A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
ويرد بروتوكول لتصميم وبناء خزان التربة ربطه إلى مناخ تسيطر نفق الرياح الصغيرة لدراسة الآثار المترتبة على التأثيرات الجوية على التبخر. والمجهزة على حد سواء خزان التربة ونفق الرياح مع تكنولوجيات الاستشعار لاستمرار قياس الموقع من الظروف البيئية في.
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.
فهم التفاعل بين الأرض والغلاف الجوي أهمية قصوى في فهمنا لكثير من المشاكل العالمية الراهنة مثل تسرب ثاني أكسيد الكربون جيولوجيا-المعزول في التربة، وتغير المناخ والمياه والإمدادات الغذائية، وكشف دقيق للألغام الأرضية، ومعالجة المياه الجوفية والتربة. بالإضافة إلى ذلك، التبادلات الأولية للحرارة والماء التي تدفع الظروف الجوية العالمية والإقليمية تحدث على سطح الأرض. العديد من الظواهر الجوية والمناخية (مثل الأعاصير، شركة ني & # 241؛ س، والجفاف، وما إلى ذلك) هي التي تحرك أساسا من العمليات المرتبطة التفاعلات سطح الغلاف الجوي البرية 1. وبما أن أكثر من نصف سطح الأرض على الأرض القاحلة أو شبه القاحلة 2-4، واصفا بدقة دورة المياه في هذه المناطق على أساس من الحرارة والماء التبادل بين الهواء في الغلاف الجوي وسطح التربة أمر بالغ الأهمية لتحسين فهمنا لل القضايا المذكورة آنفا،لا سيما في المناطق المعرضة للجفاف الممتد والتصحر. ومع ذلك، على الرغم من عقود من البحث، لا تزال هناك العديد من الثغرات المعرفية في الفهم الحالي لكيفية باطن الأرض الضحلة والغلاف الجوي تتفاعل 5.
عمليات النقل التي تنطوي على الماء السائل، وبخار الماء، والحرارة في التربة الحيوية ومقترنة بقوة فيما يتعلق التفاعل مع التربة وتطبق شروط الحدود (أي، درجة الحرارة، الرطوبة النسبية، والإشعاع الحراري). نماذج انتقال الحرارة والكتلة العددية عادة الإفراط أو نغفل عددا من هذه التعقيدات ويرجع ذلك جزئيا إلى عدم وجود اختبار وصقل النظريات القائمة الناتجة عن ندرة البيانات عالية الدقة الزمنية والمكانية. قواعد البيانات المتقدمة من أجل التحقق من نموذج تفتقر في كثير من الأحيان المعلومات في الغلاف الجوي أو تحت سطح الأرض الحاسمة لاختبار النظريات بشكل صحيح، مما أدى إلى النماذج العددية التي لا تمثل بشكل صحيح للاستيرادتعتمد عمليات النمل أو على استخدام المعلمات غير مفهومة التي يتم تعديلها أو تركيبها في النموذج. ويستخدم هذا الأسلوب على نطاق واسع نظرا لبساطته وسهولة الاستخدام، ولها في بعض الطلبات التي تعرض الكثير من الجدارة. ومع ذلك، فإن هذا النهج يمكن تحسينها من خلال فهم أفضل للفيزياء وراء هذه "البارامترات جمعها" عن طريق إجراء التجارب تسيطر عليها بشكل جيد في ظل ظروف عابرة قادرة على اختبار الحرارة ونقل المياه نظرية 6.
