخدم منتجات تسرب سيليكون على أساس أنها يمكن أن تتداخل مع الالكترونيات داخل بعض أجهزة الاستشعار. علاج أجهزة الاستشعار لمدة أسبوع تقريبا.
2. قبل التثبيت في خزان التربة، ومعايرة أجهزة استشعار رطوبة التربة وفقا لخلط α طريقة اثنين نقطة التي وضعتها سكاكى وآخرون. ^12.
3. التفاف المواضيع من كل المساكن معاهدة حظر الانتشار النووي مع الشريط السباكين قبل التثبيت في خزان للمساعدة في توفير ختم أفضل بين خيوط معاهدة حظر الانتشار النووي وزجاج الاكريليك.
4. تثبيت ما مجموعه 25 رطوبة التربة ودرجة الحرارة أجهزة الاستشعار كل أفقيا من خلال جدران الخزان في المواقع التي تمت مناقشتها في الخطوة 1.2. تحريف الكابلات استشعار متزامنا مع NPT المناسب / السكن حتى لا تضر التمديدات الداخلية داخل الكابلات. لا الإفراط في عزم NPTs وذلك لمنع الزجاج من التصدع. ربط أجهزة الاستشعار رطوبة التربة وأجهزة استشعار درجة الحرارة إلى البيانات المحددة لهاقطع الاشجار.
5. تثبيت 3 أجهزة استشعار الرطوبة النسبية ودرجات الحرارة على سطح التربة على مسافات 2.5، 12.5 و 21.5 سم من الحافة الأمامية للدبابات. وضع أجهزة استشعار على اتصال جيد مع سطح التربة بحيث قراءات الرطوبة النسبية تعكس الظروف على سطح التربة بدلا من الهواء المحيط. ربط أجهزة الاستشعار لقطع الاشجار البيانات.
6. للحصول على درجة حرارة الهواء المطلوبة وقياسات الرطوبة النسبية في الجو، تثبيت أجهزة استشعار الرطوبة النسبية ودرجات الحرارة في قسم التدفق الحر للنفق الرياح، وذلك باستخدام الثقوب المحفورة من خلال الأقسام المنبع والمصب من نفق الرياح وكذلك لوحات.
7. تثبيت أنبوب نظام Pitot ثابت المصب مباشرة من الخزان التربة من خلال 0.635 سم حفر حفرة في الجزء العلوي من المصب قسم نفق الرياح. عقد أنبوب نظام Pitot ثابت على ارتفاع 13 سم من الأرض من هذا الباب. توصيل أنبوب نظام Pitot ثابت إلى محول الضغط التفاضلي.
8. Calibratالبريد محول الضغط التفاضلي. التدابير أنبوب نظام Pitot ثابت الضغط الديناميكي الذي يعرف بأنه الفرق من الركود والضغوط ثابتة. يتم تفسير الفرق ضغط من قبل محول الضغط كما فارق الجهد.
   1. قياس الجهد تحت أي ظروف تدفق (يجب أن يكون الجهد يساوي تقريبا 0) وتدفق الضغط الديناميكي معروفا؛ وهذا يسمح وجود علاقة خطية التي ستنشأ بين الضغط الديناميكي والجهد. تحديد سرعة الرياح من خلال تطبيق معادلة برنولي:
      (1)
      حيث V (م / ث) هو سرعة الرياح، P _{ديناميكية} (باسكال) هو الضغط الديناميكي، وρ (كجم / م ³⁾ هو كثافة الهواء.
   2. مقارنة سرعة حسابها باستخدام المعادلة (1) مع جهاز قياس آخر. هنا، مقارنة أنبوب الفرق هيئة تنظيم الاتصالات ضغط نظام Pitot ثابتnsducer مع الليزر دوبلر Velocimetry (LDV) القياسات التي لديها دقة ± 0.01 متر / ثانية.
      ملاحظة: ملخص من أجهزة الاستشعار المستخدمة والترددات أخذ العينات المرتبطة بها يمكن العثور عليها في الجدول رقم 1 للمواصفات أجهزة الاستشعار وغيرها من المعلومات، يرجى الرجوع إلى المواد المرفقة / قائمة المعدات.

