La exploración de los efectos de los forzamientos atmosféricos de evaporación: Integración experimental de la capa límite atmosférica y superficial del subsuelo

Se presenta un protocolo para el diseño y construcción de un tanque de suelo interfaz con un pequeño túnel de viento de clima controlado para estudiar los efectos de los forzamientos atmosféricos sobre la evaporación. Tanto el tanque de suelo y túnel de viento están equipados con tecnologías de sensores para la medición continua en situ de las condiciones ambientales.

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.

La comprensión de la interacción entre la tierra y el ambiente es de suma importancia para nuestra comprensión de muchos de los problemas actuales del mundo, tales como filtración de dióxido de carbono geológico-secuestrado en el suelo, el cambio climático, agua y suministro de alimentos, la detección precisa de las minas terrestres, y el saneamiento de las aguas subterráneas y el suelo. Además, las bolsas principales de calor y agua que impulsan las condiciones meteorológicas mundiales y regionales se producen en la superficie de la Tierra. Muchos fenómenos meteorológicos y climáticos (por ejemplo, huracanes, El Ni & # 241; o, sequías, etc.) son impulsados ​​principalmente por los procesos asociados con las interacciones superficie-atmósfera de la tierra ^1. Como más de la mitad de la superficie de la tierra en la Tierra es árido o semiárido ^2-4, que describe con precisión el ciclo del agua en estas regiones sobre la base de intercambios de calor y de agua entre el aire de la atmósfera y la superficie del suelo es fundamental para mejorar nuestra comprensión de los temas antes mencionados,especialmente en las regiones vulnerables a la sequía prolongada y la desertificación. Sin embargo, a pesar de décadas de investigación, aún quedan muchas lagunas de conocimiento en la comprensión actual de cómo el subsuelo poco profundo y el ambiente interactúan ^5.

Procesos de transporte que incluyen agua líquida, vapor de agua, y el calor en el suelo son dinámicos y fuertemente acoplado con respecto a las interacciones con el suelo y forzada condiciones de contorno (es decir, temperatura, humedad relativa, radiación térmica). Modelos de transferencia de calor y masa numéricos comúnmente simplifican o pasan por alto algunas de estas complejidades debido en parte a la falta de pruebas y el refinamiento de las teorías existentes derivadas de la escasez de datos de alta resolución temporal y espacial. Conjuntos de datos desarrollados para la validación del modelo se carece a menudo de información atmosférica o subsuelo fundamental para probar adecuadamente las teorías, lo que resulta en modelos numéricos que no tienen en cuenta adecuadamente para la importaciónprocesos de hormigas o dependen de la utilización de parámetros poco conocidos que se ajustan o montarse en el modelo. Este enfoque es ampliamente utilizado debido a su simplicidad y facilidad de uso y tiene en algunas aplicaciones se muestran mucho mérito. Sin embargo, este enfoque puede ser mejorado mediante una mejor comprensión de la física detrás de estos "parametrizaciones concentrados" mediante la realización de experimentos bien controlados en condiciones transitorias que son capaces de pruebas de transferencia de calor y agua teoría ^6.

Experimentación cuidadosa en el laboratorio permite a los conjuntos de datos de precisión que se generen que posteriormente se puede utilizar para validar los modelos numéricos. Los datos disponibles de los sitios de campo son a menudo incompletos y costoso de obtener, y el grado de control necesarios para obtener una comprensión fundamental de los procesos y generar datos para la validación de modelos podrían considerarse insuficientes en algunos casos. La experimentación de laboratorio de los fenómenos naturales como la evaporación del suelo permite atmoscondiciones atmos- (es decir, temperatura, humedad relativa, velocidad del viento) y las condiciones del suelo (es decir, el tipo de suelo, la porosidad, el embalaje de configuración) para ser cuidadosamente controlados. Muchas de las técnicas de laboratorio utilizadas para estudiar la evaporación del suelo y las propiedades térmicas e hidráulicas del suelo utilizan muestreo destructivo ^7-10. Métodos de muestreo destructivos requieren que una muestra de suelo se descomprime para obtener datos de puntos, lo que impide la medición del comportamiento transitorio e interrumpiendo propiedades físicas del suelo; este enfoque introduce error y la incertidumbre a los datos. Mediciones no destructivas, como el método que aquí se presenta, permiten una determinación más precisa y el estudio de la interdependencia de las propiedades del suelo y procesos ^11.

