Utforska effekterna av luft Forcings på avdunstning: Experimentell Integrering av atmosfäriska gränsskiktet och Grunt Subsurface

Summary

Ett protokoll för konstruktion och tillverkning av en jordtank gränssnitt till en liten klimat kontrollerade vindtunnel för att studera effekterna av atmosfär forcings på avdunstning presenteras. Både marktanken och vindtunneln är instrumenterade med sensorteknik för kontinuerlig in situ mätning av miljöförhållanden.

Introduction

Förstå samspelet mellan marken och atmosfären är avgörande för vår förståelse av många nuvarande världsproblem såsom läckage av geologiskt-sequestred koldioxid i marken, klimatförändringar, vatten och livsmedelsförsörjning, noggrann detektering av landminor, och sanering av grundvatten och jord. Dessutom, de primära utbyte av värme och vatten som driver globala och regionala meteorologiska förhållanden inträffar vid jordens yta. Många väder- och klimatfenomen (t.ex. orkaner, El Ni & # 241; o, torka, etc.) är i huvudsak drivs av processer i samband med atmosfär-land ytinteraktioner ^1. Eftersom mer än hälften av landytan på jorden är torra eller halvtorra ^2-4, exakt beskriva vattnets kretslopp i dessa områden på grundval av värme- och vattenutbytet mellan den atmosfäriska luften och markytan är avgörande för att förbättra vår förståelse av de ovan angivna frågorna,särskilt i regioner utsatta för förlängd torka och ökenspridning. Trots decennier av forskning, finns det fortfarande många kunskapsluckor i den nuvarande förståelse för hur den grunda ytan och atmosfären interagerar ^5.

Transport processer som involverar flytande vatten, vattenånga och värme i marken är dynamiska och starkt kopplad med avseende på interaktion med jorden och verkrandvillkor (dvs. temperatur, relativ luftfuktighet, värmestrålning). Numeriska värme- och massöverföringsmodeller förenkling eller förbise ett antal av dessa komplikationer ofta beror delvis på bristande testning och förfining av befintliga teorier till följd av en brist på hög tids- och rumsupplösning uppgifter. Dataset utvecklats för modellvalidering är ofta saknar kritisk atmosfärstryck eller under ytan informationen att korrekt testa teorierna, vilket resulterar i numeriska modeller som inte riktigt står för importmyra processer eller beror på användningen av dåligt förstådda parametrar som justeras eller monteras i modellen. Detta tillvägagångssätt används ofta på grund av dess enkelhet och användarvänlighet och har i vissa tillämpningar visas mycket meriterande. Dock kan förbättras detta synsätt på genom att bättre förstå fysiken bakom dessa "klumpas parametriseringar" genom att utföra väl kontrollerade experiment under transienta förhållanden som kan testa värme och vatten överföring teori ^6.

Noggrann experiment i laboratoriet gör precisions dataset som genereras som sedan kan användas för att validera numeriska modeller. Uppgifter från fält platser är ofta ofullständiga och kostsamma att erhålla, och den grad av kontroll som krävs för att få en grundläggande förståelse för processer och för att generera data för modellvalidering kan betraktas som otillräckligt i vissa fall. Laboratorieexperiment av naturfenomen såsom jord avdunstning gör atmostill luft villkor (dvs. temperatur, relativ luftfuktighet, vindhastighet) och markförhållandena (dvs, jordart, porositet, packning konfiguration) ska kontrolleras noggrant. Många laboratorietekniker som används för att studera mark avdunstning och jord termiska och hydrauliska egenskaper använder förstörande provtagning ^7-10. Destruktiva provtagningsmetoder kräver att ett jordprov packas upp för att erhålla punktdata, förhindrar mätning av övergående beteende och störa markens fysikaliska egenskaper; detta tillvägagångssätt introducerar fel och osäkerhet till uppgifterna. Icke-förstörande mätningar, liksom den metod som presenteras här, möjliggör mer noggrann bestämning och undersökning av det ömsesidiga beroendet av markegenskaper och processer ^11.