الاستشعار	أجهزة الاستشعار قياسات	عدد من أجهزة الاستشعار العاملين في جهاز التجريبي	استشعار أخذ العينات التردد (دقيقة)
EC-5	رطوبة التربة	25	10
ECT	التربة / درجة حرارة الهواء	25	10
SH-1	الخصائص الحرارية	1	10
EHT	الرطوبة النسبية / درجة الحرارة	10
كاميرا الأشعة تحت الحمراء	درجة حرارة سطح / التبخر	1	1
كاميرا رقمية	تصور تجفيف الجبهة	1	60
نظام Pitot أنبوب ثابت	سرعة الرياح	1	10
مقياس الترجيح	التراكمي التبخر / معدل التبخر	1	10

الجدول 1: ملخص لأجهزة الاستشعار المستخدمة في الجزء التجريبي من الدراسة.

4. حزمة التربة دبابات والتحضير لبدء التجربة

1. قبل التعبئة الخزان مع التربة واختبار سلامتها عن طريق إجراء اختبار تسرب. ملء الخزان بالماء والانتظار لمدة 4-6 ساعة لضمان عدم تسرب في هيكل أو أجهزة الاستشعار وضعت.
   1. إذا ظهرت تسريبات، واستنزاف الخزان، اتركها تجف بين عشية وضحاها وإصلاح التسربات باستخدام نفس مarine اللاصقة المستخدمة أثناء البناء الأصلي. إذا ظهرت أي تسرب، واستنزاف الخزان التربة وإعداد للخطوات أدناه.
2. تحديد الحجم الإجمالي للدبابات مع أجهزة الاستشعار في المكان. ملء بعناية الخزان بالماء باستخدام الاسطوانة، والتأكد من أن تسجل كمية المياه المضافة. تحويل الحجم الإجمالي المسجل لسم مكعب للاستخدام في الخطوة 4.5.
3. الحصول على التربة الجافة لحزمة خزان التربة. تميز الخصائص الهيدروليكية والحرارية للتربة المختارة على حدة وفقا للأساليب التي تمت مناقشتها في سميتس وآخرون ¹¹
4. بعناية الرطب حزمة خزان التربة باستخدام التربة والماء منزوع الأيونات.
   1. الرطب حزمة خزان التربة، صب أول ما يقرب من 5 سم من الماء في الخزان. إضافة ببطء التربة الجافة إلى الماء في الخزان، وذلك باستخدام مغرفة، في 2.5 سم الزيادات العمق. تسجيل وزن الرمل وأضاف خلال كل رفع حيث يمكن حساب مسامية التربة والتعبئة والتغليف.
   2. عند الانتهاءمن كل طبقة، اضغط بشكل متكرر على جدران الخزان باستخدام مطرقة مطاطية، 100-200 مرات، للحصول على الكثافة الظاهرية موحدة في جميع أنحاء. في حين التنصت، وتجنب الاتصال مع أجهزة الاستشعار وأسلاك أجهزة الاستشعار. يجب تجنب استخدام أجهزة اهتزازي حتى لا تتلف شبكة من أجهزة الاستشعار الحساسة.
5. عند الانتهاء من تعبئة الخزان، خلاصة القول معا أوزان كل طبقة التربة (انظر الخطوة 4.4) للحصول على مجموع كتلة من التربة. تقسيم مجموع كتلة من الكثافة الظاهرية للتربة (مثل كثافة الجزء الأكبر من رمل الكوارتز هو 2.65 جم / سم ³⁾ لتحديد حجم الرمال (V _ق، سم ^3). حساب المسامية (η، م ³ / م ³⁾ من التربة في خزان فقا لما يلي:
   (2)
   حيث (V _T، م ³⁾ هو الحجم الكلي للخزان فارغ تحديدها في الخطوة 4.2.
<لى> مرة واحدة معبأة الخزان بالكامل، ووضع غطاء من البلاستيك مثل التفاف ساران فوق الخزان حتى التجربة على استعداد للبدء في منع حدوث التبخر.
6. وضع الخزان على نطاق الترجيح لمراقبة فقدان المياه المتراكمة والتي يمكن بدورها أن تستخدم لحساب معدل التبخر.
7. حساب معدل التبخر ساعة عن طريق قسمة الوزن ساعة من قبل المنتج من كثافة الماء ومساحة المقطع العرضي لسطح التبخر.