El objetivo de este trabajo es desarrollar un aparato de depósito de suelo y el protocolo asociado para la generación de datos de resolución espacial y temporal altos relativos a los efectos de los cambios en la atmósfera y las condiciones del subsuelo enla evaporación del suelo desnudo. Para este trabajo, un túnel de viento pequeño capaz de mantener una velocidad constante viento y la temperatura se interconecta con un aparato de depósito de suelo. El túnel de viento y el tanque del suelo están equipados con un conjunto de estado de las tecnologías de sensores de arte para la recopilación de datos autónomo y continuo. La velocidad del viento se mide usando un tubo de pitot-estática de acero inoxidable unido a un transductor de presión. La temperatura y la humedad relativa se supervisan en la atmósfera utilizando dos tipos de sensores. La humedad relativa y la temperatura también son monitoreados en la superficie del suelo. Los sensores de la humedad del suelo y la temperatura medida del subsuelo. Mediciones de peso del aparato tanque se utilizan para determinar la evaporación a través de un balance de masas de agua. Para demostrar la aplicabilidad de este aparato experimental y el protocolo, se presenta un ejemplo de la evaporación del suelo desnudo bajo condiciones variables de velocidad del viento. El depósito de suelo, lleno homogéneamente con una arena bien caracterizado, fue inicialmente completamente saturated y dejó evaporar libremente en condiciones atmosféricas cuidadosamente controladas (temperatura, velocidad del viento).

Nota: Las pruebas de laboratorio se realiza usando un tanque de escala de banco de dos dimensiones en interfaz con un aparato de túnel de viento con clima controlado. Tanto el tanque a escala de banco y túnel de viento están equipados con diversas tecnologías de sensores. El siguiente protocolo será primero discutir la construcción y la preparación del depósito de suelo, seguido por una discusión del túnel de viento y la instrumentación de ambos. Las dimensiones del tanque, las dimensiones del túnel de viento, cantidad de sensores, y el tipo de tecnología de sensores presentados pueden ser modificados para adaptarse a las necesidades de una determinada experimental. El protocolo se presenta a continuación se utilizó para estudiar experimentalmente los efectos de la velocidad del viento en la evaporación del suelo desnudo.

1. Construcción y Preparación de medios porosos tanque del Suelo

1. Corte un pedazo grande de 1,2 cm de espesor de vidrio acrílico en cinco paneles individuales. Ensamble estos paneles en un tanque de suelo-techo abierto con longitud interna, anchura y altura de 25, 9,1 y 55 cm, respectivamentecaz. Vidrio acrílico permite procesos en el subsuelo que deben observarse visualmente.
2. Dibuja una cuadrícula de 5 x 5 que es de 25 cm por 25 cm en cada uno de los dos paneles de vidrio de gran tamaño (longitud de 25 cm y altura 55 cm), como se muestra en la Figura 1. Asegúrese de que cada cuadrado dentro de la red tiene una superficie de 25 ^cm2 (Figura 1). La rejilla será utilizado para el espacio correctamente los sensores dentro del tanque del suelo.

Figura 1: frontal esquemática y vistas laterales del tanque suelo utilizado para el montaje experimental (dimensiones son en centímetros) (a) La vista frontal del depósito de suelo que muestra el sistema de red que consta de veinticinco 5 cm x 5 cm. plazas. (B) La vista lateral del depósito de suelo, que muestra la temperatura instalado, la humedad relativa y la red de sensor de humedad del suelo como un funcción de profundidad. Tenga en cuenta que los esquemas no están dibujados a escala.