Målet med detta arbete är att utveckla en marktank apparater och tillhörande protokoll för generering av höga rumsliga och tidsupplösning uppgifter som hänför sig till effekterna av förändringar i atmosfärens och underjordiska villkorbare-mark avdunstning. För detta arbete är en liten vindtunnel kan hålla en konstant vindhastighet och temperatur gränssnitt med en marktank apparat. Den vindtunnel och marktanken instrumenterade med en rad toppmoderna sensorteknologier för insamling autonomt och kontinuerligt data. Vindhastigheten mäts med en rostfritt stål Pitot-static tube ansluten till en tryckgivare. Temperatur och relativ fuktighet övervakas i atmosfären med användning av två typer av sensorer. Relativ fuktighet och temperatur övervakas också på jordytan. Sensorer i ytan åtgärd markfuktighet och temperatur. Vägningar av tankens apparaten används för att bestämma avdunstning genom en vattenmassbalans. För att demonstrera tillämpbarheten av detta experimentella apparater och protokoll, presenterar vi ett exempel på bare-mark indunstning under varierande vind- hastighetsförhållanden. Jorden tank, packad homogent med en väl karakteriserat sand, var till en början helt saturated och fick avdunsta fritt under noggrant kontrollerade atmosfäriska förhållanden (t.ex. temperatur, vindhastighet).

Protocol

Obs: Laboratorietester genomförs med hjälp av en tvådimensionell bänk skala tank ansluten till en klimatkontrollerad vindtunnel apparat. Både laboratorieskala tanken och vindtunneln är instrumenterade med olika sensorteknik. Följande protokoll kommer först att diskutera byggandet och markberedning tanken, följt av en diskussion om vindtunneln och instrumenteringen av båda. Tanken dimensioner, vindtunnel dimensioner, antal sensorer och sensorteknologi typ som presenteras kan modifieras för att passa behoven hos en specifik försöksuppställningen. Protokollet presenteras nedan användes för att experimentellt studera effekterna av vindhastighet på bare-mark avdunstning.

1. Konstruktion och framställning av porösa material Mark Tank

1. Skär en stor bit av 1,2 cm tjockt akrylglas i fem olika rutor. Montera dessa rutor i en öppen toppad jordtank med intern längd, bredd och höjd av 25, 9,1 och 55 cm, respectively. Akrylglas tillåter processer i jordskorpan som observeras visuellt.
2. Rita en 5 x 5 rutnät som är 25 cm gånger 25 cm på vardera av de två stora glasrutor (längd 25 cm och höjd 55 cm), såsom visas i fig 1. Säkerställ att varje kvadrat i nätet har en area på 25 cm ² (Figur 1). Gallret kommer att användas för att korrekt utrymme sensorerna i jorden tanken.

Figur 1: Schematisk front- och sidovyer i marken tanken används för försöksuppställningen (mått i centimeter) (a) framifrån av jorden tanken visar gallersystem bestående av tjugofem 5 cm x 5 cm. torg. (B) sidovy av marktanken, visar den installerade temperatur, relativ fuktighet och fuktighetssensor nätverket som en funkning av djup. Observera att schemat inte är ritade i skala.

3. På en av de stora glas flygplan, borra totalt tjugofem 1,9 cm (¾ tum) hål med en diameter för markfuktsensorer.
   1. Borra varje hål i mitten av varje ruta i rutnätet etablerade i steg 1.2, så att de centra hålen på två angränsande rutor är 5 cm från varandra; den första uppsättningen av hål är 2,5 cm under toppen av tanken. Använd lämplig storlek kranar för att skära gängor i vart och ett av de nyskapade hålen. Den 5 cm avstånd mellan sensorerna säkerställer att varje sensor är utanför samplingsvolymen av nästa närmast sensorn.
4. På samma sätt, borra och knacka totalt tjugofem 0,635 cm (¼ tum) hål diameter i mitten av varje grid box skapas under steg 1.2. Se till att mitten av varje hål är åtskild 5 cm från varandra med den första raden av hål är belägna 2,5 cm under toppen på den marktanken. Den 5 cm avstånd mellan givare säkerställer att varje sEnsor ligger utanför samplingsvolymen av nästa närmast sensorn.
5. På akryl rutan används som botten av tanken, borr och peka på en enda ½ tums diameter hål i mitten av rutan. Limma en mesh (finare än test jordar som skall användas) över hålet på insidan av glaset. På utsidan av bottenplanet, installera en 90 ° vinkel som är ansluten till flexibel slang med en justerbar ventil. Denna ventil och slangar används för att tömma vatten från tanken vid slutet av ett experiment eller som ett sätt att installera konstant tryck enheter för att upprätthålla konstanta vattennivån djup.
6. Använd marint bruk lim eller liknande vattenresistent polymerklister att fästa och försegla tanken tillsammans såsom visas i fig 1. Låt limmet härda under en dag.
7. För att höja tanken från marken och göra plats för 90 ° vinkel (Figur 1), bifoga ytterligare två stycken 1,2 cm tjockt akrylglas med length 12 cm och höjd 5 cm till botten av tanken.