5. بدء التجربة والبدء في جمع البيانات

1. مرة واحدة في مجموعة المتابعة اكتمال، وتحديد الظروف الجوية المطلوبة (أي درجة الحرارة وسرعة الرياح). تأكد من أن قطع الاشجار البيانات ونظم جمع البيانات الأخرى في وضع التشغيل وتعيين لفترات أخذ العينات الصحيحة (على سبيل المثال، كل 10 دقيقة).
2. بدء تشغيل المروحة ونظام التحكم في درجة الحرارة. تسمح الظروف المناخية للتوازن قبل إزالة غطاء من البلاستيك على سطح الصورةخزان الزيت. تشغيل التجربة لمدة من الوقت المطلوب (على سبيل المثال، 15 يوما).

Representative Results

وكان الهدف من التجربة المقدمة هنا إلى دراسة تأثير سرعة الرياح على التبخر من التربة العارية. وتتلخص خصائص رئيسية للتربة الاختبار المستخدمة في هذه الدراسة في الجدول 2. وأجريت سلسلة من التجارب التي طبقت الشروط الحدية المختلفة على سطح التربة (أي سرعة الرياح ودرجة الحرارة) (الجدول 3). على الرغم من أن أجريت أربع تجارب في سرعة الرياح ودرجات الحرارة المختلفة، والغالبية العظمى من النتائج التجريبية المعروضة هنا هي لسرعة الرياح 1.22 متر / ثانية. يظهر بيانات التبخر التراكمي لجميع التجارب الأربعة.

شروط التعبئة	الكثافة السائبة الجافة (ز سم -3)	الضغط دخول الهواء (سم H 2 O)	المتبقية محتوى الماء (م 3 م -3)	فان Genuchten
			نموذج معلمات *
			α (سم -1)	ن (-)
ضيق	1.79	16.1 / 22.5	0.028	0.04	20.53

الجدول 2: الخصائص الرئيسية لالتجريبية التربة الاختبار المستخدمة.

تجربة تشغيل #	أقصى معدل سرعة الرياح	درجة الحرارة الأولية على سطح التربة	درجة الحرارة النهائية على التربة السطحية
	(م / ث)		(° C)
1	0.55	27	31
2	1.22	26	33
3	3	29	37
4	3.65	33	44.5

الجدول 3: سرعات الرياح التجريبية التطبيقية.

وتعرض الرطوبة النسبية ودرجة الحرارة المقاسة على سطح التربة التي تعتمد على الوقت في الشكل (3). وتبقى الرطوبة النسبية ثابتة نسبيا عند حوالي 0.80 لحوالي يومين قبل تناقص بشكل حاد خلال الأيام الأربعة المقبلة، والتي تتجاوز مستقر قيمة الرطوبة النسبية 0.35 ل التي تم الحصول عليها. درجة حرارة سطح التربة تظهر اتجاها متزايدا على مدى فترة استغرقت اربعة ايام قبل ان تستقر. وقد لوحظت هذه الاتجاهات في جميع التجارب الأربعة، ويمكن تفسير ذلكحيث تجفيف التربة. انخفاض الرطوبة النسبية بالتزامن مع انخفاض في معدل التبخر بسبب وجود بخار الماء أقل الحالي مع مرور الوقت. ارتفاع درجات الحرارة مع انخفاض المياه المتاحة (أي انخفاض معدل التبخر) لأن عملية التبخر لم يعد يبرد سطح التربة. خلال الأيام الثلاثة الأولى، وكانت الرطوبة النسبية للهواء المصب أعلى من الهواء المنبع بسبب وجود عدد أكبر من بخار الماء الناتج عن التبخر المنبع. وقد عكس هذا الاتجاه في وقت لاحق، على الأرجح بسبب استشعار المنبع فقدان الاتصال مع سطح التربة؛ الكابلات استشعار مرنة وسحب أحيانا استشعار من سطح التربة، وتغيير القراءة الرطوبة. الرطوبة النسبية قياس المصب هي أكبر من أن يقاس المنبع بسبب عملية التبخر على طول سم 21،5 الأولى من الخزان زادت كمية الرطوبة الموجودة في الهواء.

<IMG ALT = "الشكل 3" SRC = "/ ملفات / ftp_upload / 52704 / 52704fig3highres.jpg" العرض = "700" />
الشكل (3): الرطوبة النسبية ودرجة الحرارة المقاسة على سطح التربة (تم تعديل هذا الرقم من Davarzani آخرون ^5).

