蒸発させる上で大気強制力の影響を探る：大気境界層と浅い地下の実験的インテグレーション

要約

蒸発で大気の強制力の影響を研究するために、小さな空調風洞にインタフェース土壌タンクの設計と建設のためのプロトコルを提示します。土壌タンクと風洞の両方が環境条件のその場測定の連続のためのセンサー技術が装備されています。

要約

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.

概要

陸と大気との間の相互作用を理解することは、土壌、気候変動、水や食糧供給の地質学的に隔離二酸化炭素、地雷の正確な検出、および地下水の浄化の漏れなど、現在の多くの世界の問題の理解に非常に重要です土壌。また、世界と地域の気象条件を駆動する熱と水の主なやり取りは、地球の表面で発生します。多くの気象や気候現象（ 例えば 、ハリケーン、エルニッケル＆＃241; O、干ばつなど ） は 、主に大気陸面相互作用¹に関連付けられているプロセスによって駆動されます。地球上の地表面の半分以上は、乾燥または正確に大気と土壌表面との間の熱と水の交流に基づいてこれらの地域の水循環を記述し^、2-4を半乾燥であるとしての我々の理解を向上させるために重要です前述の問題、特に、拡張干ばつや砂漠化に脆弱な地域です。しかし、研究の数十年にもかかわらず、まだ浅い地下の雰囲気は⁵どのように相互作用するかについての現在の理解には多くの知識のギャップが残っています。

土壌中に液体の水、水蒸気、及び熱を伴う輸送プロセスは動的であり、強く土壌との相互作用に対して結合され、境界条件（ すなわち 、温度、相対湿度、熱放射）を施行しました。数値熱および質量移動モデルは、一般的に、高い時間·空間分解能データの不足に起因する既存の理論のテストと洗練性の欠如に一部起因し、これらの複雑さの数を単純化し過ぎるか見渡せます。モデルの検証のために開発されたデータセットは、しばしば正常にインポートを考慮していない数値モデルで、その結果、適切な理論をテストするために重要な大気や地下情報が不足していますアリのプロセスまたはモデルで調整または取り付けられてあまり理解のパラメータの使用に依存します。このアプローチは広くによる使用のその単純さと使いやすさに使用され、いくつかの用途で多くのメリットを示しています。しかし、このアプローチは、より良いテスト熱及び水輸送理論⁶可能である過渡条件下でよく制御された実験を行うことにより、これらの「集中パラメータ化」の背後の物理学を理解することによって大幅に改善することができます。

実験室での慎重な実験は、高精度のデータセットは、その後、数値モデルを検証するために使用することができる生成することができます。フィールドサイトから利用可能なデータは、多くの場合、入手が不完全で高価であり、プロセスの基本的な理解を得るために、モデルの検証のためのデータを生成するために必要な制御の程度は、ある場合には不十分と考えられます。このような土壌蒸発のような自然現象の実験室での実験は、アトモスを可能にしますpheric条件（ すなわち 、温度、相対湿度、風速）と土壌条件（ すなわち 、土壌の種類、多孔性、構成パッキング）を注意深く制御することができます。土壌の蒸発と土壌熱及び油圧特性を研究するために使用される多くの実験技術は、破壊的なサンプリング^7-10を使用しています。破壊的サンプリング方法は、過渡的挙動の測定を防止し、土壌の物理的性質を破壊し、土壌サンプルを点データを取得するために展開されることを必要とします。このアプローチは、データに誤りや不確実性を導入します。非破壊測定は、ここに提示された方法と同様に、土壌特性の相互依存性をより正確に決意し、研究を可能にし^、11を処理します。

この研究の目的は、上で大気や地下条件の変化の影響に関係する高い空間及び時間分解能のデータを生成するための土壌槽装置と関連するプロトコルを開発することです裸の土壌蒸発。この作業のために、一定の風速及び温度を維持することができる小さな風洞土壌槽装置とインターフェースされます。風洞や土壌タンクは自律的かつ継続的なデータ収集のための技術のセンサ技術の状態の一式が装備されています。風速は、圧力変換器に取り付けられたステンレス鋼製のピトー静管を用いて測定されます。温度および相対湿度は、2種類のセンサを使用して、大気中でモニターされます。相対湿度と温度は、土壌表面で監視されています。地下対策土壌水分や温度センサー。タンク装置の重量測定は、水の質量収支を介して蒸発を決定するために使用されます。この実験装置およびプロトコルの適用性を実証するために、我々は、様々な風速の条件下での裸の土壌蒸発の例を提示します。土槽は、十分に特徴付け砂を均一に充填し、最初は完全にSAました（ すなわち 、温度、風速）turatedと慎重に制御大気条件下で自由に蒸発させます。

