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&#39;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.

Remarque: Les tests de laboratoire est effectué en utilisant un banc citerne à échelle bidimensionnelle interfacé avec un appareil de soufflerie climatique contrôlée. Tant le banc réservoir d&#39;échelle et la soufflerie sont instrumentées avec différentes technologies de capteurs. Le protocole suivant sera d&#39;abord discuter de la construction et de la préparation de la cuve du sol, suivie d&#39;une discussion de la soufflerie et l&#39;instrumentation des deux. Les dimensions du réservoir, les dimensions en soufflerie, le nombre de capteurs, et le type de technologie de capteur présentées peuvent être modifiées en fonction des besoins d&#39;une installation expérimentale spécifique. Le protocole présenté ci-dessous a été utilisé pour étudier expérimentalement les effets de la vitesse du vent sur l&#39;évaporation sol nu. 1. Construction et Préparation de Porous Media Tank du sol <ol><li> Couper un grand morceau de verre acrylique épaisse de 1,2 cm en cinq volets individuels. Assemblez ces vitres dans un réservoir à toit ouvert avec le sol longueur interne, la largeur et la hauteur de 25, 9,1 et 55 cm, respcace. Verre acrylique permet aux processus dans le sous-sol pour être observé visuellement. </li><li> Dessiner une grille de 5 x 5 qui est de 25 cm sur 25 cm sur chacun des deux grands panneaux de verre (longueur 25 cm et la hauteur 55 cm) comme le montre la figure 1. Veiller à ce que chaque carré dans la grille a une superficie de 25 cm 2 (Figure 1). La grille sera utilisé pour les capteurs convenablement espace intérieur du réservoir de sol. </li></ol><img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/52704/52704fig1highres.jpg" width="700" /> Figure 1: face schématique et des vues de côté de la cuve du sol utilisé pour la mise en place expérimentale (les dimensions sont en centimètres) (a) La vue de face de la cuve du sol où figurent le système de grille constituée de vingt-cinq 5 cm x 5 cm. carrés. (B) La vue de côté de la cuve du sol, montrant la température installé, l&#39;humidité relative et de réseau de capteurs d&#39;humidité du sol comme une fonction de la profondeur. Notez que les schémas ne sont pas à l&#39;échelle. <ol start="3"><li> Sur l&#39;un des grands avions de verre, percer un total de vingt-cinq de 1,9 cm (¾ po) de diamètre pour les capteurs d&#39;humidité du sol. <ol><li> Percer chaque trou au centre de chaque carré de la grille établie à l&#39;étape 1.2 de sorte que les centres des trous de deux carrés contigus sont de 5 cm; le premier ensemble de trous est de 2,5 cm en dessous de la partie supérieure du réservoir. Utilisez les robinets de taille appropriée pour couper les discussions dans chacun des trous nouvellement créées. Le 5 cm espacement entre les capteurs assure que chaque capteur est à l&#39;extérieur du volume d&#39;échantillonnage du capteur le plus proche suivant. </li></ol></li><li> De même, percer et tarauder un total de vingt-cinq 0,635 cm (¼ po) de diamètre des trous dans le centre de chaque case de la grille créée lors de l&#39;étape 1.2. Assurez-vous que le centre de chaque trou est espacés de 5 cm avec la première rangée de trous situés à 2,5 cm au-dessous du sommet de la cuve du sol. Le 5 cm espacement entre capteurs garantit que chaque sensor est en dehors du volume d&#39;échantillonnage du capteur le plus proche suivant. </li><li> Sur le volet acrylique utilisé comme fond de la cuve, percer et tarauder un trou d&#39;un diamètre unique ½ pouce au milieu de la vitre. Coller un tamis à mailles (plus fin que les sols d&#39;essai à utiliser) sur le trou sur le côté interne de la vitre. Sur le côté externe du plan de fond, installer un coude à 90 ° qui est attaché à un tube flexible avec une vanne réglable. Cette valves et tubes sont utilisés pour évacuer l&#39;eau du réservoir à la fin d&#39;une expérience ou comme un moyen d&#39;installer des dispositifs de tête constants pour maintenir des profondeurs de la nappe phréatique constants. </li><li> Utilisez de la colle de qualité marine ou adhésif polymère similaire résistant à l&#39;eau pour fixer et sceller le réservoir ainsi que le montre la figure 1. Laisser l&#39;adhésif sécher pendant une journée. </li><li> Pour soulever le réservoir de la terre et faire de la place pour le coude de 90 ° (Figure 1), joindre deux morceaux supplémentaires de verre acrylique de 1,2 cm d&#39;épaisseur avec length 12 cm et de hauteur 5 cm au fond du réservoir. </li></ol> 2. Construction et préparation du climat contrôlée Wind Tunnel <ol><li> Construire le 215 cm de long partie amont du tunnel de vent de matériau de gaines d&#39;acier galvanisé rectangulaire qui a une largeur de 8,5 cm et une hauteur de 26 cm. Entourer l&#39;extérieur de la gaine avec isolation en polystyrène. </li><li> Percez un petit trou dans le côté de l&#39;œuvre de conduit près de la sortie en aval de la partie amont de la soufflerie pour l&#39;insertion d&#39;un capteur d&#39;humidité relative, température (Figure 2). </li></ol><img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/52704/52704fig2highres.jpg" width="700" /> Figure 2:. Dispositif expérimental complet, y compris le réservoir, de conduits, capteurs grille (les dimensions sont en centimètres) Complétez expérimentale mise en place de l&#39;appareil combiné de la soufflerie et du sol-réservoir. La soufflerie estélevée et affleurant au niveau de la surface de la cuve du sol. Le réservoir du sol est instrumenté avec un réseau de capteurs utilisés pour mesurer une variété de sous-sol et les variables atmosphériques. Les cercles de la grille représentent les emplacements pour insérer ces capteurs. Un système de commande de chauffage et d&#39;un ventilateur de conduit en ligne sont utilisés pour contrôler la vitesse de la température et du vent, respectivement. Le tube de Pitot-statique est