3. En uno de los grandes planos de vidrio, perforar un total de veinticinco 1,9 cm (¾ de pulgada) de diámetro agujeros para los sensores de humedad del suelo.
   1. Perforar cada agujero en el centro de cada cuadrado de la cuadrícula establecida en el paso 1.2 para que los centros de los agujeros de dos plazas colindantes son 5 cm de distancia; la primera serie de agujeros es 2,5 cm por debajo de la parte superior del tanque. Utilice grifos de tamaño adecuado para cortar hilos en cada uno de los agujeros de nueva creación. El espaciado de 5 cm entre los sensores garantiza que cada sensor está fuera del volumen de muestreo de la siguiente sensor más cercano.
4. Del mismo modo, taladrar y roscar un total de veinticinco 0,635 cm (¼ pulgadas) de diámetro en el centro de cada celda de la malla creada en el Paso 1.2. Asegúrese de que el centro de cada orificio está separado 5 cm de distancia con la primera fila de agujeros situados 2,5 cm por debajo de la parte superior del tanque del suelo. El espaciado de 5 cm entre los sensores asegura que cada sEnsor está fuera del volumen de muestreo de la siguiente sensor más cercano.
5. En el panel acrílico utilizado como la parte inferior del tanque, taladrar y roscar un agujero de diámetro ½ pulgada en el centro del panel. Pegue una malla (más fina que los suelos de las pruebas que se utilizarán) sobre el agujero en la parte interna del vidrio. En el lado externo del plano de fondo, instalar un codo de 90 ° que se adjunta a un tubo flexible con una válvula ajustable. Esta válvula y la tubería se utiliza para drenar el agua del tanque a la terminación de un experimento o como una manera de instalar dispositivos de carga constante para el mantenimiento de las profundidades de la tabla de agua constantes.
6. Utilice pegamento de grado marino o adhesivo polímero similar resistente al agua para fijar y sellar el tanque juntos como se muestra en la Figura 1. Deje que el pegamento se seque durante un día.
7. Para elevar el tanque fuera de la tierra y hacer espacio para el codo de 90 ° (Figura 1), conecte dos piezas adicionales de vidrio acrílico 1,2 cm de espesor con length 12 cm de altura y 5 cm a la parte inferior del tanque.

2. Construcción y Preparación del Clima controlado túnel del viento

1. Construir la parte aguas arriba 215 cm de longitud del túnel de viento de material de conductos de acero galvanizado rectangular que tiene una anchura de 8,5 cm y una altura de 26 cm. Rodea el exterior del conducto con aislamiento de poliestireno.
2. Perforar un pequeño agujero en el lado de los conductos cerca de la salida aguas abajo de la parte aguas arriba del túnel de viento para la inserción de un sensor de humedad-temperatura relativa (Figura 2).

Figura 2:. Completo experimental, incluyendo tanques, conductos, rejilla sensores (las dimensiones son en centímetros) Completa experimental puesta en marcha del aparato de túnel de viento y tierra-tanque combinado. El túnel de viento eselevada y se encuentra a ras con la superficie del tanque del suelo. El depósito de suelo está equipado con una red de sensores utilizados para medir una variedad de subsuelo y variables atmosféricas. Los círculos de la cuadrícula representan los lugares de inserción de estos sensores. Un sistema de control de calefacción y un ventilador de conducto en línea se utilizan para controlar la temperatura y velocidad del viento, respectivamente. El tubo de pitot-estático se utiliza para medir la velocidad del viento. Todo el aparato se encuentra en una escala de ponderación para obtener un balance de masas durante la experimentación. Tenga en cuenta que el esquema no está dibujado a escala.

3. Instalar cinco elementos de calefacción por infrarrojos de cerámica colocados en paralelo dentro de un reflector a lo largo de la longitud de la parte de aguas arriba del túnel de viento. Conecte los elementos de calefacción por infrarrojos a un sistema de control de temperatura regulada por un sensor de temperatura de infrarrojos.
4. Construir la sección media del túnel de viento de dos 1,2 cm de espesor paneles de acrílico con una longitud y una altura de 25 cm y 26 cm respectivamente.Perforar dos 0,635 cm (¼ de pulgada) de diámetro en uno de los paneles mediados de sección para insertar temperatura y / o sensores de humedad relativa y temperatura en las ubicaciones que se muestran en la Figura 2.
   1. Asegure los paneles de acrílico en la parte superior de las paredes laterales del tanque del suelo (es decir, los paneles con dimensiones de 25 cm x 55 cm) utilizando una cinta adhesiva fuerte, lo que garantiza que el túnel de viento y paneles de tanque suelo sientan al ras con los otros.
5. Construir los primeros 50 cm de la parte de aguas abajo del túnel de viento del mismo tamaño de material de conductos rectangulares describe en el Paso 2.1. En el lado de terminación, reducir el material conductos rectangulares a un conducto redondo 15,3 cm de diámetro con una longitud de 170 cm. Instale un amortiguador de acero galvanizado, que se utiliza para ajustar la velocidad del viento, en el extremo aguas abajo del conducto redondo para la ayuda en el control de la velocidad del viento.
6. Como en el paso 2.2, perforar agujero de diámetro uno 0,635 cm en el lado de aguas abajo del conducto rectangular cerca de la entrada para ella inserción de un sensor de humedad-temperatura relativa. Perforar un segundo agujero de diámetro 0,635 cm desde la parte superior del conducto rectangular a lo largo de la línea central del túnel de viento.
7. Instalar un ventilador de conducto en línea en el medio de la conducto redondo (es decir, 85 cm aguas abajo de reducción descrito en el Paso 2.4) orientadas para expulsar el aire desde la parte de aguas abajo del túnel de viento. Interfaz del ventilador con un controlador de velocidad variable para un control más preciso de la frecuencia de rotación y, como la velocidad del viento resultado.
8. Utilice material de soldadura y estanterías ajustables para elevar y asegurar el aparato de túnel de viento. Asegúrese de que la parte inferior de la red de conductos aguas arriba y aguas abajo son al ras con la parte superior del tanque del suelo (Figura 2).