プロトコル

注：臨床検査は、気候制御風洞装置とインターフェース二次元ベンチスケールタンクを使用して実行されます。ベンチスケールタンクと風洞の両方が、様々なセンサー技術が装備されています。以下のプロトコルは、最初の風洞との両方の計測器の説明に続いて、土槽の構築と準備について説明します。提示タンク寸法、風洞寸法、センサの数、センサ技術の種類は、特定の実験設定のニーズに合わせて変更することができます。以下に示すプロトコルは、実験的に裸の土壌蒸発の風速の影響を研究するために使用されました。

1.多孔質媒体土壌タンクの構築と準備

1. 5個々のペインに1.2センチメートル厚いアクリルガラスの大部分をカットします。内部の長さ、幅、および25、9.1、55センチ、高さとオープン突破土槽にこれらのペインを組み立て、RESPectively。アクリルガラスは、表面下の処理が視覚的に観察することができます。
2. 図1に示すように、2つの大きなガラス板（長さ25センチメートル、高さ55センチメートル）のそれぞれに25センチメートル25センチ、5×5のグリッドを描画します。グリッド内の各正方形を25 cm ²の面積を有していることを確認してください（ 図1）。グリッドは、センサは、土壌槽内で適切に空間に使用されます。

図1：実験の設定に使用する土槽の概略正面および側面図（寸法はセンチメートルである）（a）の土壌槽の正面図は、x 5センチメートル二 ​​十から五5cmのからなるグリッドシステムを表示します。正方形。 （b）は、土壌タンクの側面図、FUNCように設置された温度、相対湿度、土壌水分センサネットワークを示します深さの化。回路図は、縮尺通りに描かれていないことに注意してください。

3. 大きなガラス面の一方に25枚1.9センチメートル（¾インチ）土壌水分センサーの直径の穴の合計をドリル。
   1. 2当接する四角形の穴の中心を5センチ離れているように、ステップ1.2に設立され、グリッド内の各正方形の中央にそれぞれ穴を開け、穴の第1のセットは、タンクの上部2.5未満cmです。新しく作成された穴のそれぞれにスレッドをカットするために適切なサイズのタップを使用してください。センサ間5cmの間隔は、各センサは、次に最も近いセンサーのサンプルボリュームの外にあることを保証します。
4. 同様に、ドリルやステップ1.2の間に作成した各グリッドボックスの中心に二十から五0.635センチメートル（1/4インチ）直径の穴の合計をタップします。各穴の中心が2.5センチメートル土槽の上部の下方に位置する穴の最初の行で5センチメートル離間されていることを確認します。センサ間の5cmの間隔は、各sことを保証しますアンソールは次に最も近いセンサのサンプルボリュームの外にあります。
5. タンクの底部として使用されるアクリルペインで、ドリル、ペインの中央に単一の½インチ径の穴をタップします。ガラスの内側の穴の上に（使用されるテストの土壌よりも細かい）メッシュスクリーンを接着。底面の外側に、調節可能な弁をフレキシブルチューブに接続されている90°エルボーをインストールしてください。このバルブとチューブは、実験の終了時に、または一定の水のテーブルの深さを維持するための一定のヘッド装置をインストールする方法として、タンクから水を排出するために使用されます。
6. 図1に示すように一緒にタンクを取り付け、密封するために、海洋グレードの接着剤または類似の耐水性ポリマー接着剤を使用してください。接着剤は、一日のために硬化させます。
7. 地面から離れてタンクを上げ、90°エルボ（ 図1）のためのスペースを作る、lengtで1.2センチメートル厚いアクリルガラスの二つの追加の部品を接続するにはタンクの底にH 12センチ、高さ5センチメートル。

2.気候制御風洞の構築と準備

1. 8.5センチメートルの幅26センチ高さを有する矩形状の亜鉛メッキ鋼ダクト材料から風洞215センチの上流部を構成しています。ポリスチレン断熱材とダクトの外側を囲みます。
2. 相対湿度·温度センサを挿入するための風洞の上流部の下流出口付近ダクト工事の側に小さな穴を開けます（ 図2）。

図2：タンク、配管、センサーグリッド（寸法はセンチメートルである）を含む、完全な実験設定は、組み合わせ風洞や土壌タンク装置の実験的なセットアップを完了します。風洞があります上昇と土壌タンクの表面と同一平面に位置しています。土壌は、地下タンクと大気の変数の多様性を測定するために使用されるセンサネットワークが装備されています。グリッド円は、これらのセンサを挿入するための場所を表します。加熱制御システムとインラインダクトファンは、それぞれ、温度と風速を制御するために使用されます。ピトー管は、静的な風速を測定するために使用されます。装置全体は、実験中の質量バランスを得るために、重み付けスケールに位置しています。概略は、一定の縮尺で描かれていないことに注意してください。