utilisé pour mesurer la vitesse du vent. L&#39;ensemble du dispositif est assis sur une échelle de pondération pour obtenir un bilan de masse lors de l&#39;expérimentation. Notez que le schéma est pas à l&#39;échelle. <ol start="3"><li> Installation de cinq éléments de chauffage à infrarouge en céramique positionnés en parallèle à l&#39;intérieur d&#39;un réflecteur le long de la longueur de la partie en amont de la soufflerie. Connecter les éléments chauffants à infrarouge à un système de contrôle de la température réglée par un capteur de température infrarouge. </li><li> Construire la mi-section du tunnel de vent de deux 1.2 cm panneaux acryliques épais avec une longueur et une hauteur de 25 cm et 26 cm respectivement.Percez deux 0,635 cm (¼ po) de diamètre des trous dans l&#39;un des panneaux mi-section d&#39;insérer la température et / ou relatifs capteurs d&#39;humidité-température aux endroits indiqués sur la figure 2. <ol><li> Fixez les panneaux en acrylique au sommet des parois latérales du réservoir du sol (c.-à-panneaux avec des dimensions de 25 cm x 55 cm) à l&#39;aide d&#39;un ruban adhésif fort, assurant que le tunnel de vent et panneaux de réservoir du sol affleurer un avec l&#39;autre. </li></ol></li><li> Construire les 50 premiers centimètres de la partie aval de la soufflerie de la même taille matériau de canalisation rectangulaire décrit à l&#39;étape 2.1. Sur le côté de terminaison, de réduire le matériau de gaine à un conduit rectangulaire autour 15,3 cm de diamètre avec une longueur de 170 cm. Installer un amortisseur de l&#39;acier galvanisé, utilisé pour ajuster la vitesse du vent, à l&#39;extrémité aval du conduit rond de l&#39;aide dans le contrôle de la vitesse du vent. </li><li> Comme dans l&#39;étape 2.2, percer un trou d&#39;un 0,635 cm de diamètre dans le côté de la gaine rectangulaire aval près de l&#39;entrée pour lel&#39;insertion d&#39;un capteur d&#39;humidité relative à la température. Percez un second trou d&#39;un diamètre de 0,635 cm à partir du haut de la gaine rectangulaire le long de la ligne médiane du tunnel de vent. </li><li> Installer un ventilateur en ligne conduit dans le milieu de la gaine (ie, 85 cm en aval de la réduction décrite dans l&#39;étape 2.4) orientés pour expulser l&#39;air de la partie aval de la soufflerie. Interfacer le ventilateur avec un régulateur de vitesse variable pour un contrôle plus précis de la fréquence de rotation et comme résultat une vitesse de vent. </li><li> Utiliser du matériel de soudure et des étagères réglables pour élever et de sécuriser l&#39;appareil de soufflerie. Assurez-vous que le fond de la canalisation en amont et en aval sont de niveau avec la partie supérieure du réservoir du sol (figure 2). </li></ol> 3. Installation des capteurs <ol><li> Avant l&#39;installation dans le réservoir du sol, sécuriser chaque humidité du sol et le capteur de température à l&#39;intérieur d&#39;un boîtier fileté NPT (1,9 cm et 0,635 cm boîtiers, respectivement) et seal avec du mastic à clignoter pour empêcher l&#39;intrusion d&#39;humidité. Ne pas utiliser de produits d&#39;étanchéité à base de silicone, car ils peuvent interférer avec les appareils électroniques au sein de certains capteurs. Guérir les capteurs pendant environ une semaine. </li><li> Avant l&#39;installation dans le réservoir du sol, calibrer les capteurs d&#39;humidité du sol, conformément à la méthode de mélange de α-deux points développé par Sakaki et al. 12. </li><li> Envelopper les filets de chaque logement TNP avec des plombiers ruban avant l&#39;installation dans le réservoir pour aider à fournir une meilleure étanchéité entre le filetage NPT et le verre acrylique. </li><li> Installez un total de 25 humidité et de température du sol capteurs chacun horizontalement à travers les parois de la cuve dans les lieux décrits dans l&#39;étape 1.2. Tordre les câbles de capteur en synchronisation avec le NPT / logement afin de ne pas endommager le câblage interne dans les câbles. Ne pas trop les NTP couple de manière à empêcher le verre de la fissuration. Connecter les capteurs d&#39;humidité du sol et des capteurs de température à leurs données désignésbûcherons. </li><li> Installez 3 relatifs capteurs d&#39;humidité-température sur la surface du sol à des distances de 2,5, 12,5 et 21,5 cm de la pointe du réservoir. Placer les capteurs dans un bon contact avec la surface du sol de sorte que les lectures d&#39;humidité relative reflètent les conditions à la surface du sol plutôt que l&#39;air environnant. Connecter les capteurs à des enregistreurs de données. </li><li> Pour obtenir la température de l&#39;air requise et mesures d&#39;humidité relative dans l&#39;atmosphère, installez relatifs capteurs d&#39;humidité-température dans la section d&#39;écoulement libre de la soufflerie, en utilisant les trous percés dans les sections amont et aval de la soufflerie ainsi que les panneaux. </li><li> Installez un tube de Pitot-statique directement en aval de la cuve du sol à travers le trou de 0,635 cm percé dans le haut de la section de tunnel de vent en aval. Tenir le tube de Pitot-statique à une hauteur de 13 cm à partir du plancher de la section. Connecter le tube de Pitot-statique à un transducteur de pression différentielle. </li><li> Calibratenvoyer le transducteur de pression différentielle. La pression dynamique des mesures de tube de Pitot-statique, qui est défini comme étant la différence de la stagnation et des pressions statiques. La différence de pression est interprété par le transducteur de pression en tant que différence de tension. <ol><li> Mesurer la tension sous aucune condition d&#39;écoulement (tension doit être approximativement égale à 0) et pour l&#39;écoulement d&#39;une pression dynamique connue; ce qui permet à une relation linéaire établie entre la pression dynamique et de la tension. Déterminer la vitesse du vent en appliquant l&#39;équation de Bernoulli: <img alt="Equation 1" fo:content-width="0.8in" src="/files/ftp_upload/52704/52704eq1.jpg" width="100" /> (1) où V (m / sec) est la vitesse du vent, P dynamique (Pa) est la pression dynamique, et ρ (kg / m 3) est la densité de l&#39;air. </li><li> Comparer la vitesse calculée en utilisant l&#39;équation (1) avec un autre dispositif de mesure. Ici, comparez les différentiels de tube tra de pression de Pitot-statiquensducer avec Vélocimétrie Laser Doppler (LDV) des mesures qui a une précision de ± 0,01 m / sec. Remarque: Un résumé des capteurs utilisés et leurs fréquences d&#39;échantillonnage associés peut être trouvé dans le tableau 1 Pour les spécifications de capteurs et d&#39;autres informations, se référer à la documentation ci-jointe / liste d&#39;équipement.. </li></ol></li></ol><table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td> Capteur </td><td> Mesures de capteurs </td><td> Nombre de capteurs utilisés dans un appareil expérimental </td><td> Capteur Fréquence d&#39;échantillonnage (min) </td></tr><tr><td> CE-5 </td><td> L&#39;humidité du sol </td><td> 25 </td><td> 10 </td></tr><tr><td> ECT </td><td> Sol / température de l&#39;air </td><td> 25 </td><td> 10 </td></tr><tr><td> SH-1 </td><td> Propriétés thermiques </td><td> 1 </td><td> 10 </td></tr><tr><td> EHT </td><td> Humidité relative / température </td><td&gt; 5 </td><td> 10 </td></tr><tr><td> Caméra infrarouge </td><td> La température de surface / évaporation </td><td> 1 </td><td> 1 </td></tr><tr><td> Appareil photo numérique </td><td> Visualisation du front de séchage </td><td> 1 </td><td> 60 </td></tr><tr><td> Tube de Pitot statique </td><td> La vitesse du vent </td><td> 1 </td><td> 10 </td></tr><tr><td> Échelle Pondération </td><td> Évaporation taux cumulatif / évaporation </td><td> 1 </td><td> 10 </td></tr></tbody></table> Tableau 1: Sommaire des capteurs utilisés dans la partie expérimentale de la présente étude. 4. Emballez le sol de réservoirs et de préparer le début de l&#39;expérience <ol><li> Avant l&#39;emballage le réservoir avec le sol, tester son intégrité en effectuant un test de fuite. Remplir le réservoir avec de l&#39;eau et d&#39;attendre 4-6 h pour assurer qu&#39;aucune fuite dans la structure ou des capteurs ont développé. <ol><li> Si les fuites se développent, vidanger le réservoir, laisser sécher pendant la nuit et colmater les fuites en utilisant la même marine adhésif utilisé lors de la construction d&#39;origine. Si aucune fuite développent, vider le réservoir du sol et de préparer les étapes ci-dessous. </li></ol></li><li> Déterminer le volume total de la cuve avec des capteurs en place. Remplissez soigneusement le réservoir avec de l&#39;eau à l&#39;aide d&#39;une éprouvette graduée, en veillant à enregistrer la quantité d&#39;eau ajoutée. Convertir le volume total enregistré en centimètres cubes pour une utilisation dans l&#39;étape 4.5. </li><li> Obtenir un sol sec pour emballer le réservoir du sol. Caractériser les propriétés hydrauliques et thermiques du sol sélectionné séparément conformément aux méthodes décrites dans Smits et al. 11 </li><li> Soigneusement humide emballer le réservoir du sol avec de la terre et de l&#39;eau déminéralisée. <ol><li> Mouiller-emballer le réservoir du sol, versez d&#39;abord environ 5 cm d&#39;eau dans le réservoir. Ajouter lentement sol sec à l&#39;eau dans le réservoir, en utilisant un scoop, par incréments de 2,5 cm de profondeur. Noter le poids du sable ajouté au cours de chaque ascenseur, donc la porosité de l&#39;emballage du sol peut être calculée. </li><li> A l&#39;issuede chaque couche, appuyez à plusieurs reprises les parois de la cuve à l&#39;aide d&#39;un maillet en caoutchouc, 100-200 fois, pour obtenir une densité apparente uniforme. Tout en tapant, éviter le contact avec les capteurs et les fils de la sonde. L&#39;utilisation de dispositifs vibratoires doit être évitée afin de ne pas endommager le réseau de capteurs sensibles. </li></ol></li><li> À la fin de l&#39;emballage du réservoir, résumer ensemble les poids de chaque couche de sol (voir l&#39;étape 4.4) pour obtenir la masse totale du sol. Diviser la masse totale de la masse volumique apparente du sol (par exemple, la densité apparente du sable de quartz est de 2,65 g / cm 3) pour déterminer le volume du sable (V s, cm 3). Calculer la porosité (η, m 3 / m 3) du sol dans le réservoir en fonction de: <img alt="Equation 2" fo:content-width="0.8in" src="/files/ftp_upload/52704/52704eq2.jpg" width="100" /> (2) où (V T, m 3) est le volume total de la cuve vide déterminé à l&#39;étape 4.2. </li> &lt;li&gt; Une fois que le réservoir est plein à craquer, placer un couvercle en plastique comme une pellicule sur le réservoir jusqu&#39;à ce que l&#39;expérience est prêt à commencer à prévenir l&#39;apparition de l&#39;évaporation. </li><li> Placez le réservoir sur une échelle de pondération pour surveiller la perte cumulative d&#39;eau qui peut à son tour être utilisé pour calculer le taux d&#39;évaporation. </li><li> Calculer le taux d&#39;évaporation horaire en divisant la perte de poids horaire par le produit de la densité de l&#39;eau et la surface de section transversale de la surface d&#39;évaporation. </li></ol> 5. Lancer l&#39;expérience et de commencer la collecte des données <ol><li> Une fois que le set-up est complet, déterminer les conditions atmosphériques souhaités (c. de température, vitesse du vent). Veiller à ce que les enregistreurs de données et d&#39;autres systèmes d&#39;acquisition de données sont activés et réglés sur les intervalles d&#39;échantillonnage correctes (par exemple, toutes les 10 min). </li><li> Démarrez le système de ventilation et de contrôle de la température. Autoriser les conditions climatiques pour équilibrer avant de retirer le couvercle en plastique sur la surface de la sréservoir d&#39;huile. Exécutez l&#39;expérience pour la durée souhaitée (par exemple, 15 jours). </li></ol>