2. Konstruktion och framställning av klimat kontrollerade Wind Tunnel

1. Konstruera 215 cm långt uppströms partiet av vindtunnel av rektangulär galvaniserat stål kanal material som har en bredd av 8,5 cm och en höjd av 26 cm. Omger utsidan av kanalen med polystyren isolering.
2. Borra ett litet hål i sidan av kanalen arbete nära nedströms utträde av uppströmsdelen av vindtunneln för insättning av en relativ fuktighet-temperaturgivare (fig 2).

Figur 2:. Komplett försöksuppställningen, inklusive tank, kanalsystem, sensorer galler (mått i centimeter) Komplett experimentell uppsättning av den kombinerade vindtunnel och jord-tank apparat. Vindtunneln ärförhöjda och i jämnhöjd med ytan av jorden tanken. Jorden tanken är instrumenterad med ett nätverk av sensorer som används för att mäta en mängd av under ytan och atmosfäriska variabler. Galler cirklarna representerar platser för insättning dessa sensorer. En värme styrsystem och en in-line kanalfläkten används för att styra temperatur och vindhastigheten, respektive. Pitot-statiska röret används för att mäta vindhastigheten. Hela apparaten sitter på en vägning för att få en massbalans under experiment. Observera att den schematiska inte är ritad i skala.

3. Installera fem keramiska infraröda värmeelement placerade parallellt inuti en reflektor längs längden av uppströmsdelen av vindtunneln. Anslut de infraröda värmeelementen till en temperaturstyrsystem regleras av en infraröd temperatursensor.
4. Konstruera den mellersta delen av vindtunneln av två 1,2 cm tjocka akrylpaneler med en längd och höjd på 25 cm och 26 cm resp.Borra två 0,635 cm (¼ tum) hål med en diameter på en av de mellersta delen paneler för att infoga temperatur och / eller relativa sensorer fuktighet och temperatur på de platser som visas i figur 2.
   1. Säkra akrylpaneler till toppen av sidoväggarna mark tank (dvs paneler med måtten 25 cm x 55 cm) med en stark tejp, som säkerställer att vindtunneln och jord tankpaneler sitta i jämnhöjd med varandra.
5. Konstruera de första 50 cm av nedströmsdelen av vindtunneln ur samma storlek rektangulära kanalsystem material som beskrivits i steg 2.1. På den avslutande sidan, minska den rektangulära kanalmaterialet till en 15,3 cm diameter rund kanal med en längd av 170 cm. Installera en galvaniserat stål spjäll, används för att justera vindhastigheter längst nedströms slutet av rundan kanal för stöd vindhastighet kontroll.
6. Precis som i steg 2.2, borra hål diameter en 0,635 cm i sidan av nedströms rektangulär kanal nära ingången förinsättning av en relativ fuktighet-temperatursensor. Borra ett andra hål 0,635 cm diameter från toppen av den rektangulära kanalen längs centrumlinjen av vindtunneln.
7. Installera en in-line kanalfläkt i mitten av den runda kanalen (dvs 85 cm nedströms minskning som beskrivs i steg 2,4) orienterade för att driva ut luft från nedströmsdelen av vindtunneln. Gränssnitt fläkten med variabel hastighet controller för mer exakt kontroll av rotationsfrekvens och som ett resultat vindhastighet.
8. Använd svetsmaterial och justerbara hyllor för att höja och säkra vindtunnel apparaten. Se till att botten av uppströms och nedströms kanalsystemet är i jämnhöjd med överdelen av jordtanken (Figur 2).

3. Installation av sensorer

1. Före installation i marken tanken, säkra varje markfuktighet och temperaturgivare inom en gängad NPT bostäder (1,9 cm och 0,635 cm höljen, respektive) och seal med blinkande tätningsmedel för att förhindra att fukt intrång. Använd inte silikonbaserade tätnings produkter eftersom de kan störa elektroniken inom vissa sensorer. Härda sensorerna under ca en vecka.
2. Före installation i marken tanken, kalibrera markfuktsensorer i enlighet med de två poäng α-blandning metod utvecklad av Sakaki et al. ^12.
3. Linda gängorna på varje NPT bostäder med rörmokare tejp före installation i tanken att bidra till att ge en bättre tätning mellan NPT gäng och akrylglas.
4. Installera sammanlagt 25 markfuktighet och temperatursensorer varje horisontellt genom väggarna i tanken på de platser som diskuteras i steg 1.2. Vrid sensorkablarna i synk med NPT kopplingen / bostäder så att inte skada den inre ledningarna i kablarna. Dra inte vridmoment på NPTs för att förhindra att glaset spricker. Anslut jordfuktsensorer och temperaturgivare till sina utsedda uppgifterloggers.
5. Installera tre relativa fuktighet och temperatur sensorer på markytan på avstånd av 2,5, 12,5 och 21,5 cm från den främre kanten av tanken. Placera sensorerna i god kontakt med markytan så att de relativa luftfuktighetsvärdena återspeglar förhållandena på markytan snarare än den omgivande luften. Anslut sensorerna till dataloggrar.
6. För att erhålla erforderlig lufttemperatur och mätningar relativ fuktighet i atmosfären, installera relativa sensorer fuktighet och temperatur i det fria flödet delen av vindtunneln, med hjälp av de hål som borrats genom uppströms och nedströms delar av vindtunnel samt panelerna.
7. Installera ett Pitot-static tube direkt nedströms om marktanken genom 0,635 cm hål borrat i toppen av nedströms vindtunnel avsnitt. Håll pitot-statiska röret på en höjd av 13 cm från golvet av sektionen. Anslut pitot-statiska röret till en differentialtryckgivare.
8. KALe omvandlare differenstrycket. Den Pitot-static tube åtgärder dynamiskt tryck som definieras som skillnaden mellan stagnation och statiska tryck. Tryckskillnaden tolkas av tryckomvandlaren som en spänningsskillnad.
   1. Mäta spänningen under inga flödesbetingelser (spänning bör vara ungefär lika med 0) och för flödet av en känd dynamisk tryck; detta medger ett linjärt förhållande upprättas mellan dynamiskt tryck och spänning. Bestäm vindhastigheten genom att tillämpa Bernoullis ekvation:
      (1)
      där V (m / s) är vindhastigheten, P _dynamisk (Pa) är dynamiskt tryck, och ρ (kg / m ³⁾ är luftens densitet.
   2. Jämför hastigheten beräknas med hjälp av ekvation (1) med en annan mätanordning. Här, jämföra Pitot-static tube differentialtryck transducer med laser Doppler Velocimetry (LDV) mätningar som har en noggrannhet på ± 0,01 m / sek.
      Obs: En sammanfattning av sensorer som används och deras tillhörande samplingsfrekvenser kan hittas i tabell 1 För sensor specifikationer och annan information, se bifogade material / utrustning lista..

Sensor	Sensormätningar	Antal sensorer Anställd i experimentell utrustning	Sensor Samplingsfrekvens (min)
EG-5	Mark fukt	25	10
ECT	Jord / lufttemperatur	25	10
SH-1	Termiska egenskaper	1	10
EHT	Relativ fuktighet / temperatur	10
Värmekamera	Yttemperatur / avdunstning	1	1
Digitalkamera	Visualisering av torknings främre	1	60
Pitot-statiska röret	Vindhastighet	1	10
Vägning	Ackumulerad avdunstning / förångningshastighet	1	10

Tabell 1: Sammanfattning av sensorer som används i experimentell del av föreliggande studie.

