Исследуя влияние атмосферных воздействий на испарение: Экспериментальная интеграция пограничного слоя атмосферы и приповерхностном слое грунта
Summary
Протокол для проектирования и строительства резервуара почвы сопряжено с небольшим климат-контролем аэродинамической трубе, чтобы изучить эффекты атмосферных воздействий на испарение представлены. Оба танка почвы и аэродинамической трубе приборами с датчиков технологий для непрерывного измерения в месте условий окружающей среды.
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
Понимание взаимодействия между сушей и атмосферой имеет первостепенное значение для нашего понимания многих сегодняшних мировых проблем, таких как утечки геологически поглощенного диоксида углерода в почве, изменение климата, воды и продуктов питания, точного обнаружения мин и восстановление грунтовых вод и почвы. Кроме того, первичные обмен тепла и воды, которые управляют глобальным и региональным метеорологические условия возникают на поверхности Земли. Многие погодные и климатические явления (например, ураганы, Эль-Ниньо и # 241; о, засухи и т.д.) принципиально управляемые процессы, связанные с атмосферной поверхности суши взаимодействий 1. Поскольку более половины поверхности суши на Земле засушливый или полузасушливый 2-4, точно описывающий цикл воды в этих регионах на основе тепловых и водных обменов между атмосферным воздухом и поверхностью почвы имеет решающее значение для улучшения нашего понимания вышеупомянутые вопросы,особенно в регионах, уязвимых к затянувшейся засухи и опустынивания. Тем не менее, несмотря на десятилетия исследований, все еще остается много пробелов в знаниях в современном понимании, как мелкой подземных и атмосфера взаимодействуют 5.
Транспорт процессы с участием жидкой воды, водяного пара и тепла в почве являются динамичными и сильно связаны с относительно взаимодействия с почвой и исполнение граничные условия (т.е. температура, относительная влажность, тепловое излучение). Численные модели тепло- и массообмена обычно упрощать или выходят ряд этих сложностей отчасти из-за отсутствия тестирования и усовершенствования существующих теорий результате скудности данных высокого временного и пространственного разрешения. Наборы данных, разработанные для проверки модельного часто не хватает критического атмосферного или подземных информацию правильно протестировать теории, в результате численных моделей, которые не учитывают должным образом для импортамуравей процессы или зависеть от использования непонятных параметров, которые скорректированных или установлены в модели. Этот подход широко используется из-за своей простоты и легкости в использовании и имеет в некоторых приложениях, показанных много достоинств. Тем не менее, этот подход может быть повышена за счет более глубокого понимания физики за этими "сосредоточенными параметризации", выполняя также контролируемые эксперименты в переходных условиях, которые способны испытывать переноса тепла и воды теории 6.
Тщательных экспериментов в лаборатории используется для точной наборы данных, которые будут созданы, которые впоследствии могут быть использованы для проверки численных моделей. Данные, имеющиеся на сайтах полевых часто являются неполными и дорого получить, и степень контроля, необходимых для получения глубокого понимания процессов и генерации данных для проверки модели можно считать неадекватным в некоторых случаях. Лаборатория эксперименты природных явлений, таких как испарение почвы позволяет Atmosсферного условия (т.е., температура, относительная влажность, скорость ветра) и почвенные условия (т.е., тип почвы, пористость, упаковка конфигурации) должны быть тщательно контролируется. Многие лабораторные методы, используемые для изучения испарения воды из почвы и почвы тепловые и гидравлические свойства используй разрушительную выборки 7-10. Деструктивные методы отбора проб требует, чтобы образец почвы быть распакованы для получения данных точек, предотвращая измерение переходных процессов и нарушая физические свойства почвы; этот подход вводит ошибку и неопределенность в данных. Неразрушающие измерения, как метод, представленный здесь, позволяют более точного определения и изучения взаимозависимости свойств почвы и обрабатывает 11.
Целью данной работы является разработка устройства танк почвы и связанного протокола для получения больших данных пространственным и временным разрешением, относящихся к воздействию изменения атмосферных и подземных условиях наголой почвы испарение. За эту работу, небольшой ветер туннель способен поддерживать постоянную скорость ветра и температуру сопряжена с устройством резервуара почвы. Аэродинамическая труба и бак почв приборами с набором состояния сенсорных технологий искусство для автономного и непрерывного сбора данных. Скорость ветра измеряется с использованием нержавеющей стали Пито-статической трубкой, прикрепленной к датчику давления. Температура и влажность контролируются в атмосфере с использованием двух типов датчиков. Также контролируются Относительная влажность и температура на поверхности почвы. Датчики в подземные измерения влажности почвы и температуры. Измерения веса аппарата резервуара используются для определения испарения через массового баланса воды. Чтобы продемонстрировать применимость этой экспериментальной установки и протокола, мы приведем пример испарения с обнаженной почвы при различных скоростях ветра. Бак почвы, упакованы однородно с хорошо охарактеризованной песка, изначально полностью саturated и позволил свободно испаряться при тщательно контролируемых атмосферных условиях (т.е. температура, скорость ветра).
Protocol
Representative Results
Discussion
Цель этого протокола заключается в разработке экспериментальной установки и связанные с ними процедуры для генерации высоких данных пространственным и временным разрешением, необходимых для изучения земельных атмосферного взаимодействия в отношении процессов тепло- и массообмена….
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было профинансировано армии США Исследования Award Управление W911NF-04-1-0169, научно-исследовательского и технологического центра инженерного (ERDC) и Национального научного фонда грант EAR-1029069. Кроме того, это исследование было поддержано летней программы в Бакалавриат исследований грант штата Колорадо. Авторы хотели бы поблагодарить Райан Tolene и Пола Шульте за их вклад.
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).