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Les auteurs déclarent qu&#39;ils ont aucun intérêt financier concurrentes.

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&#39;appareil expérimental décrit composée d&#39;un réservoir de sol et un petit tunnel de vent, les deux qui ont été équipé d&#39;un réseau de capteurs pour la mesure de sol et atmosphériques v...

Comprendre l&#39;interaction entre la terre et l&#39;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&#39;eau et l&#39;approvisionnement alimentaire, la détection précise des mines terrestres, et l&#39;assainissement des eaux souterraines et le sol. En outre, les principaux échanges de chaleur et d&#39;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 &amp; # 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&#39;eau dans ces régions sur la base des échanges de chaleur et d&#39;eau entre l&#39;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&#39;atmosphère peu profonde interagissent 5. Processus de transport liés à l&#39;eau liquide, vapeur d&#39;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&#39;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&#39;affiner les théories existantes résultant d&#39;un manque de données de résolution temporelle et spatiales élevées. Les ensembles de données développés pour la validation du modèle sont souvent manquent d&#39;informations atmosphérique ou subsurface essentiel de tester correctement les théories, résultant dans les modèles numériques qui ne représentent pas correctement à l&#39;importationprocessus de fourmis ou dépendent de l&#39;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&#39;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&quot; en effectuant des expériences bien contrôlées dans des conditions transitoires qui sont capables de chaleur de test et de transfert de l&#39;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&#39;expérimentation des phénomènes naturels tels que l&#39;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&#39;emballage configuration) pour être soigneusement contrôlées. Beaucoup de techniques de laboratoire utilisées pour étudier l&#39;évaporation du sol et des propriétés thermiques et hydrauliques sol utilisent un échantillonnage destructif 7-10. Méthodes d&#39;échantillonnage destructives exigent qu&#39;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&#39;incertitude pour les données. Mesures non destructives, comme la méthode présentée ici, permettent de déterminer de façon plus précise et l&#39;étude de l&#39;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&#39;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&#39;état des technologies de capteurs de l&#39;art pour la collecte de données autonome et continu. La vitesse du vent est mesurée à l&#39;aide d&#39;un tube de Pitot-statique en acier inoxydable fixé à un transducteur de pression. La température et l&#39;humidité relative sont surveillées dans l&#39;atmosphère en utilisant deux types de capteurs. L&#39;humidité relative et la température sont également surveillés à la surface du sol. Capteurs dans l&#39;humidité du sol de mesure de subsurface et de la température. Les mesures de poids de l&#39;appareil du réservoir sont utilisés pour déterminer l&#39;évaporation grâce à un équilibre des masses d&#39;eau. Pour démontrer l&#39;applicabilité de cet appareil expérimental et protocole, nous présentons un exemple de l&#39;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&#39;abord été totalement saturated et autorisés à évaporer librement dans des conditions atmosphériques soigneusement contrôlées (température, vitesse du vent).