3. 風洞の上流部の長さに沿って反射鏡内に平行に配置5セラミック赤外線加熱要素をインストールします。赤外線温度センサにより温度調節制御システムに赤外線加熱要素を接続します。
4. それぞれ25センチメートルおよび26センチの長さと高さを持つ2つの1.2センチメートル厚いアクリルパネルのうち風洞の中央部分を構築します。図2に示される位置での温度および/ ​​または湿度、温度センサを挿入するために中央部分のパネルの1つ二つ0.635センチメートル（1/4インチ）直径の穴をドリル。
   1. 風洞や土壌タンクパネルが互いに同一平面に座っていることを保証する、強力な粘着テープを使用して（25センチ×55センチメートル寸法を有する、すなわち 、パネル）土壌槽の側壁の上部にアクリルパネルを固定します。
5. ステップ2.1で説明したのと同じサイズの矩形ダクト材料から風洞の下流部分の最初の50センチ構築します。着信側で170センチ長さ15.3センチ、直径円形ダクトに矩形ダクト材料を減らすことができます。亜鉛メッキ鋼ダンパーを取り付け、風の速度制御の補助のための円形ダクトの遠下流端に、風速を調整するために使用。
6. ステップ2.2のように、のための入口付近下流矩形ダクトの側面に1 0.635センチメートル直径の穴を開け相対湿度·温度センサを挿入します。風洞の中心線に沿った矩形ダクトの上から二番目0.635センチメートル直径の穴を開けます。
7. 風洞の下流部分から空気を排出するように配向（ステップ2.4で説明した縮小から、すなわち 、85センチメートル下流）円形ダクトの途中でのインラインダクトファンを取り付けます。回転数をより正確に制御するため、結果風速などの可変速度制御器とファンとのインタフェース。
8. 風洞装置を上昇し、確保するために溶接材料と調節可能な棚ユニットを使用してください。上流と下流の配管の底は土槽（ 図2）の頂部と同一平面であることを確認してください。

センサーの3.インストール

1. 土槽内のインストールの前に、ねじNPT（1.9センチ、0.635センチメートルハウジング）ハウジングとSE内の各土壌水分と温度センサーを確保水分の浸入を防止するために、シーラントを点滅でアル。彼らはいくつかのセンサ内の電子機器を妨害することができるようシリコーン系シーリング材の製品を使用しないでください。約1週間のためのセンサを治します。
2. 土壌槽内に設置する前に、榊ら ¹²によって開発された2点α混合法に従って土壌水分センサーを校正します。
3. NPTスレッドとアクリルガラスとの間のより良好なシールを提供するのに役立つようにタンク内に設置する前に、配管工のテープで各NPTハウジングのスレッドをラップします。
4. ステップ1.2で説明した場所で、タンクの壁を介して水平方向に25土壌水分と温度センサーの合計をインストールします。ケーブル内の内部配線に損傷を与えないようにNPTフィッティング/ハウジングに同期してセンサケーブルをねじります。割れたガラスを防止するために、オーバートルクNPTSをしないでください。土壌水分センサと温度センサは、その指定されたデータへの接続しますロガー。
5. タンクの先端から2.5、12.5および21.5センチメートルの距離で土壌表面上の3相対湿度温度センサーを取り付けます。相対湿度の測定値は、土壌表面での条件ではなく、周囲の空気を反映するように土壌表面との良好な接触にセンサーを配置します。データロガーにセンサーを接続します。
6. 大気中の必要な空気の温度と相対湿度の測定値を得るために、風洞の上流と下流のセクションだけでなく、パネルを開けた穴を使用して、風洞のフリーフローのセクションで、相対湿度、温度センサーを設置。
7. 下流の風洞部の上部に開け0.635センチメートルホールを介して土壌槽​​の下流に直接ピトー静圧管をインストールしてください。セクションの床から21センチの高さにピトー静圧管を保持します。差圧トランスデューサにピトー静圧管を接続します。
8. セイ差圧トランスデューサを電子。停滞と静圧の差として定義されるピトー静圧管対策動圧。圧力差は、電圧差として圧力変換器により解釈されます。
   1. 流れがない条件で電圧を測定（電圧が0にほぼ等しくなるべきである）、および既知の動圧の流れのために、これは、線形関係が動圧と電圧との間に確立されることを可能にします。ベルヌーイの方程式を適用することにより風速を決定します。
      （1）
      V（メートル/秒）風速、P _{ダイナミック} （Pa）である動圧、およびρ（キログラム/ m ^3）であり、空気の密度です。
   2. 他の測定装置と、式（1）を用いて計算した速度の比較。ここでは、ピトー静圧管の差圧TRAを比較レーザードップラー流速計（LDV）±0.01メートル/秒の精度を有する測定とnsducer。
      注：使用され、それらに関連するサンプリング周波数は、 表1に見ることができるセンサの概要を、センサの仕様およびその他の情報については、同封の材料/機器リストを参照してください。