تم تعيين درجة حرارة الهواء التدفق الحر في هذه التجربة إلى قيمة ثابتة من 40 درجة مئوية باستخدام نظام التحكم في درجة الحرارة التي سبق وصفها. درجة الحرارة تعتمد على الوقت والرطوبة النسبية للهواء في التدفق الحر، على ارتفاع 8.5 سم فوق سطح التربة، وتظهر في الشكل (4). وتقلبات نهاري لوحظ في درجة الحرارة هي نتيجة لتنوع مخرجات سخان استجابة ل درجة الحرارة تقاس درجة الحرارة أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء الذي ينظم نظام التحكم في درجة الحرارة (انظر الخطوة 2.3). ويمكن تجنب تقلبات نهاري، إذا رغبت في ذلك، من خلال وضع جهاز استشعار درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء إلى قيمة درجة الحرارة المحددة. الفرق في الغلاف الجويدرجة الحرارة على طول الدبابة هي نتيجة التبريد التبخيري (الشكل 4).

الرقم 4: الرطوبة النسبية ودرجة الحرارة المقاسة 7.5 سم فوق سطح التربة المنبع والمصب للدبابات (تم تعديل هذا الرقم من Davarzani آخرون ^5).

في الشكل 5A، فان الوقت هو مبين درجة حرارة التربة تعتمد على أعماق 2.5 سم، 7.5 سم و 12.5 سم تحت سطح التربة، فضلا عن درجة الحرارة المحيطة. انظر الشكل 1 لتحديد الاستشعار. كما رأينا في الشكل 5A، ودرجة الحرارة السطحية وسرعة الرياح أقل تأثيرا على درجات الحرارة المحلية على أعماق أكبر - يظهر أي تأثير على أعماق أقل من 12.5 سم الشكل 5B يظهر درجة الحرارة كما AFمرهم من الوقت لمدة ثلاثة أجهزة الاستشعار الموجودة على عمق 2.5 سم. هناك اختلاف طفيف في درجة الحرارة لأجهزة الاستشعار في هذا العمق مع أجهزة الاستشعار المنبع 5 تظهر درجة حرارة أعلى من الاستشعار المصب 1. وذلك لأن درجة الحرارة تدفق الحر هو دائما أعلى من المنبع المصب (الشكل 4). الاختلافات في درجات الحرارة النتائج أيضا في ملف تعريف التشبع غير المتكافئة في خزان التربة كما سيتضح لاحقا.

A

B

الشكل 5: تطور درجة حرارة التربة تقاس بوصفها وظيفة من الزمن (أ) رأسيا في منتصف الدبابة و (ب) أفقيا على عمق 2.5 سم (وكان هذا الرقم modifiإد من Davarzani آخرون ^5).

ويبين الشكل 6A تشبع تعتمد على الوقت في مقابل الوقت في أعماق التربة من 2.5، 7.5، 12.5، و 17.5 سم. لأعماق أكبر من 12.5 سم، ظل التشبع بنسبة 100٪ لمدة التجربة. ومع ذلك، وأقرب إلى سطح التربة انخفض تشبع مع مرور الوقت. التشبع هو مبين في الشكل 6A يمكن أن تكون ذات صلة إلى مراحل مختلفة من التبخر (أي المرحلة الأولى والمرحلة الثانية)، التي حددها الاختلافات في معدلات التبخر، وآليات موقع الجبهة التجفيف، والنقل المهيمن ^14. أثناء المرحلة الأولى من التبخر، والجبهة تجفيف يتراجع بسرعة بعيدا عن سطح التربة حيث تبدأ قوى الجاذبية واللزجة للسيطرة القوات الشعرية. ويلاحظ هذا في اليوم الأول من انخفاض ملموس في تشبع التربة الصف الأول من أجهزة استشعار رطوبة التربة المقابلة على عمق 2.5 سم. بعد يوم 1، والمعدل الذي شارك تجفيف الجبهةntinues على التراجع يتباطأ كما هو مبين في الشكل التدريجي للمنحنيات تشبع لأجهزة الاستشعار 6-10 تقع على عمق 7.5 سم (الشكل 6A). ويمثل هذا التحول من التبخر لنشر بخار محدود المرحلة الثانية التبخر. وغالبا ما يطلق على الجزء الأول من المرحلة الثانية من فترة انخفاض معدل ^15-17. في نهاية المطاف، منحنيات تشبع المستوى من وتتغير قليلا جدا حيث تصل الجبهة تجفيف عمق 12.5 سم (على سبيل المثال، الاستشعار 13) قبل يوم 3.