4. Packa mark Tank och förbereda för starten av experimentet

1. Innan packning tanken med jord, testa dess integritet genom att utföra ett läckagetest. Fyll tanken med vatten och vänta 4-6 timmar för att se till att inga läckor i strukturen eller sensorer har utvecklats.
   1. Om läckor utvecklas, tömma tanken, låt den torka över natten och fixa läckor använder samma mArine adhesiv används under ursprungliga konstruktionen. Om inga läckor utvecklas, dränera marken tanken och förbereda sig för stegen nedan.
2. Bestäm den totala volymen av tanken med sensorer på plats. Fyll försiktigt tanken med vatten med hjälp av en graderad cylinder, och se till att registrera mängden tillsatt vatten. Omvandla inspelad totala volymen till kubikcentimeter för användning i steg 4,5.
3. Skaffa torr jord att packa jorden tanken. Karakterisera hydrauliska och termiska egenskaperna hos den valda marken separat i enlighet med de metoder som diskuteras i Smits et al. ¹¹
4. Försiktigt wet-pack jorden tanken med jord och avjoniserat vatten.
   1. Wet-pack jorden tank, först hälla ca 5 cm vatten i tanken. Tillsätt långsamt torr jord till vattnet i tanken med hjälp av en skopa, i steg om 2,5 cm djup. Notera vikten av sanden tillsattes under varje hiss så porositeten hos jordpacknings kan beräknas.
   2. Efter fullbordanhos varje skikt, upprepade gånger peka på tankens väggar genom att använda en gummiklubba, 100-200 gånger, för att erhålla en enhetlig skrymdensitet hela. Medan knacka, undvika kontakt med sensorer och sensorkablar. Användningen av vibrations enheter bör undvikas för att inte skada det nätverk av känsliga sensorer.
5. Efter avslutad förpackning tanken, summera ihop vikterna av varje jordlagret (se steg 4.4) för att få den totala jordmassa. Dividera den totala massan av skrymdensiteten för jord (t.ex. bulkdensitet av kvartssand är 2,65 g / cm ³⁾ för att bestämma volymen av sand _(Vs, cm ^3). Beräkna porositet (η, m ³ / m ³⁾ av jorden i tanken enligt:
   (2)
   där _(Vt, m ³⁾ är den totala volymen av den tomma behållaren bestäms i Steg 4.2.
<li> När tanken är helt packat, placera ett plasthölje, såsom plastfolie över tanken tills experimentet är redo att börja för att förhindra uppkomsten av avdunstning.
6. Placera tanken på en vägning att övervaka ackumulerade vattenförlust som kan i sin tur användas för att beräkna avdunstningshastigheten.
7. Beräkna tim avdunstningshastighet genom att dividera den per timme viktminskning genom produkten av densiteten för vatten och tvärsektionsarean av förångningsytan.

5. Starta Experiment och börja Datainsamling

1. När installation är klar, bestämma de önskade atmosfäriska förhållanden (t.ex. temperatur, vindhastighet). Se till att loggers data och andra datainsamlingssystem är påslagna och inställda på rätt samplingsintervallen (t.ex. varje 10 min).
2. Starta fläkten och temperaturregleringen. Låt klimatförhållanden till jämvikt innan du tar bort plastlocket på ytan av soljetank. Kör experimentet för den önskade längden av tid (t.ex. 15 dagar).

Representative Results

Syftet med experimentet som presenteras här var att studera effekten av vindhastigheten på avdunstning från bar mark. Nyckelegenskaper av test jord som används i föreliggande studie är sammanfattade i tabell 2. En serie experiment utfördes i vilka olika randvillkor vid jordytan (dvs., vindhastighet och temperatur) applicerades (tabell 3). Även om fyra experiment vid olika vindhastigheter och temperaturer utfördes, majoriteten av experimentella resultat som presenteras här är till för en vindhastighet av 1,22 m / sek. Ackumulerad avdunstning data visas för alla fyra experiment.

Förpackningsbestämmelser	Torra skrymdensiteten (G cm -3)	Air Entry Pressure (Cm H2O)	av kvarblivet vatten Innehåll (M 3 m -3)	Van Genuchten
			Modell Parametrar *
			α (cm -1)	n (-)
Snäv	1,79	16,1 / 22,5	0,028	0,04	20,53

Tabell 2: Nyckeln egenskaper experimentell testjorden används.

Experiment Run #	Genomsnittlig Maximal Vind Velocity	Ursprunglig temperatur om markytan	Sluttemperatur på jordytan
	(M / s)		(° C)
1	0,55	27	31
2	1,22	26	33
3	3	29	37
4	3,65	33	44,5

Tabell 3: Experimentell vindhastigheter tillämpas.

Tidsberoende relativ fuktighet och temperatur mäts vid markytan presenteras i Figur 3. Den relativa fuktigheten förblir relativt konstant på omkring 0,80 i ungefär två dagar innan brant minska under de kommande fyra dagarna, bortom vilken en stabil relativ fuktighet värde av 0,35 är erhölls. Temperaturen på markytan visar en ökande trend under fyra dagar innan de stabiliserades. Dessa trender observerades i alla fyra experiment och kan förklarasvillkoren i mark torkning. Relativ fuktighet minskar i samband med en minskning i förångningshastighet eftersom det finns mindre vattenånga över tiden. Temperaturen ökar när det tillgängliga vattnet minskar (dvs avdunstning ränta minskar) eftersom processen av avdunstning inte längre kyler jordytan. Under de första tre dagarna, den relativa fuktigheten i nedströms luften var högre än uppströms luft på grund av närvaron av mer vattenånga som härrör från uppströms avdunstning. Denna trend vände senare, troligen på grund av den uppströms sensorn tappa kontakten med jordytan; sensorkablarna är flexibla och ibland dra sensorn från markytan, ändra fuktigheten läsning. Den relativa fuktigheten mäts nedströms är större än den som uppmäts uppströms därför att processen med avdunstning längs de första 21,5 cm av tanken ökar mängden fukt som finns i luften.

<img alt = "Bild 3" src = "/ filer / ftp_upload / 52704 / 52704fig3highres.jpg" width = "700" />
Figur 3: Relativ fuktighet och temperatur mäts på markytan (Denna siffra har ändrats från Davarzani et al. ^5).

Det fria flödet lufttemperaturen i detta experiment var satt till ett konstant värde på 40 ° C med användning av det tidigare beskrivna temperaturregleringen. Den tidsberoende temperatur och relativ fuktighet hos luften i det fria flödet, på en höjd av 8,5 cm över jordytan, visas i Figur 4. De observerade diurnal temperaturvariationer beror på variationer i värmeutgångar som gensvar på temperaturen mäts av IR-temperatursensor som reglerar temperaturstyrsystem (se steg 2.3). Diurnal svängningar kan undvikas, om så önskas, genom att ställa in den infraröda temperaturgivare till en uppsättning temperaturvärde. Skillnaden i atmosfärstemperatur längs längden på tanken är resultatet av evaporativ kylning (fig 4).

Figur 4: Relativ fuktighet och temperatur mäts 7,5 cm ovanför markytan uppströms och nedströms av tanken (Denna siffra har ändrats från Davarzani et al. ^5).

I fig 5a, är den tidsberoende jordtemperaturen visas för djupet av 2,5 cm, 7,5 cm och 12,5 cm under jordytan samt den omgivande temperaturen; se figur 1 för identifieringssensor. Som framgår av Figur 5a, yttemperatur och vindhastigheten är mindre inflytelserika på lokala temperaturer på större djup -. Visar ingen effekt på djup under 12,5 cm Figur 5b visar temperaturen som afsmörjelse av tiden för tre sensorer placerade på ett djup av 2,5 cm. Det finns en liten skillnad i temperatur sensorer på detta djup med uppströms sensorn 5 visar en högre temperatur än den nedströms sensor 1. Detta beror på att det fria flödet temperaturen alltid är högre uppströms än nedströms (Figur 4). Skillnaderna i temperatur resulterar också i en asymmetrisk mättnadsprofil i jorden tanken såsom kommer att visas.

EN

B

Figur 5: Utveckling av uppmätt jordtemperatur som en funktion av tiden (a) vertikalt i mitten av tanken och (b) horisontellt på ett djup av 2,5 cm (Denna siffra har varit modified från Davarzani et al., ^5).

Figur 6a visar den tidsberoende mättnad i förhållande till tiden vid jorddjup 2,5, 7,5, 12,5, och 17,5 cm. För större djup än 12,5 cm, förblev mättnad vid 100% under hela experimentet; närmare jordytan minskade emellertid mättnad över tiden. Mättnaden visas i figur 6a kan relateras till de olika stadierna av avdunstning (dvs. steg I och steg II), definierad av skillnader i avdunstningshastigheter, plats av tork fronten, och dominerande transportmekanismer ^14. Under fas I avdunstning, torkning front retirerar snabbt bort från jordytan som gravitations och viskösa krafter börjar dominera kapillärkrafterna. Detta observeras i den första dagen av den uppmätta minskningen i jord mättnad genom den första raden av markfuktsensorer som motsvarar till ett djup av 2,5 cm. Efter dag 1, den hastighet med vilken tork främre continues till reträtt saktar såsom visas i den gradvisa formen hos mättnadskurvor för sensorer 6-10 belägna på ett djup av 7,5 cm (figur 6a). Detta markerar övergången av avdunstning till ångdiffusion begränsad etapp II avdunstning. Den första delen av steg II kallas ofta sjunkande perioden ^15-17. Så småningom mättnadskurvorna planar ut och förändras mycket lite som tork front når ett djup på 12,5 cm (t.ex. sensor 13) av Dag 3.

EN

B

Figur 6: tidsutvecklingen av uppmätt under ytan jordmättnad (a) vertikalt i mitten av tanken och (b) horisontellt på ett djup av 2,5 cm (Denna figure har ändrats från Davarzani et al. ^5).

Figur 6b visar mättnad mot tid för tre sensorer placerade på konstant djup av 2,5 cm. De mättnadskurvor är nästan identiska och konsekvent över hela längden av tanken vid detta djup. Den något asymmetriska fördelningen beror på skillnaden lufttemperaturen mellan de uppströms och nedströms belägna sektioner i vindtunnel. Eftersom uppströms temperaturer var genomgående några grader varmare, atmosfärisk efterfrågan, som driver avdunstning, skulle vara högre och därför skulle det finnas en något snabbare hastighet av torkning.

Figur 7 visar vindhastighet, medelvärde på 1,22 m / s, som en funktion av tiden. Den observerade sinusdygns trend i vindhastigheten är resultatet av förändringar i atmosfäriska förhållanden såsom barometertryck och lufttäthet. Den genomsnittliga vindhastigheten användes i modelleringsinsatser eftersom effekterna av diurnella variationer i atmosfär variabler var inte i fokus för denna studie. Detta betyder dock inte, kan det tidsberoende data inte användas. Som en del av serien av avdunstnings experiment fyra olika medel vindhastigheter tillämpas; se tabell 3 för en sammanfattning. De beräknade Reynolds tal för alla experiment i denna studie var i laminär och övergångsflödesregimer. Det är dock väl vet att ytturbulens kan påverka avdunstningshastigheter ¹⁶ och bör tas upp i framtida studier.

Figur 7: Tidsberoende vindhastighet över jordytan med medelvärdet 1,22 m / sek ^{- 1} (Denna siffra har modifierats et al Davarzani ^5.).

Effekten av luftflödet iden fria vätskeregionen (dvs. atmosfären) på kumulativ indunstning visas i fig 8. Kumulativ indunstning plottas för fyra olika fritt flöde genomsnittliga vindhastigheter (Vw) av 0,50, 1,20, 3,00 och 3,60 m / sek. Resultat visar att vindhastigheten har en mycket framträdande effekt på kumulativ indunstning och mängden vattenförlust under de olika avdunstningsstegen. Såsom visas i fig 8, vilket ökar vindhastigheten ökar den totala avdunstningen. Genom att jämföra sluttningarna av kurvorna, det största inflytandet var på första avdunstningshastigheten, här kallad etapp 1. Etapp 1 avdunstning definieras ofta av höga och relativt konstanta avdunstningshastigheter ¹⁷ och främst påverkas av atmosfär efterfrågan snarare än markförhållanden . Som vindhastighet ökas ytterligare 3-3,6 m / s, visar avdunstningen mycket mindre beroende av stegvisa förändringar i vindhastighet än observerades för förändringar vid låga vindhastigheter. Ökandevindhastighet leder till en ökning i etapp I avdunstningshastigheten samtidigt minska övergångstiden från steg I till steg II ^5. Inverkan av vindhastighet på avdunstningen är mindre betydelsefullt för etapp II avdunstning som styrs främst av det porösa mediet. Under detta stadium, är förångning som styrs av den hastighet med vilken kan överföras vatten till markytan via diffusion snarare än atmosfärs efterfrågan.

Bild 8: Effekten av olika medel vindhastigheter på kumulativa avdunstning (Denna siffra har ändrats från Davarzani et al. ^5).

Discussion

Syftet med detta protokoll var att utveckla en experimentell apparater och tillhörande förfaranden för generering av höga rumsliga och tidsupplösning uppgifter som krävs för att studera landatmosfäriska interaktioner med avseende på värme och massöverföringsprocesser. Den experimentella apparater beskrivna bestod av en jordtank och en liten vindtunnel, som båda var utrustade med en rad sensorer för mätning av relevanta mark- och atmosfär variabler (t.ex. vindhastighet, relativ luftfuktighet, mark och luft temperatur och markfuktighet ). Följande är några av de mest kritiska komponenterna i det protokoll som presenteras i denna studie.

Tanken dimensioner och sensorplacering var särskilt utvalda för att maximera antalet sensorer som används samtidigt står för sensorns respektive provvolymer. Den första raden av sensorer är 2,5 cm under jordytan till följd av varje sensors prowolym (definierad som volume av marken runt givaren, inom vilken en förändring i miljöförhållanden påverkar sensoravläsningar). Sensorerna är placerade i NPT beslag, installeras horisontellt genom väggarna i marken tanken så att sensortrådarna inte i själva marken; alla sensorledningarna är utanför tanken, vilket förhindrar vattenkanalisering. Installationen av ett stort nätverk av temperatur- och jordfuktsensorer kan horisontella och vertikala fördelningar av dessa variabler som skall fastställas på en fin rumslig upplösning.

Placering jorden tank på en vägning tillåter ackumulerade förlusten vatten och tillhörande förångningshastigheten skall bestämmas enligt den metod vattenmassbalans som beskrivs ovan. Dessa värden kan sedan jämföras med avdunstningshastigheter som erhållits med hjälp av andra metoder såsom den kombinerade värmepuls och förnuftig värmebalans metod som används i Trautz et al. ¹⁸

Vindtunnel partiet av apparATU-enheter består av tre delar - en uppströms, nedströms och mellersta delen. Den uppströms belägna sektionen används för att värma luften innan den dras över marken tanken i mittsektionen med hjälp av ett temperaturstyrsystem. Den mellersta delen av vindtunneln är utrustad med sensorteknik för mätning av temperatur och relativ fuktighet. Den nedströms belägna delen av vindtunneln innehåller en in-line kanalfläkten och spjäll för reglering vindhastigheten som övervakas med hjälp av en pitot-statisk rör.

Tillämpligheten av den marktanken-vindtunnel ovan beskrivna anordningen har visats i en experimentell studie av effekterna av vindhastigheten på avdunstningshastigheten. Resultaten visar att en ökning av vindhastigheten leder till en ökad avdunstningshastighet och förkortade steg I avdunstning varaktighet. Ökad vindhastighet än 3 m / sek visar dock lite extrainsats i fas I avdunstning. Steg II avdunstning, styrs främst av fastigheter of det porösa mediet, synes vara oberoende av eller endast något påverkad av vindhastigheten.

Denna experimentella protokoll är tillämpligt på en rad olika miljöförhållanden för att omfatta förändringar i markförhållanden (dvs. olika jordar, förpackningskonfigurationer, vegetation och stadsmiljö), klimatrandvillkor (temperatur, vindhastighet, nederbörd) eller underjordiska förhållanden (t.ex. varierande vatten bordsnivåer). Den dimensioner och sensor layouten av den beskrivna anordningen kan modifieras för att tillgodose behoven hos olika experiment. Packnings förfarande som beskrivs ovan kan på liknande sätt modifieras för att redogöra för olika förpackningskonfigurationer såsom varierande porositet förhållanden och mark heterogenitet.

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.