センサー	センサ計測	実験装置に適用センサの数	センサーサンプリング周波数（分）
EC-5	土壌水分	25	10
ECT	土壌/気温	25	10
SH-1	熱特性	1	10
EHT	相対湿度/温度	5	10
赤外線カメラ	表面温度/蒸発	1	1
デジタルカメラ	乾燥前の可視化	1	60
ピトー静圧管	風速	1	10
重み付けスケール	累積蒸発/蒸着レート	1	10

表1：本研究の実験部分に使用されるセンサのまとめ。

4.土壌タンクをパックし、実験開始の準備

1. 土壌とタンクを充填する前には、リークテストを行うことにより、その完全性をテストします。水でタンクを満たし、構造またはセンサには漏れが発生しなかったことを確認し、4〜6時間を待ちます。
   1. 漏れが開発する場合、それは一晩乾燥させ、同じMを使用してリークを修正し、タンクを排水元の建設中に使用arine接着剤。漏れが開発していない場合は、土槽を排水し、以下の手順の準備をします。
2. 代わりにセンサーを備えたタンクの総容量を決定します。慎重に添加する水の量を記録して確認して、メスシリンダーを用いて水でタンクを埋めます。ステップ4.5で使用するための立方センチメートルに記録された総容量に変換します。
3. 土槽をパックするために乾燥土壌を入手します。スミッツら論じた方法に従って別々に選択された土壌の油圧および熱的特性を特徴づける^。11
4. 慎重に土と脱イオン水を用いて土壌槽をウェットパック。
   1. 土槽を濡らすパックには、第1タンクへの水の約5cmを注ぎます。ゆっくりと2.5センチメートル深さの増分で、スクープを使用して、タンク内の水に乾燥土壌を追加します。土壌の梱包の気孔率を算出することができるように、各リフトの間に加えた砂の重量を記録します。
   2. 完了時各層の繰り返しを通して均一な嵩密度を得るために、ゴム槌を使用して100〜200回のタンク壁をタップします。タッピングしながら、センサーおよびセンサーの配線との接触を避けます。敏感なセンサーのネットワークを損傷しないように、振動装置の使用は避けるべきです。
5. タンク充填が完了すると、土壌の全質量を取得する（ステップ4.4参照）は、各土層の重量を一緒に合計します。土壌の嵩密度総質量を分割砂の量を決定するために（ 例えば、石英砂の嵩密度が2.65をg / cm ³である）、（V _sを 、CM ^3）。によると、タンク内の土壌の空隙率（η、M ³ / m ³で） ^を計算します：
   （2）
   ここで、（V _T、M ^3）が 、ステップ4.2で決定された空のタンクの全容積です。
<実験は蒸発の発症を予防するために開始する準備ができるまで、タンクが完全にパックされると李は>は、このようなタンクの上にサランラップなどのプラスチックカバーを置きます。
6. 次に、蒸発速度を計算するために使用することができ、累積水分損失を監視するために、重み付けスケールでタンクを置き。
7. 水の密度と蒸発面の断面積との積で毎時重量損失を分割して毎時蒸発率を計算します。

5.実験を開始し、データ収集を開始します。

1. セットアップが完了すると、所望の雰囲気条件（ すなわち 、温度、風速）を決定します。データロガーやその他のデータ収集システムは、正しいサンプリング間隔（ 例えば 、10分毎）にオンと設定されていることを確認。
2. ファンと温度制御システムを起動します。気候条件はSの表面にプラスチックのカバーを取り外す前に、平衡​​化させますオイルタンク。所望の時間（ 例えば 、15日）のための実験を実行します。

結果

ここで紹介する実験の目的は、裸の土壌からの蒸発の風速の効果を研究することでした。本研究で用いた試験土壌の主な特性を表2に要約されている。一連の実験は、土壌表面（ すなわち 、風速及び温度）で異なる境界条件は（ 表3）を適用して行きました。別の風速と温度での4つの実験を行ったが、ここで提示実験結果の大部分は、1.22メートル/秒の風速の?...

ディスカッション

このプロトコルの目的は、熱および質量移動プロセスに対して土地の大気相互作用を研究するために必要な高い空間分解能と時間分解能データを生成するための実験装置および関連する手順を開発することでした。記載された実験装置は、適切な土壌を測定するためのセンサのアレイと大気の変数（ 例えば 、風速、相対湿度、土壌、空気温度と土壌水分を装備した、どちらも土壌タ?...

資料

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.