A

B

الشكل 6: تطور وقت قياس تشبع التربة تحت السطحية (أ) رأسيا في منتصف الدبابة و (ب) أفقيا على عمق 2.5 سم (هذه شملت رقملقد تم تعديل البريد من Davarzani آخرون ^5).

ويبين الشكل 6B التشبع مقابل الوقت لمدة ثلاثة أجهزة الاستشعار الموجودة على عمق ثابت من 2.5 سم. منحنيات تشبع متطابقة تقريبا ومتناسقة عبر كامل طول الخزان في هذا العمق. ويرجع ذلك إلى اختلاف درجة حرارة الهواء بين الأقسام المنبع والمصب من نفق الرياح التوزيع اللامتكافئ طفيف. وبما أن درجات الحرارة المنبع باستمرار بضع درجات أكثر دفئا، والطلب في الغلاف الجوي، مما يدفع التبخر، وستكون أعلى، وبالتالي سيكون هناك بمعدل أسرع قليلا من التجفيف.

ويبين الشكل 7 سرعة الرياح، قيمة متوسط ​​1.22 م / ثانية، بوصفها وظيفة من الزمن. الاتجاه نهاري الجيبية التي لوحظت في سرعة الرياح نتيجة للتغيرات في الظروف المناخية مثل الضغط الجوي وكثافة الهواء. تم استخدام متوسط ​​سرعة الرياح في جهود النمذجة لأن تأثيرات diurوكانت تقلبات نال من المتغيرات في الغلاف الجوي يست هي محور هذه الدراسة. هذا لا يعني مع ذلك، لا يمكن استخدام هذه البيانات تعتمد على الوقت. كجزء من سلسلة من التجارب التبخر، وطبقت أربعة أنواع مختلفة من السرعات يعني الرياح. انظر الجدول 3 للاطلاع على ملخص. كانت الأعداد رينولدز المحسوبة لجميع التجارب في هذه الدراسة داخل الصفحي ونظم التدفق الانتقالية. إلا أنها تعرف جيدا أن الاضطراب سطح يمكن أن تؤثر على معدلات التبخر ¹⁶ وينبغي أن تعالج في الدراسات المستقبلية.

الرقم 7: سرعة الرياح على سطح التربة مع قيمة متوسط ​​1.22 متر / ثانية تعتمد على الزمان ^{- 1} (تم تعديل هذا الرقم من Davarzani آخرون ^5).

تأثير تدفق الهواء فيويرد المنطقة السوائل مجانية (أي الغلاف الجوي) على التبخر التراكمي في الشكل 8. يتم رسم التبخر التراكمي لمدة أربعة التدفق الحر متوسط ​​سرعة الرياح المختلفة (فولكس فاجن) 0.50، 1.20، 3.00 و 3.60 م / ثانية. وتبين النتائج أن سرعة الرياح لها تأثير بارز جدا على التبخر التراكمي وكمية فقدان الماء خلال مراحل مختلفة التبخر. كما هو مبين في الشكل 8، وزيادة سرعة الرياح تزيد من التبخر الكلي. بمقارنة سفوح المنحنيات، وكان التأثير الأكبر على معدل التبخر الأولي، ويشار هنا إلى كمرحلة 1. المرحلة غالبا ما تعرف 1 تبخر بنسب عالية وثابتة نسبيا التبخر ¹⁷ ويتأثر في الغالب عن طريق الطلب في الغلاف الجوي بدلا من ظروف التربة . كما زادت سرعة الرياح مزيد من 3-3،6 متر / ثانية، ويظهر تبخر أقل بكثير من الاعتماد على تغييرات تدريجية في سرعة الرياح من ولوحظ لإجراء تغييرات في سرعة الرياح منخفضة. متزايدسرعة الرياح يؤدي إلى زيادة في معدل التبخر المرحلة الأولى، بينما تتناقص في وقت واحد في المرة الانتقال من المرحلة الأولى إلى المرحلة الثانية ^5. تأثير سرعة الرياح على التبخر هو أقل أهمية عن المرحلة الثانية التبخر التي يتم التحكم في الغالب عن طريق وسيط يسهل اختراقها. خلال هذه المرحلة، يتم التحكم التبخر من المعدل الذي المياه يمكن أن تنتقل إلى سطح التربة عن طريق نشر أكثر من الطلب في الغلاف الجوي.

الرقم 8: تأثير مختلف سرعة الرياح الوسطية على التبخر التراكمي (تم تعديل هذا الرقم من Davarzani آخرون ^5).