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>ECH2O EC-5 Soil Moisture Sensor (25)</td>
			<td>Decagon Devices Inc. Decagon.com</td>
			<td>40593</td>
			<td>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 &#177;3%, and collect data using the Em50 dataloggers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ECT Soil/Air Temperature Sensor (19)</td>
			<td>Decagon Devices Inc. Decagon.com</td>
			<td>40651</td>
			<td>For specifications visit http://www.decagon.com/products/canopy-atmosphere/temperature/ect-air-temperature/. Sampling frequency on 10 minute intervals, accuracy is &#177;0.5&#176;C, Measure within a temperature of 5 and 40&#176;C, and collect data using the Em50 dataloggers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EHT Relative Humidity and Temperature Sensor (5)</td>
			<td>Decagon Devices Inc. Decagon.com</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Sampling Frequency on 10 minute intervals, accuracy is &#177;3% between 5 and 100% relative humidity, and collect data using Em50 data loggers. For more information visit decagon.com</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Em50 Data Logger (10)</td>
			<td>Decagon Devices Inc. Decagon.com</td>
			<td>40800</td>
			<td>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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sartorius Weighing Scale (1)</td>
			<td>Sartorius Corporation</td>
			<td>11209-95</td>
			<td>Sartorius Model 11209-95, Range = 65kg, Resolution = &#177;1g</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Infrared SalamandernCeramic Radiative Heater (1)</td>
			<td>Mor Electric Heating Assoc., Inc. http://www.morelectricheating.com/</td>
			<td>FTE 500-240</td>
			<td>5 heaters needed, adjust to ge thte right ambient/free-flow temperature</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2104 Temperature Control System (1)</td>
			<td>Chromalox</td>
			<td>2104</td>
			<td>Controls the heaters</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Infrared Temperature Sensor Regulator (1)</td>
			<td>Exergen Corporation</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Monitors the heaters temperatures</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless Steel Pitot-Static Tube (1)</td>
			<td>Dwyer Instruments, Inc. http://www.dwyer-inst.com/</td>
			<td>Series 160</td>
			<td>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&#39;s equation.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/2 inch Acrylic (1)</td>
			<td>Colorado Plastics http://www.coloradoplastics.com/</td>
			<td>N/A</td>
			<td>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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Galvanized Steel Ducting Material (1)</td>
			<td>Home Depot</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Material used to build wind- tunnel, and both round and rectangular ducting were used in construction and connected using square-to-round reducer duct</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Variable Speed Controller Connected to an In-Line Duct Fan (1)</td>
			<td>Suncourt, Inc. http://www.suncourt.com/</td>
			<td>VS200</td>
			<td>15.3 cm in Diameter Placed in-line with round duct</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Galvanized Steel Damper (1)</td>
			<td>Home Depot</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Used to control/reduce speeds in the wind tunnel for low velocity data</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Accusand #30/40 (1)</td>
			<td>Unimin Corporation http://www.unimin.com/</td>
			<td>N/A</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

exploring the effects of atmospheric forcings on evaporation: experimental integration of the atmospheric boundary layer and shallow subsurface

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.

L&#39;objectif de l&#39;expérience présentée ici était d&#39;étudier l&#39;effet de la vitesse du vent lors de l&#39;évaporation du sol nu. Principales propriétés du sol de test utilisé dans la présente étude sont résumés dans le tableau 2. Une série d&#39;expériences ont été réalisées dans laquelle différentes conditions aux limites à la surface du sol (par exemple, la vitesse du vent et de la température) ont été appliqués (tableau 3). Bien que quatre...

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Exploring the Effects of Atmospheric Forcings on Evaporation: Experimental Integration of the Atmospheric Boundary Layer and Shallow Subsurface

Un protocole pour la conception et la construction d&#39;un réservoir de sol relié à un petit climat contrôlé soufflerie pour étudier les effets des forçages atmosphériques sur l&#39;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.

Explorer les effets des forçages atmosphériques sur évaporation: l&#39;intégration expérimentale de la couche limite atmosphérique et de subsurface

Evaporation is directly influenced by the interactions between the atmosphere, land surface and soil subsurface. This work aims to experimentally study ...

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Research

JoVE Journal

Environment

8.6K vues.  Colorado School of Mines.  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. 

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Surface Renewal: An Advanced Micrometeorological Method for Measuring and Processing Field-Scale Energy Flux Density Data

Advanced micrometeorological methods have become increasingly important in soil, crop, and environmental sciences. For many scientists without formal training in atmospheric science, these techniques are relatively inaccessible. Surface renewal and other flux measurement methods require an understanding of boundary layer meteorology and extensive training in instrumentation and multiple data management programs. To improve accessibility of these techniques, we describe the underlying theory of surface renewal measurements, demonstrate how to set up a field station for surface renewal with eddy covariance calibration, and utilize our open-source turnkey data logger program to perform flux data acquisition and processing. The new turnkey program returns to the user a simple data table with the corrected fluxes and quality control parameters, and eliminates the need for researchers to shuttle between multiple processing programs to obtain the final flux data. An example of data generated from these measurements demonstrates how crop water use is measured with this technique. The output information is useful to growers for making irrigation decisions in a variety of agricultural ecosystems. These stations are currently deployed in numerous field experiments by researchers in our group and the California Department of Water Resources in the following crops: rice, wine and raisin grape vineyards, alfalfa, almond, walnut, peach, lemon, avocado, and corn.

Surface renewal is a micrometeorological method that is being used increasingly to determine energy fluxes, but its technical complexity makes it inaccessible to a broad audience. We describe the steps needed to set up and calibrate a surface renewal field station, to acquire and process data, and to correctly interpret results.