3. Instalación de Sensores

1. Antes de la instalación dentro del depósito de suelo, asegurar cada humedad del suelo y el sensor de temperatura dentro de un alojamiento roscado NPT (1,9 cm y 0,635 cm carcasas, respectivamente) y seal con sellador intermitente para evitar la entrada de humedad. No utilice productos sellantes a base de silicona, ya que pueden interferir con los componentes electrónicos dentro de algunos sensores. Curar los sensores durante aproximadamente una semana.
2. Antes de la instalación en el tanque del suelo, calibrar los sensores de humedad del suelo de acuerdo con el método de α-mezcla de dos puntos desarrollado por Sakaki et al. ^12.
3. Envuelva las roscas de cada vivienda TNP con cinta fontaneros antes de la instalación en el tanque para ayudar a proporcionar un mejor sellado entre la rosca NPT y vidrio acrílico.
4. Instale un total de 25 de humedad del suelo y temperatura sensores cada horizontalmente a través de las paredes del tanque en las ubicaciones indicadas en el Paso 1.2. Torcer los cables de los sensores en sincronía con la instalación / vivienda TNP a fin de no dañar el cableado interno dentro de los cables. No sobre-par los TNFs a fin de evitar que el vidrio se agriete. Conecte los sensores de humedad del suelo y sensores de temperatura a sus datos designadosmadereros.
5. Instalar 3 sensores de humedad y temperatura relativas en la superficie del suelo a distancias de 2,5, 12,5 y 21,5 cm desde el borde delantero del tanque. Coloque los sensores en buen contacto con la superficie del suelo de modo que las lecturas de humedad relativa reflejan las condiciones en la superficie del suelo más bien que el aire circundante. Conecte los sensores a los registradores de datos.
6. Para obtener la temperatura del aire necesaria y mediciones de humedad relativa en el ambiente, instale sensores de humedad relativa y temperatura en la sección de flujo libre del túnel de viento, utilizando los agujeros perforados a través de las secciones aguas arriba y aguas abajo del túnel de viento, así como los paneles.
7. Instale un tubo de Pitot estático directamente aguas abajo del depósito de suelo a través del orificio de 0,635 cm perforado en la parte superior de la sección del túnel de viento río abajo. Mantenga el tubo de pitot-estática a una altura de 13 cm desde el suelo de la sección. Conectar el tubo de pitot-estático a un transductor de presión diferencial.
8. Calibrate el transductor de presión diferencial. El medidas de tubo pitot estático presión dinámica que se define como la diferencia del estancamiento y presiones estáticas. El diferencial de presión es interpretado por el transductor de presión como un diferencial de voltaje.
   1. Mida el voltaje bajo ninguna condiciones de flujo (voltaje debe ser aproximadamente igual a 0) y para el flujo de una presión dinámica conocida; esto permite una relación lineal que se establezca entre la presión dinámica y la tensión. Determinar la velocidad del viento mediante la aplicación de la ecuación de Bernoulli:
      (1)
      donde V (m / s) es la velocidad del viento, P _dinámica (Pa) es la presión dinámica, y ρ (kg / m ³⁾ es la densidad del aire.
   2. Comparación de la velocidad calculada utilizando la ecuación (1) con otro dispositivo de medición. Aquí, comparar los diferenciales tubo tra presión pitot estáticonsducer con láser Doppler Velocimetría (LDV) mediciones que tiene una precisión de ± 0,01 m / seg.
      Nota: Un resumen de los sensores empleados y sus frecuencias de muestreo asociados se puede encontrar en la Tabla 1 para las especificaciones del sensor y otra información, consulte el material adjunto / lista de equipo..

Tabla 1: Resumen de los sensores utilizados en parte experimental de este estudio.