التجريب الدقيق في المختبر يسمح مجموعات البيانات الدقيقة لأن تتولد التي يمكن بعد ذلك أن تستخدم للتحقق من صحة النماذج العددية. البيانات المتاحة من المواقع الميدانية وغالبا ما تكون ناقصة ومكلفة للحصول على، ودرجة الرقابة اللازمة للحصول على فهم أساسي للعمليات وتوليد ويمكن اعتبار البيانات اللازمة للتحقق نموذج غير كافية في بعض الحالات. التجارب المختبرية من الظواهر الطبيعية مثل تبخر التربة يسمح ATMOSشروط pheric (أي درجة الحرارة والرطوبة النسبية وسرعة الرياح) وظروف التربة (أي نوع التربة، المسامية، والتعبئة التكوين) أن يكون للرقابة بعناية. العديد من التقنيات المخبرية المستخدمة لدراسة تبخر التربة وخصائص التربة الحرارية والهيدروليكية تستخدم أخذ العينات المدمرة 10/07. تتطلب أساليب أخذ العينات المدمرة التي يتم تفكيك عينة التربة للحصول على بيانات نقطة، ومنع قياس سلوك عابر وتعطيل الخواص الفيزيائية للتربة. هذا النهج يقدم الخطأ وعدم اليقين إلى البيانات. قياسات تدميري، مثل الطريقة المعروضة هنا، والسماح لتحديد أكثر دقة ودراسة الترابط بين خصائص التربة والعمليات 11.
الهدف من هذا العمل هو تطوير جهاز دبابات التربة والبروتوكول المرتبطة لتوليد بيانات عالية الدقة المكانية والزمانية المتعلقة آثار التغيرات في الغلاف الجوي والظروف الموجودة تحت سطح الأرض علىتبخر التربة العارية. لهذا العمل، وربطه نفق الرياح الصغيرة قادرة على الحفاظ على سرعة الرياح ودرجة الحرارة ثابتة مع جهاز دبابات التربة. والمجهزة نفق الرياح وخزان التربة مع مجموعة من حالة تكنولوجيات الاستشعار الفن لجمع البيانات مستقل ومستمر. يتم قياس سرعة الرياح باستخدام الفولاذ المقاوم للصدأ نظام Pitot ثابت أنبوب تعلق على محول الضغط. ويتم رصد درجة الحرارة والرطوبة النسبية في الجو باستخدام نوعين من أجهزة الاستشعار. يتم مراقبة الرطوبة النسبية ودرجة الحرارة أيضا على سطح التربة. أجهزة الاستشعار في رطوبة التربة تحت السطحية مقياس ودرجة الحرارة. وتستخدم قياسات وزن الجهاز دبابة لتحديد التبخر من خلال توازن الكتلة المائية. للتدليل على تطبيق هذا الجهاز التجريبي والبروتوكول، ونحن تقديم مثال التبخر التربة عارية في ظل ظروف مختلفة سرعة الرياح. خزان التربة، ومعبأة بشكل متجانس مع الرمال تتميز بشكل جيد، وكان في البداية سا تماماturated وسمح لتتبخر بحرية تحت الظروف الجوية التي تسيطر عليها بعناية (أي درجة الحرارة وسرعة الرياح).
ملاحظة: يتم إجراء الفحوص المخبرية باستخدام مقاعد البدلاء ثنائي الأبعاد للدبابات على نطاق وربطه مع المناخ تسيطر جهاز نفق الرياح. والمجهزة على حد سواء للدبابات على نطاق ومقاعد البدلاء، ونفق الرياح مع تكنولوجيات الاستشعار المختلفة. فإن بروتوكول التالية أولا مناقشة أعمال البناء والتجهيز للدبابات التربة، تليها مناقشة نفق الرياح والأجهزة على حد سواء. أبعاد الخزان، أبعاد نفق الرياح، وعدد من أجهزة الاستشعار، ونوع تكنولوجيا الاستشعار عرض يمكن تعديلها لتناسب احتياجات محددة انشاء التجريبية. تم استخدام بروتوكول المعروضة أدناه لدراسة تجريبيا آثار سرعة الرياح على تبخر التربة العارية.
1. بناء وإعداد الأوساط المسامية دبابات التربة
الشكل 1: الجبهة تخطيطي والجانب آراء خزان التربة المستخدمة في انشاء التجريبية (أبعاد هي في سم) (أ) المشهد الأمامي للدبابات التربة عرض نظام الشبكة التي تتكون من خمسة وعشرين 5 سم × 5 سم. الساحات. (ب) وجهة النظر جانب خزان التربة، والتي تبين درجة الحرارة المثبتة، والرطوبة النسبية وشبكة استشعار رطوبة التربة باعتبارها وظائفهانشوئها من العمق. لاحظ أن الخطط لم يتم رسمها على نطاق كبير.
