蒸発させる上で大気強制力の影響を探る：大気境界層と浅い地下の実験的インテグレーション
Summary
蒸発で大気の強制力の影響を研究するために、小さな空調風洞にインタフェース土壌タンクの設計と建設のためのプロトコルを提示します。土壌タンクと風洞の両方が環境条件のその場測定の連続のためのセンサー技術が装備されています。
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
陸と大気との間の相互作用を理解することは、土壌、気候変動、水や食糧供給の地質学的に隔離二酸化炭素、地雷の正確な検出、および地下水の浄化の漏れなど、現在の多くの世界の問題の理解に非常に重要です土壌。また、世界と地域の気象条件を駆動する熱と水の主なやり取りは、地球の表面で発生します。多くの気象や気候現象（ 例えば 、ハリケーン、エルニッケル＆＃241; O、干ばつなど ） は 、主に大気陸面相互作用1に関連付けられているプロセスによって駆動されます。地球上の地表面の半分以上は、乾燥または正確に大気と土壌表面との間の熱と水の交流に基づいてこれらの地域の水循環を記述し、2-4を半乾燥であるとしての我々の理解を向上させるために重要です前述の問題、特に、拡張干ばつや砂漠化に脆弱な地域です。しかし、研究の数十年にもかかわらず、まだ浅い地下の雰囲気は5どのように相互作用するかについての現在の理解には多くの知識のギャップが残っています。
土壌中に液体の水、水蒸気、及び熱を伴う輸送プロセスは動的であり、強く土壌との相互作用に対して結合され、境界条件（ すなわち 、温度、相対湿度、熱放射）を施行しました。数値熱および質量移動モデルは、一般的に、高い時間·空間分解能データの不足に起因する既存の理論のテストと洗練性の欠如に一部起因し、これらの複雑さの数を単純化し過ぎるか見渡せます。モデルの検証のために開発されたデータセットは、しばしば正常にインポートを考慮していない数値モデルで、その結果、適切な理論をテストするために重要な大気や地下情報が不足していますアリのプロセスまたはモデルで調整または取り付けられてあまり理解のパラメータの使用に依存します。このアプローチは広くによる使用のその単純さと使いやすさに使用され、いくつかの用途で多くのメリットを示しています。しかし、このアプローチは、より良いテスト熱及び水輸送理論6可能である過渡条件下でよく制御された実験を行うことにより、これらの「集中パラメータ化」の背後の物理学を理解することによって大幅に改善することができます。
実験室での慎重な実験は、高精度のデータセットは、その後、数値モデルを検証するために使用することができる生成することができます。フィールドサイトから利用可能なデータは、多くの場合、入手が不完全で高価であり、プロセスの基本的な理解を得るために、モデルの検証のためのデータを生成するために必要な制御の程度は、ある場合には不十分と考えられます。このような土壌蒸発のような自然現象の実験室での実験は、アトモスを可能にしますpheric条件（ すなわち 、温度、相対湿度、風速）と土壌条件（ すなわち 、土壌の種類、多孔性、構成パッキング）を注意深く制御することができます。土壌の蒸発と土壌熱及び油圧特性を研究するために使用される多くの実験技術は、破壊的なサンプリング7-10を使用しています。破壊的サンプリング方法は、過渡的挙動の測定を防止し、土壌の物理的性質を破壊し、土壌サンプルを点データを取得するために展開されることを必要とします。このアプローチは、データに誤りや不確実性を導入します。非破壊測定は、ここに提示された方法と同様に、土壌特性の相互依存性をより正確に決意し、研究を可能にし、11を処理します。
この研究の目的は、上で大気や地下条件の変化の影響に関係する高い空間及び時間分解能のデータを生成するための土壌槽装置と関連するプロトコルを開発することです裸の土壌蒸発。この作業のために、一定の風速及び温度を維持することができる小さな風洞土壌槽装置とインターフェースされます。風洞や土壌タンクは自律的かつ継続的なデータ収集のための技術のセンサ技術の状態の一式が装備されています。風速は、圧力変換器に取り付けられたステンレス鋼製のピトー静管を用いて測定されます。温度および相対湿度は、2種類のセンサを使用して、大気中でモニターされます。相対湿度と温度は、土壌表面で監視されています。地下対策土壌水分や温度センサー。タンク装置の重量測定は、水の質量収支を介して蒸発を決定するために使用されます。この実験装置およびプロトコルの適用性を実証するために、我々は、様々な風速の条件下での裸の土壌蒸発の例を提示します。土槽は、十分に特徴付け砂を均一に充填し、最初は完全にSAました（ すなわち 、温度、風速）turatedと慎重に制御大気条件下で自由に蒸発させます。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルの目的は、熱および質量移動プロセスに対して土地の大気相互作用を研究するために必要な高い空間分解能と時間分解能データを生成するための実験装置および関連する手順を開発することでした。記載された実験装置は、適切な土壌を測定するためのセンサのアレイと大気の変数（ 例えば 、風速、相対湿度、土壌、空気温度と土壌水分を装備した、どちらも土壌タ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、米陸軍研究室賞W911NF-04-1-0169、工学研究開発センター（ERDC）と国立科学財団補助金EAR-1029069によって資金を供給されました。また、この研究はコロラドスクールオブマインズから学部研究助成サマープログラムによってサポートされていました。著者らは、彼らの貢献のためにライアンToleneとポールシュルテに感謝したいと思います。
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
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