4. Embale el suelo del tanque y prepararse para el inicio del experimento

1. Antes de empacar el tanque con el suelo, probar su integridad mediante la realización de una prueba de fugas. Llene el tanque con agua y esperar 4-6 horas para asegurar que no haya fugas en la estructura o sensores han desarrollado.
   1. Si se desarrollan fugas, drenar el tanque, deje que se seque durante la noche y corregir las fugas utilizando la misma madhesiva arine utilizado durante la construcción inicial. Si se desarrollan sin fugas, drenar el tanque de suelo y prepararse para los siguientes pasos.
2. Determinar el volumen total del tanque con sensores en su lugar. Llene cuidadosamente el tanque con agua usando un cilindro graduado, asegurándose de registrar la cantidad de agua añadida. Convertir el volumen total registrado a centímetros cúbicos para el uso en el paso 4.5.
3. Obtener suelo seco para empacar el tanque del suelo. Caracterizar las propiedades hidráulicas y térmicas del suelo seleccionado por separado de acuerdo con los métodos discutidos en Smits et al. ¹¹
4. Cuidadosamente húmedo empacar el tanque del suelo usando suelo y agua desionizada.
   1. Para humedecer-empacar el tanque del suelo, primero verter aproximadamente 5 cm de agua en el tanque. Añadir lentamente suelo seco al agua en el tanque, utilizando una cuchara, en incrementos de 2,5 cm de profundidad. Registrar el peso de la arena añadido durante cada ascensor, así la porosidad del suelo de embalaje se puede calcular.
   2. Al finalizarde cada capa, presiona repetidamente las paredes del tanque utilizando un mazo de caucho, 100-200 veces, para obtener una densidad aparente uniforme en todo. Mientras la grabación, evitar el contacto con los sensores y cables de los sensores. El uso de dispositivos vibratorios se debe evitar para no dañar la red de sensores sensibles.
5. Al término de embalaje del tanque, resumir juntos los pesos de cada capa de suelo (ver Paso 4.4) para obtener la masa total de suelo. Divida la masa total por la densidad aparente del suelo (por ejemplo, la densidad aparente de la arena de cuarzo es 2,65 g / cm ³⁾ para determinar el volumen de la arena (V _s, ³ cm). Calcular la porosidad (η, m ³ / m ³⁾ del suelo en el tanque de acuerdo con:
   (2)
   donde (V _T, m ³⁾ es el volumen total del tanque vacío determinado en el paso 4.2.
6. Una vez que el tanque está completamente lleno, colocar una cubierta de plástico tal como Saran Wrap sobre el tanque hasta que el experimento está listo para comenzar a prevenir la aparición de la evaporación.
7. Coloque el tanque en una escala de ponderación para controlar la pérdida de agua acumulada, que a su vez puede ser utilizado para calcular la tasa de evaporación.
8. Calcular la velocidad de evaporación por hora dividiendo la pérdida de peso por hora por el producto de la densidad del agua y el área de la sección transversal de la superficie de evaporación.

5. Iniciar el experimento y comenzar la recopilación de datos

1. Una vez que la configuración se ha completado, las condiciones atmosféricas (temperatura deseados, es decir, la velocidad del viento). Asegúrese de que los registradores de datos y otros sistemas de adquisición de datos se activan y ponen a los intervalos de muestreo correctos (por ejemplo, cada 10 minutos).
2. Inicie el sistema de ventilación y control de temperatura. Permitir a las condiciones climáticas se equilibren antes de retirar la cubierta de plástico en la superficie de las stanque de aceite. Ejecutar el experimento para la longitud de tiempo deseado (por ejemplo, 15 días).

El objetivo del experimento presentado aquí fue estudiar el efecto de la velocidad del viento en la evaporación del suelo desnudo. Las propiedades clave de la suciedad de ensayo utilizado en el presente estudio se resumen en la Tabla 2. Se realizó una serie de experimentos en los que se aplicaron diferentes condiciones de contorno en la superficie del suelo (es decir, velocidad del viento y la temperatura) (Tabla 3). Aunque se realizaron cuatro experimentos a diferentes velocidades del viento y las temperaturas, la mayoría de los resultados experimentales presentados aquí son para una velocidad del viento de 1,22 m / seg. Datos de evaporación acumulada se muestra en los cuatro experimentos.

Tabla 2: Propiedades fundamentales de suciedad de ensayo experimental utilizado.

Tabla 3: velocidad del viento experimentales aplicados.