2. بناء وإعداد المناخ التحكم نفق الرياح
الشكل 2: استكمال انشاء التجريبية، بما في ذلك دبابات، مجاري الهواء، وأجهزة الاستشعار شبكة (أبعاد هي في سم) مجموعة كاملة تجريبي يتكون من نفق الرياح والتربة للدبابات الأجهزة مجتمعة. نفق الرياحمرتفعة ويجلس مطاردة مع سطح الخزان التربة. والمجهزة للدبابات التربة مع شبكة من أجهزة الاستشعار المستخدمة لقياس مجموعة متنوعة من باطن الأرض والمتغيرات في الغلاف الجوي. الدوائر الشبكة تمثل مواقع لإدراج هذه المجسات. وتستخدم نظام التحكم في التدفئة ومروحة لاصق في خط للسيطرة على درجة الحرارة وسرعة الرياح، على التوالي. يتم استخدام أنبوب نظام Pitot ثابت لقياس سرعة الرياح. جهاز كامل يجلس على نطاق والترجيح للحصول على التوازن الشامل خلال التجريب. لاحظ أن التخطيطي لا تعادل على نطاق كبير.
3. تركيب مجسات
الاستشعار | أجهزة الاستشعار قياسات | عدد من أجهزة الاستشعار العاملين في جهاز التجريبي | استشعار أخذ العينات التردد (دقيقة) |
EC-5 | رطوبة التربة | 25 | 10 |
ECT | التربة / درجة حرارة الهواء | 25 | 10 |
SH-1 | الخصائص الحرارية | 1 | 10 |
EHT | الرطوبة النسبية / درجة الحرارة | 5 | 10 |
كاميرا الأشعة تحت الحمراء | درجة حرارة سطح / التبخر | 1 | 1 |
كاميرا رقمية | تصور تجفيف الجبهة | 1 | 60 |
نظام Pitot أنبوب ثابت | سرعة الرياح | 1 | 10 |
مقياس الترجيح | التراكمي التبخر / معدل التبخر | 1 | 10 |
الجدول 1: ملخص لأجهزة الاستشعار المستخدمة في الجزء التجريبي من الدراسة.
4. حزمة التربة دبابات والتحضير لبدء التجربة
5. بدء التجربة والبدء في جمع البيانات
وكان الهدف من التجربة المقدمة هنا إلى دراسة تأثير سرعة الرياح على التبخر من التربة العارية. وتتلخص خصائص رئيسية للتربة الاختبار المستخدمة في هذه الدراسة في الجدول 2. وأجريت سلسلة من التجارب التي طبقت الشروط الحدية المختلفة على سطح التربة (أي سرعة الريا?...
وكان الغرض من هذا البروتوكول إلى تطوير جهاز التجريبية والإجراءات المرتبطة بها لتوليد البيانات القرار المكانية والزمانية العالية المطلوبة لدراسة التفاعلات في الغلاف الجوي الأرض مع الاحترام للحرارة وعمليات نقل جماعية. الجهاز التجريبي وصفها يتكون من خزان التربة ونف...
تعلن الكتاب أنه ليس لديهم المصالح المالية المتنافسة.
وقد تم تمويل هذا البحث من قبل الجيش الاميركي جائزة مكتب ابحاث W911NF-04-1-0169، مركز البحوث والتطوير الهندسي (ERDC) والمؤسسة الوطنية للعلوم منحة EAR-1029069. بالإضافة إلى ذلك، وأيد هذا البحث من قبل برامج الصيف في المرحلة الجامعية بحوث منح من مدرسة كولورادو للمناجم. الكتاب أود أن أشكر ريان Tolene وبول شولت على مساهماتهم.
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 |
[header] | |||
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. |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved