Explorer les effets des forçages atmosphériques sur évaporation: l'intégration expérimentale de la couche limite atmosphérique et de subsurface
Summary
Un protocole pour la conception et la construction d'un réservoir de sol relié à un petit climat contrôlé soufflerie pour étudier les effets des forçages atmosphériques sur l'évaporation est présenté. Tant le réservoir du sol et la soufflerie sont instrumentées avec des technologies de capteurs pour le continu la mesure in situ des conditions environnementales.
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
Comprendre l'interaction entre la terre et l'atmosphère est primordiale pour notre compréhension de nombreux problèmes mondiaux actuels tels que la fuite de dioxyde de carbone géologiquement séquestré dans le sol, le changement climatique, l'eau et l'approvisionnement alimentaire, la détection précise des mines terrestres, et l'assainissement des eaux souterraines et le sol. En outre, les principaux échanges de chaleur et d'eau qui alimentent les conditions météorologiques mondiales et régionales se produisent à la surface de la Terre. Beaucoup de phénomènes météorologiques et climatiques (par exemple, les ouragans, El Ni & # 241; o, sécheresses, etc.) sont principalement motivées par des processus associés aux interactions de surface atmosphérique-terrestres 1. Comme plus de la moitié de la surface de la terre sur la terre est aride ou semi-aride 2-4, décrivant avec précision le cycle de l'eau dans ces régions sur la base des échanges de chaleur et d'eau entre l'air atmosphérique et la surface du sol est essentielle pour améliorer notre compréhension de la les questions susmentionnées,particulièrement dans les régions vulnérables à la sécheresse prolongée et la désertification. Cependant, en dépit de décennies de recherche, il reste encore de nombreuses lacunes de connaissances dans la compréhension actuelle de la façon dont le sous-sol et l'atmosphère peu profonde interagissent 5.
Processus de transport liés à l'eau liquide, vapeur d'eau, et de la chaleur dans le sol sont dynamiques et fortement couplé par rapport aux interactions avec le sol et forcée conditions aux limites (par exemple, la température, l'humidité relative, rayonnement thermique). Modèles de transfert de chaleur et de masse numériques couramment simplifient ou donnent sur un certain nombre de ces complexités due en partie à un manque de tester et d'affiner les théories existantes résultant d'un manque de données de résolution temporelle et spatiales élevées. Les ensembles de données développés pour la validation du modèle sont souvent manquent d'informations atmosphérique ou subsurface essentiel de tester correctement les théories, résultant dans les modèles numériques qui ne représentent pas correctement à l'importationprocessus de fourmis ou dépendent de l'utilisation de paramètres mal connus qui sont ajustés ou montés dans le modèle. Cette approche est largement utilisé en raison de sa simplicité et sa facilité d'utilisation et, dans certains applications montrées beaucoup de mérite. Cependant, cette approche peut être amélioré par une meilleure compréhension de la physique derrière ces «paramétrisation localisés" en effectuant des expériences bien contrôlées dans des conditions transitoires qui sont capables de chaleur de test et de transfert de l'eau théorie 6.
Une expérimentation rigoureuse en laboratoire permet des jeux de données de précision pour être générés qui peuvent ensuite être utilisées pour valider les modèles numériques. Les données disponibles à partir de sites de terrain sont souvent incomplètes et coûteux à obtenir, et le degré de contrôle nécessaires pour obtenir une compréhension fondamentale des processus et de générer des données pour la validation du modèle pourraient être jugées insuffisantes dans certains cas. Laboratoire d'expérimentation des phénomènes naturels tels que l'évaporation du sol permet Atmosconditions atmosphériques au (ie, température, humidité relative, vitesse du vent) et les conditions du sol (par exemple, le type de sol, la porosité, l'emballage configuration) pour être soigneusement contrôlées. Beaucoup de techniques de laboratoire utilisées pour étudier l'évaporation du sol et des propriétés thermiques et hydrauliques sol utilisent un échantillonnage destructif 7-10. Méthodes d'échantillonnage destructives exigent qu'un échantillon de sol décompacté pour obtenir des données de points, empêchant la mesure du comportement transitoire et de perturber les propriétés physiques du sol; cette approche introduit une erreur et d'incertitude pour les données. Mesures non destructives, comme la méthode présentée ici, permettent de déterminer de façon plus précise et l'étude de l'interdépendance des propriétés du sol et traite 11.
Le but de ce travail est de développer un appareil de réservoir du sol et le protocole associé pour la génération de données à haute résolution spatiale et temporelle élevées concernant les effets des changements dans l'atmosphère et les conditions souterraines surévaporation sol nu. Pour ce travail, une petite soufflerie capable de maintenir une vitesse constante du vent et de la température est interfacé avec un appareil de réservoir du sol. La soufflerie et le réservoir du sol sont instrumentés avec une suite de l'état des technologies de capteurs de l'art pour la collecte de données autonome et continu. La vitesse du vent est mesurée à l'aide d'un tube de Pitot-statique en acier inoxydable fixé à un transducteur de pression. La température et l'humidité relative sont surveillées dans l'atmosphère en utilisant deux types de capteurs. L'humidité relative et la température sont également surveillés à la surface du sol. Capteurs dans l'humidité du sol de mesure de subsurface et de la température. Les mesures de poids de l'appareil du réservoir sont utilisés pour déterminer l'évaporation grâce à un équilibre des masses d'eau. Pour démontrer l'applicabilité de cet appareil expérimental et protocole, nous présentons un exemple de l'évaporation sol nu dans des conditions variables de la vitesse du vent. Le réservoir du sol, emballé de façon homogène avec un sable bien caractérisé, a d'abord été totalement saturated et autorisés à évaporer librement dans des conditions atmosphériques soigneusement contrôlées (température, vitesse du vent).
Protocol
Representative Results
Discussion
Le but de ce protocole était de développer un dispositif expérimental et les procédures associées pour la production de données à haute résolution spatiale et temporelle élevées requises pour étudier les interactions terrestres atmosphérique par rapport à la chaleur et les processus de transfert de masse. L'appareil expérimental décrit composée d'un réservoir de sol et un petit tunnel de vent, les deux qui ont été équipé d'un réseau de capteurs pour la mesure de sol et atmosphériques v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été financée par le W911NF-04-1-0169 Office Award US Army Research, la recherche et le développement Engineering Center (ERDC) et la National Science Foundation subvention AER-1029069. En outre, cette recherche a été soutenue par un programmes d'été en recherche de premier cycle accorder du Colorado School of Mines. Les auteurs tiennent à remercier Ryan Tolene et Paul Schulte pour leurs contributions.
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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