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 ونفق الرياح الصغيرة، وكلاهما تم تجهيزه بمجموعة من أجهزة الاستشعار لقياس التربة والغلاف الجوي المتغيرات ذات الصلة (مثل سرعة الرياح والرطوبة النسبية والتربة ودرجة حرارة الهواء ورطوبة التربة ). وفيما يلي بعض من المكونات الأكثر أهمية في البروتوكول المقدمة في هذه الدراسة.

تم الأبعاد دبابات وأجهزة الاستشعار الإيداع الذي تختاره خصيصا لتحقيق أقصى قدر من عدد من أجهزة الاستشعار المستخدمة في حين يمثل أحجام عينة استشعار في كل منها. الصف الأول من أجهزة الاستشعار هو 2.5 سم تحت سطح التربة نظرا لحجم العينة لكل جهاز الاستشعار (كما هو موضح في فولوم من التربة حول الاستشعار، وضمنه تغير في الظروف البيئية يؤثر على قراءات أجهزة الاستشعار). يتم تثبيت أجهزة الاستشعار، وضعت في التجهيزات معاهدة حظر الانتشار النووي، أفقيا من خلال جدران الخزان التربة بحيث الأسلاك استشعار ليست داخل التربة نفسها. جميع الأسلاك استشعار هي خارج الخزان، ومنع توجيه المياه. يسمح تركيب شبكة واسعة من درجة حرارة ورطوبة التربة أجهزة الاستشعار التوزيعات الأفقية والرأسية من هذه المتغيرات يتم تحديدها في القرار المكانية على ما يرام.

وضع خزان التربة على نطاق الترجيح يسمح فقدان المياه التراكمية ومعدل التبخر المرتبطة يتم تحديدها باستخدام نهج التوازن الكتلة المائية المذكورة أعلاه. ومن ثم يمكن مقارنة هذه القيم إلى معدلات التبخر تم الحصول عليها باستخدام أساليب أخرى مثل الجمع بين الحرارة والنبض المعقول طريقة التوازن الحراري المستخدمة في Trautz وآخرون ¹⁸

الجزء نفق الرياح من apparيتكون atus من ثلاثة أجزاء - قسم المنبع، المصب والمتوسطة. يتم استخدام قسم المنبع لتسخين الهواء قبل فإنه يتم رسمها على دبابة التربة في الجزء الأوسط بمساعدة نظام التحكم في درجة الحرارة. يتم تجهيزه في الجزء الأوسط من نفق الرياح مع تكنولوجيات الاستشعار لقياس درجة الحرارة والرطوبة النسبية. الجزء المصب من نفق الرياح يحتوي على مروحة لاصق في خط والمثبط للتحكم في سرعة الرياح والتي يتم مراقبتها باستخدام أنبوب نظام Pitot ثابت.

وقد تجلى انطباق التربة دبابات الرياح جهاز النفق هو موضح أعلاه في دراسة الحالة التجريبية للآثار سرعة الرياح على معدل التبخر. وأظهرت النتائج أن زيادة سرعة الرياح يؤدي إلى زيادة معدل التبخر وتقصير مدة المرحلة الأولى التبخر. زيادة سرعة الرياح تتجاوز 3 م / ثانية ومع ذلك، يظهر تأثير إضافي ضئيل على المرحلة الأولى التبخر. المرحلة الثانية التبخر، وتخضع في المقام الأول خصائص سو في وسط مسامي، ويبدو أن تكون مستقلة أو فقط متأثرة قليلا بتأثير سرعة الرياح.

هذا البروتوكول التجريبي تنطبق على مجموعة متنوعة من الظروف البيئية لتشمل التغيرات في ظروف التربة (أي أنواع مختلفة من التربة، تكوينات التعبئة، والغطاء النباتي، والبيئات الحضرية)، شروط الحدود المناخ (درجة الحرارة وسرعة الرياح وهطول الأمطار) أو الظروف تحت السطحية (المياه على سبيل المثال متفاوتة مستويات الجدول). الأبعاد وأجهزة الاستشعار تصميم الجهاز وصفها ويمكن تعديلها لتلبية احتياجات تجارب مختلفة. الإجراء التعبئة المذكورة أعلاه يمكن بالمثل أن يتم تعديل لمراعاة تكوينات التعبئة والتغليف المختلفة مثل ظروف مختلفة المسامية وعدم تجانس التربة.

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.