Advanced micrometeorological methods have become  increasingly important in soil, crop, and environmental sciences.  For many scientists without formal ...

Recherche

Environnement

Laboratory Simulation of an Iron(II)-rich Precambrian Marine Upwelling System to Explore the Growth of Photosynthetic Bacteria

A conventional concept for the deposition of some Precambrian Banded Iron Formations (BIF) proceeds on the assumption that ferrous iron [Fe(II)] upwelling from hydrothermal sources in the Precambrian ocean was oxidized by molecular oxygen [O2] produced by cyanobacteria. The oldest BIFs, deposited prior to the Great Oxidation Event (GOE) at about 2.4 billion years (Gy) ago, could have formed by direct oxidation of Fe(II) by anoxygenic photoferrotrophs under anoxic conditions. As a method for testing the geochemical and mineralogical patterns that develop under different biological scenarios, we designed a 40 cm long vertical flow-through column to simulate an anoxic Fe(II)-rich marine upwelling system representative of an ancient ocean on a lab scale. The cylinder was packed with a porous glass bead matrix to stabilize the geochemical gradients, and liquid samples for iron quantification could be taken throughout the water column. Dissolved oxygen was detected non-invasively via optodes from the outside. Results from biotic experiments that involved upwelling fluxes of Fe(II) from the bottom, a distinct light gradient from top, and cyanobacteria present in the water column, show clear evidence for the formation of Fe(III) mineral precipitates and development of a chemocline between Fe(II) and O2. This column allows us to test hypotheses for the formation of the BIFs by culturing cyanobacteria (and in the future photoferrotrophs) under simulated marine Precambrian conditions. Furthermore we hypothesize that our column concept allows for the simulation of various chemical and physical environments &#8212; including shallow marine or lacustrine sediments.

Laboratory Simulation of an IronII-rich Precambrian Marine Upwelling System to Explore the Growth of Photosynthetic Bacteria

We simulated a Precambrian ferruginous marine upwelling system in a lab-scale vertical flow-through column. The goal was to understand how geochemical profiles of O2 and Fe(II) evolve as cyanobacteria produce O2. The results show the establishment of a chemocline due to Fe(II) oxidation by photosynthetically produced O2.

Laboratoire de simulation d&#39;un fer (II) riche système Upwelling précambrien Marine à explorer la croissance des bactéries photosynthétiques

A conventional concept for the deposition of some Precambrian Banded Iron Formations (BIF) proceeds on the assumption that ferrous iron [Fe(II)] upwelling ...

Extraction and Characterization of Surfactants from Atmospheric Aerosols

Surface-active compounds, or surfactants, present in atmospheric aerosols are expected to play important roles in the formation of liquid water clouds in the Earth&#39;s atmosphere, a central process in meteorology, hydrology, and for the climate system. But because specific extraction and characterization of these compounds have been lacking for decades, very little is known on their identity, properties, mode of action and origins, thus preventing the full understanding of cloud formation and its potential links with the Earth&#39;s ecosystems.
In this paper we present recently developed methods for 1) the targeted extraction of all the surfactants from atmospheric aerosol samples and for the determination of 2) their absolute concentrations in the aerosol phase and 3) their static surface tension curves in water, including their Critical Micelle Concentration (CMC). These methods have been validated with 9 references surfactants, including anionic, cationic and non-ionic ones. Examples of results are presented for surfactants found in fine aerosol particles (diameter &#60;1 &#956;m) collected at a coastal site in Croatia and suggestions for future improvements and other characterizations than those presented are discussed.

Methods are presented for the targeted extraction of surfactants present in atmospheric aerosols and the determination of their absolute concentrations and surface tension curves in water, including their Critical Micelle Concentration (CMC).

Extraction et caractérisation des tensio-actifs de l&#39;atmosphère Aérosols

Surface-active compounds, or surfactants, present in atmospheric aerosols are expected to play important roles in the formation of liquid water clouds in ...

Data Processing Methods for 3D Seismic Imaging of Subsurface Volcanoes: Applications to the Tarim Flood Basalt

The morphology and structure of plumbing systems can provide key information on the eruption rate and style of basalt lava fields. The most powerful way to study subsurface geo-bodies is to use industrial 3D&#160;reflection seismological imaging. However, strategies to image subsurface volcanoes are very different from that of oil and gas reservoirs. In this study, we process seismic data cubes from the Northern Tarim Basin, China, to illustrate how to visualize sills through opacity rendering techniques and how to image the conduits by time-slicing. In the first case, we isolated probes by the seismic horizons marking the contacts between sills and encasing strata, applying opacity rendering techniques to extract sills from the seismic cube. The resulting detailed sill morphology shows that the flow direction is from the dome center to the rim. In the second seismic cube, we use time-slices to image the conduits, which corresponds to marked discontinuities within the encasing rocks. A set of time-slices obtained at different depths show that the Tarim flood basalts erupted from central volcanoes, fed by separate pipe-like conduits.

Three-dimensional (3D) reflection seismology is a powerful method for imaging subsurface volcanoes. By using industrial 3D seismological data from the Tarim Basin, we illustrate how to extract the sills and the conduits of subsurface volcanoes from seismic data cubes.

Méthodes de traitement des données d’imagerie sismique 3D des volcans sous la surface : des Applications pour le basalte d’inondation de Tarim

The morphology and structure of plumbing systems can provide key information on the eruption rate and style of basalt lava fields. The most powerful way ...

Experimental Methods of Dust Charging and Mobilization on Surfaces with Exposure to Ultraviolet Radiation or Plasmas

Electrostatic dust transport has been hypothesized to explain a number of observations of unusual planetary phenomena. Here, it is demonstrated using three recently developed experiments in which dust particles are exposed to thermal plasma with beam electrons, beam electrons only, or ultraviolet (UV) radiation only. The UV light source has a narrow bandwidth in wavelength centered at 172 nm. The beam electrons with the energy of 120 eV are created with a negatively biased hot filament. When the vacuum chamber is filled with the argon gas, a thermal plasma is created in addition to the electron beam. Insulating dust particles of a few tens of microns in diameter are used in the experiments. Dust particles are recorded to be lofted to a height up to a few centimeters with a launch speed up to 1 m/s. These experiments demonstrate that photo and/or secondary electron emission from a dusty surface changes the charging mechanism of dust particles. According to the recently developed &#34;patched charge model&#34;, the emitted electrons can be re-absorbed inside microcavities between neighboring dust particles below the surface, causing the accumulation of enhanced negative charges on the surrounding dust particles. The repulsive forces between these negatively charged particles may be large enough to mobilize and lift them off the surface. These experiments present the advanced understanding of dust charging and transport on dusty surfaces, and laid a foundation for future investigations of its role in the surface evolution of airless planetary bodies.

Dust charging and mobilization is demonstrated in three experiments with exposure to thermal plasma with beam electrons, beam electrons only, or ultraviolet (UV) radiation only. These experiments present the advanced understanding of electrostatic dust transport and its role in shaping the surfaces of airless planetary bodies.

Méthodes expérimentales de charge de poussière et de mobilisation sur les Surfaces à l’exposition au rayonnement Ultraviolet ou Plasmas

Electrostatic dust transport has been hypothesized to explain a number of observations of unusual planetary phenomena. Here, it is demonstrated using ...

Determination of the Settling Rate of Clay/Cyanobacterial Floccules

The mechanisms underpinning the deposition of fine-grained, organic-rich sediments are still largely debated. Specifically, the impact of the interaction of clay particles with reactive, planktonic cyanobacterial cells to the sedimentary record is under studied. This interaction is a potentially major contributor to shale depositional models. Within a lab setting, the flocculation and sedimentation rates of these materials can be examined and measured in a controlled environment. Here, we detail a protocol for measuring the sedimentation rate of cyanobacterial/clay mixtures. This methodology is demonstrated through the description of two sample experiments: the first uses kaolin (a dehydrated form of kaolinite) and Synechococcus sp. PCC 7002 (a marine coccoid cyanobacteria), and the second uses kaolin and Synechocystis sp. PCC 6803 (a freshwater coccoid cyanobacteria). Cyanobacterial cultures are mixed with varying amounts of clay within a specially designed tank apparatus optimized to allow continuous, real-time video and photographic recording. The sampling procedures are detailed as well as a post-collection protocol for precise measurement of chlorophyll a from which the concentration of cyanobacterial cells remaining in suspension can be determined. Through experimental replication, a profile is constructed that displays sedimentation rate.

The interaction and sedimentation of the clay and bacterial cells within the marine realm, observed in natural environments, can be best investigated in a controlled lab environment. Here, we describe a detailed protocol, which outlines a novel method for measuring the sedimentation rate of clay and cyanobacterial floccules.

Détermination du taux d’argile/cyanobactéries venait s’installer

The mechanisms underpinning the deposition of fine-grained, organic-rich sediments are still largely debated. Specifically, the impact of the interaction ...

In Situ Hybridization Techniques for Paraffin-Embedded Adult Coral Samples

Corals are important ocean invertebrates that are critical for overall ocean health as well as human health. However, due to human impacts such as rising ocean temperatures and ocean acidification, corals are increasingly under threat. To tackle these challenges, advances in cell and molecular biology have proven to be crucial for diagnosing the health of corals. Modifying some of the techniques commonly used in human medicine could greatly improve researchers&#39; ability to treat and save corals. To address this, a protocol for in situ hybridization used primarily in human medicine and evolutionary developmental biology has been adapted for use in adult corals under stress.
The purpose of this method is to visualize the spatial expression of an RNA probe in adult coral tissue that has been embedded in paraffin and sectioned onto glass slides. This method focuses on removal of the paraffin and rehydration of the sample, pretreatment of the sample to ensure permeability of the sample, pre-hybridization incubation, hybridization of the RNA probe, and visualization of the RNA probe. This is a powerful method when using non-model organisms to discover where specific genes are expressed, and the protocol can be easily adapted for other non-model organisms. However, the method is limited in that it is primarily qualitative, because expression intensity can vary depending on the amount of time used during the visualization step and the concentration of the probe. Furthermore, patience is required, as this protocol can take up to 5 days (and in many cases, longer) depending on the probe being used. Finally, non-specific background staining is common, but this limitation can be overcome.

In Situ Hybridization Techniques for Paraffin-Embedded Adult Coral Samples

The goal of this protocol is to perform in situ hybridization on adult coral samples that have been embedded in paraffin and sectioned onto glass slides. This is a qualitative method used to visualize the spatial expression of an RNA anti-sense probe in paraffin-embedded tissues.

In Situ Techniques d’hybridation pour échantillons de corail adultes paraffine

Corals are important ocean invertebrates that are critical for overall ocean health as well as human health. However, due to human impacts such as rising ...