Dependiente del tiempo la humedad relativa y la temperatura medida en la superficie del suelo se presentan en la Figura 3. La humedad relativa se mantiene relativamente constante en torno al 0,80 por aproximadamente dos días antes abruptamente disminuyendo durante los próximos cuatro días, a partir del cual un valor de humedad relativa estable de 0,35 es obtenido. La temperatura de la superficie del suelo muestra una tendencia creciente durante un período de cuatro días antes de estabilizarse. Se observaron estas tendencias en los cuatro experimentos y se pueden explicar entérminos del secado del suelo. La humedad relativa disminuye en conjunción con una disminución en la tasa de evaporación porque hay menos vapor de agua presente en el tiempo. La temperatura aumenta a medida que disminuye hídricos disponibles (es decir, disminuye las tasas de evaporación) porque el proceso de evaporación ya no enfría la superficie del suelo. Durante los tres primeros días, la humedad relativa del aire aguas abajo fue mayor que el aire aguas arriba debido a la presencia de más vapor de agua resultante de la evaporación de aguas arriba. Esta tendencia se invirtió después, muy probablemente debido a que el sensor de aguas arriba perder el contacto con la superficie del suelo; los cables de los sensores son flexibles y de vez en cuando tiran el sensor de la superficie del suelo, el cambio de la lectura de humedad. La humedad relativa medida aguas abajo es mayor que el medido aguas arriba debido a que el proceso de evaporación a lo largo de los primeros 21,5 cm de la cuba se incrementó la cantidad de humedad presente en el aire.

Figura 3: La humedad relativa y la temperatura medida en la superficie del suelo (Esta cifra ha sido modificado desde Davarzani et al ^5.).

La temperatura del aire de flujo libre en este experimento se establece en un valor constante de 40 ° C utilizando el sistema de control de temperatura descrito anteriormente. La temperatura dependiente del tiempo y la humedad relativa del aire en el flujo libre, a una altura de 8,5 cm por encima de la superficie del suelo, se muestran en la Figura 4. Las fluctuaciones diurnas observadas en la temperatura son debido a la variabilidad de las salidas del calentador en respuesta a la temperatura medida por el sensor de temperatura infrarrojo que regula el sistema de control de temperatura (véase el paso 2.3). Fluctuaciones diurnas pueden evitarse, si se desea, configurando el sensor de temperatura de infrarrojos a un valor de temperatura establecido. La diferencia en atmosféricatemperatura a lo largo de la longitud del tanque es el resultado de la refrigeración por evaporación (Figura 4).

Figura 4: la humedad relativa y la temperatura se mide 7,5 cm por encima de la superficie del suelo aguas arriba y aguas abajo del tanque (esta cifra ha sido modificado a partir de Davarzani et al ^5.).

En la Figura 5a, la temperatura del suelo dependiente del tiempo se muestra para las profundidades de 2,5 cm, 7,5 cm y 12,5 cm por debajo de la superficie del suelo, así como la temperatura ambiente; véase la figura 1 para la identificación del sensor. Como se ve en la figura 5a, la temperatura de la superficie y la velocidad del viento son menos influyentes en las temperaturas locales a mayor profundidad -. Mostrando ningún efecto a profundidades por debajo de 12,5 cm Figura 5b muestra la temperatura como afunción de tiempo para tres sensores situados a una profundidad de 2,5 cm. Hay una ligera diferencia en la temperatura de los sensores a esta profundidad con el sensor de aguas arriba 5, que muestra una temperatura mayor que el sensor de aguas abajo 1. Esto es porque la temperatura de flujo libre siempre es mayor aguas arriba que aguas abajo (Figura 4). Las diferencias en la temperatura también resulta en un perfil de saturación asimétrica en el tanque del suelo como se mostrará posteriormente.

LA

B

Figura 5: Evolución de la temperatura del suelo medido como una función del tiempo (a) verticalmente en el centro del tanque y (b) horizontalmente a una profundidad de 2,5 cm (Esta cifra ha sido modified de Davarzani et al. ^5).

La figura 6a muestra la saturación dependiente del tiempo en función del tiempo a profundidades del suelo de 2,5, 7,5, 12,5, y 17,5 cm. Para profundidades mayores de 12,5 cm, la saturación se mantuvo en 100% durante la duración del experimento; más cerca de la superficie del suelo sin embargo, la saturación disminuyeron con el tiempo. La saturación se muestra en la figura 6a puede estar relacionada con las diferentes etapas de evaporación (es decir, la Etapa I y Etapa II), que se define por las diferencias en las tasas de evaporación, ubicación de la parte delantera de secado, y de transporte dominante mecanismos ^14. Durante la etapa I de la evaporación, el frente de secado se retira rápidamente de la superficie del suelo como las fuerzas gravitacionales y viscosos comienzan a dominar las fuerzas capilares. Esto se observa en el primer día por la disminución medido en la saturación del suelo por la primera fila de sensores de humedad del suelo correspondientes a una profundidad de 2,5 cm. Después del día 1, la velocidad a la que el co frente secadontinues a retirarse ralentiza como se muestra en la forma gradual de las curvas de saturación para los sensores 6-10 situados a una profundidad de 7,5 cm (Figura 6A). Esto marca la transición de evaporación para la difusión del vapor limitada evaporación Etapa II. La parte inicial de la etapa II a menudo se llama el período de tasa decreciente ^15-17. Con el tiempo, las curvas de nivel de saturación y cambian muy poco como el frente de secado alcanza una profundidad de 12,5 cm (por ejemplo, el sensor 13) por el día 3.

LA

B

Figura 6: Evolución temporal de la medida saturación del suelo subsuperficial (a) verticalmente en el centro del tanque y (b) horizontalmente a una profundidad de 2,5 cm (Este figurE se ha modificado a partir de Davarzani et al. ^5).

La figura 6b muestra la saturación frente al tiempo para tres sensores situados en profundidad constante de 2,5 cm. Las curvas de saturación son casi idénticos y consistente a través de toda la longitud del tanque a esta profundidad. La distribución ligera asimétrica es debido a la diferencia de temperatura del aire entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del túnel de viento. Desde temperaturas ascendentes fueron consistentemente unos grados más caliente, la demanda atmosférica, que impulsa la evaporación, serían más altos y por lo tanto no habría un ritmo ligeramente más rápido de secado.

La Figura 7 muestra la velocidad del viento, valor medio de 1,22 m / seg, como una función del tiempo. La tendencia diurna sinusoidal observado en la velocidad del viento es el resultado de cambios en las condiciones atmosféricas tales como la presión barométrica y la densidad del aire. La velocidad media del viento se utilizó en los esfuerzos de modelado porque los efectos de DIURfluctuaciones nales de variables atmosféricas no eran los objetivos del presente estudio. Esto no significa, sin embargo, no se podían utilizar esos datos dependientes del tiempo. Como parte de la serie de experimentos de evaporación, se aplicaron cuatro velocidades del viento media diferentes; véase la Tabla 3 para un resumen. Los números de Reynolds calculados para todos los experimentos en este estudio fueron en el laminar y regímenes de flujo de transición. Sin embargo, es bien sabido que la turbulencia superficial puede afectar las tasas de evaporación ¹⁶ y debe ser abordado en futuros estudios.

Figura 7: tiempo depende de la velocidad del viento sobre la superficie del suelo con el valor medio de 1,22 m / s ^{- 1} (Esta cifra se ha modificado desde Davarzani et al ^5.).

El efecto del flujo de aire enla región líquido libre (es decir, atmósfera) en la evaporación acumulada se muestra en la Figura 8. evaporación acumulada se representa durante cuatro velocidades diferentes de flujo libre de viento medias (VW) de 0,50, 1,20, 3,00 y 3,60 m / seg. Los resultados demuestran que la velocidad del viento tiene un efecto muy prominente en la evaporación acumulada y la cantidad de pérdida de agua durante las diferentes etapas de evaporación. Como se muestra en la Figura 8, el aumento de la velocidad del viento aumenta la evaporación total. Mediante la comparación de las pendientes de las curvas, la influencia más grande fue en la tasa de evaporación inicial, aquí referido como la etapa 1. Etapa 1 de la evaporación se define a menudo por altos y relativamente constantes las tasas de evaporación ¹⁷ y está influenciado principalmente por la demanda atmosférica en lugar de las condiciones del suelo . Como la velocidad del viento aumenta de 3 a 3,6 m / s, la evaporación muestra mucho menos dependencia de los cambios incrementales en la velocidad del viento que se observó para los cambios a bajas velocidades de viento. Crecientevelocidad del viento conduce a un aumento de la tasa de evaporación en estadio I y al mismo tiempo disminuir el tiempo de transición desde la fase I a la Etapa II ^5. La influencia de la velocidad del viento en la evaporación es menos significativa para la Etapa II de evaporación que es controlada predominantemente por el medio poroso. Durante esta etapa, la evaporación se controla por la velocidad a la cual el agua puede ser transmitida a la superficie del suelo a través de difusión en lugar de la demanda atmosférica.