Sampling, Sorting, and Characterizing Microplastics in Aquatic Environments with High Suspended Sediment Loads and Large Floating Debris

The ubiquitous presence of plastic debris in the ocean is widely recognized by the public, scientific communities, and government agencies. However, only recently have microplastics in freshwater systems, such as rivers and lakes, been quantified. Microplastic sampling at the surface usually consists of deploying drift nets behind either a stationary or moving boat, which limits the sampling to environments with low levels of suspended sediments and floating or submerged debris. Previous studies that employed drift nets to collect microplastic debris typically used nets with &#8805;300 &#181;m mesh size, allowing plastic debris (particles and fibers) below this size to pass through the net and elude quantification. The protocol detailed here enables: 1) sample collection in environments with high suspended loads and floating or submerged debris and 2) the capture and quantification of microplastic particles and fibers &lt;300 &#181;m. Water samples were collected using a peristaltic pump in low-density polyethylene (PE) containers to be stored before filtering and analysis in the lab. Filtration was done with a custom-made microplastic filtration device containing detachable union joints that housed nylon mesh sieves and mixed cellulose ester membrane filters. Mesh sieves and membrane filters were examined with a stereomicroscope to quantify and separate microplastic particulates and fibers. These materials were then examined using a micro-attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectrometer (micro ATR-FTIR) to determine microplastic polymer type. Recovery was measured by spiking samples using blue PE particulates and green nylon fibers; percent recovery was determined to be 100% for particulates and 92% for fibers. This protocol will guide similar studies on microplastics in high velocity rivers with high concentrations of sediment. With simple modifications to the peristaltic pump and filtration device, users can collect and analyze various sample volumes and particulate sizes.

Most microplastic research to date has occurred in marine systems where suspended solid levels are relatively low. Focus is now shifting to freshwater systems, which may feature high sediment loads and floating debris. This protocol addresses collecting and analyzing microplastic samples from aquatic environments that contain high suspended solid loads.

Échantillonnage, tri et caractériser les microplastiques dans les milieux aquatiques avec les charges de sédiments en suspension haute et les gros débris flottant

The ubiquitous presence of plastic debris in the ocean is widely recognized by the public, scientific communities, and government agencies. However, only ...

Design and Use of an Apparatus for Quantifying Bivalve Suspension Feeding at Sea

As shellfish aquaculture moves from coastal embayments and estuaries to offshore locations, the need to quantify ecosystem interactions of farmed bivalves (i.e., mussels, oysters, and clams) presents new challenges. Quantitative data on the feeding behavior of suspension-feeding mollusks is necessary to determine important ecosystem interactions of offshore shellfish farms, including their carrying capacity, the competition with the zooplankton community, the availability of trophic resources at different depths, and the deposition to the benthos. The biodeposition method is used to quantify feeding variables in suspension-feeding bivalves in a natural setting and represents a more realistic proxy than laboratory experiments. This method, however, relies upon a stable platform to satisfy the requirements that water flow rates supplied to the shellfish remain constant and the bivalves are undisturbed. A flow-through device and process for using the biodeposition method to quantify the feeding of bivalve mollusks were modified from a land-based format for shipboard use by building a two-dimensional gimbal table around the device. Planimeter data reveal a minimal pitch and yaw of the chambers containing the test shellfish despite boat motion, the flow rates within the chambers remain constant, and operators are able to collect the biodeposits (feces and pseudofeces) with sufficient consistency to obtain accurate measurements of the bivalve clearance, filtration, selection, ingestion, rejection, and absorption at offshore shellfish aquaculture sites.

A flow-through device for using the biodeposition method to quantify filtration and feeding behavior of bivalve mollusks was modified for shipboard use. A two-dimensional gimbal table built around the device isolates the apparatus from boat motion, thereby allowing the accurate quantification of bivalve filtration variables at offshore shellfish aquaculture sites.

Conception et utilisation d’un appareil pour quantifier la Suspension Bivalve alimentation en mer

As shellfish aquaculture moves from coastal embayments and estuaries to offshore locations, the need to quantify ecosystem interactions of farmed bivalves ...

An Experimental Protocol for Studying Mineral Effects on Organic Hydrothermal Transformations

Organic-mineral interactions are widely occurring in hydrothermal environments, such as hot springs, geysers on land, and the hydrothermal vents in the deep ocean. Roles of minerals are critical in many hydrothermal organic geochemical processes. Traditional hydrothermal methodology, which includes using reactors made of gold, titanium, platinum, or stainless-steel, is usually associated with the high cost or undesired metal catalytic effects. Recently, there is a growing tendency for using the cost-effective and inert quartz or fused silica glass tubes in hydrothermal experiments. Here, we provide a protocol for carrying out organic-mineral hydrothermal experiments in silica tubes, and we describe the essential steps in the sample preparation, experimental setup, products separation, and quantitative analysis. We also demonstrate an experiment using a model organic compound, nitrobenzene, to show the effect of an iron-containing mineral, magnetite, on its degradation under a specific hydrothermal condition. This technique can be applied to study complex organic-mineral hydrothermal interactions in a relatively simple laboratory system.

Earth-abundant minerals play important roles in the natural hydrothermal systems. Here, we describe a reliable and cost-effective method for the experimental investigation of organic-mineral interactions under hydrothermal conditions.

Un protocole expérimental pour l’étude des effets minéraux sur les Transformations hydrothermiques organiques

Organic-mineral interactions are widely occurring in hydrothermal environments, such as hot springs, geysers on land, and the hydrothermal vents in the ...