Figura 8: El efecto de diferentes velocidades medias de viento en la evaporación acumulada (Esta cifra se ha modificado desde Davarzani et al ^5.).

El propósito de este protocolo era desarrollar un aparato experimental y procedimientos asociados para la generación de los datos de resolución espacial y temporal altas requeridas para el estudio de las interacciones tierra-atmosférica con respecto al calor y los procesos de transferencia de masa. El aparato experimental descrito consistía en un depósito de suelo y un pequeño túnel de viento, ambos de los cuales fueron equipados con un conjunto de sensores para la medición de variables del suelo y atmosféricas pertinentes (por ejemplo, velocidad del viento, la humedad relativa, el suelo y temperatura del aire y la humedad del suelo ). Los siguientes son algunos de los componentes más críticos del protocolo presentado en este estudio.

La dimensiones del tanque y sensor de colocación se eligieron específicamente para maximizar el número de sensores empleados mientras que la contabilidad para los respectivos volúmenes de muestra del sensor. La primera fila de sensores es de 2,5 cm por debajo de la superficie del suelo debido al volumen de la muestra de cada sensor (definido como el volume de tierra alrededor del sensor, en el que un cambio en las condiciones ambientales afecta a las lecturas de los sensores). Los sensores, colocados en accesorios NPT, se instalan horizontalmente a través de las paredes del tanque de tierra para que los cables de los sensores no están dentro del propio suelo; todos los cables de los sensores están fuera del tanque, la prevención de la canalización de agua. La instalación de una gran red de sensores de temperatura y humedad del suelo permite distribuciones horizontales y verticales de estas variables que se determinarán con una resolución espacial muy bien.

Colocar el depósito de suelo en una escala de ponderación permite la pérdida de agua acumulada y la tasa de evaporación asociada a determinarse utilizando el planteamiento de balance de masas de agua se ha descrito anteriormente. Estos valores pueden ser comparados con las tasas de evaporación obtenidos usando otros métodos, como el calor de impulsos combinada y el método de balance de calor sensible empleada en Trautz et al. ¹⁸

La porción de túnel de viento de la apparatus se compone de tres partes - una sección de aguas arriba, aguas abajo y medio. La sección de aguas arriba se utiliza para calentar el aire antes de que se dibuja sobre el depósito de suelo en la sección media con la ayuda de un sistema de control de temperatura. La sección media del túnel de viento está equipado con tecnologías de sensores para la medición de temperatura y humedad relativa. La parte de abajo del túnel de viento contiene un ventilador de conducto en línea y amortiguador para controlar la velocidad del viento que se vigila por medio de un tubo de Pitot estático.

La aplicabilidad del aparato de túnel de viento-tanque suelo descrito anteriormente se demostró en un estudio de caso experimental de los efectos de la velocidad del viento sobre la tasa de evaporación. Los resultados muestran que el aumento de la velocidad del viento conduce a un aumento de la velocidad de evaporación y se acorta la duración Etapa I evaporación. El aumento de la velocidad del viento más allá de 3 m / seg, sin embargo, muestra poco impacto adicional en la fase I de la evaporación. Etapa II de la evaporación, que se rige principalmente por las propiedades of del medio poroso, que parece ser independiente de, o sólo ligeramente influenciada por la velocidad del viento.

Este protocolo experimental es aplicable a una variedad de condiciones ambientales para incluir los cambios en las condiciones del suelo (es decir, suelos diferentes, configuraciones de embalaje, la vegetación y los ambientes urbanos), las condiciones de contorno del clima (temperatura, velocidad del viento, precipitación) o las condiciones del subsuelo (por ejemplo, variando el agua niveles de mesa). El sensor dimensiones y el diseño del aparato descrito puede ser modificado para abordar las necesidades de los diferentes experimentos. El procedimiento de embalaje descrito anteriormente puede ser modificado de manera similar a la cuenta para diferentes configuraciones de embalaje tales como condiciones variables de porosidad y la heterogeneidad del suelo.

Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.

Esta investigación fue financiada por el Premio de la Oficina de Investigación del Ejército de EE.UU. W911NF-04-1-0169, el Centro de Investigación y Desarrollo de Ingeniería (ERDC) y la Fundación Nacional para la Ciencia de subvención EAR-1029069. Además, esta investigación fue apoyada por unos Programas de Verano en Investigación de Pregrado beca de la Escuela de Minas de Colorado. Los autores desean agradecer a Ryan Tolene y Paul Schulte por sus contribuciones.