Um die Jahrhundertwende stellte das USDA Bureau of Soils (BOS) mehrere reine Physiker ein, um verwirrende Probleme in der Landwirtschaft zu lösen. Einer von ihnen war Edgar Buckingham. Als Buckingham 1902 zum Bureau of Soils kam, hatte er bereits einen Text über Thermodynamik verfasst. Seine ersten Experimente am BOS befassten sich mit dem Gastransport in Böden, aber schließlich befasste er sich mit dem Problem des ungesättigten Wasserflusses im Boden, und hier leistete er seinen größten Beitrag zur Bodenphysik.
Als klassischer Physiker nutzte Buckingham die Mathematik, um die Rätsel und Verwirrungen rund um das Fließen von Wasser im Boden zu untersuchen. Buckingham erkannte, dass nicht der Wassergehalt die Strömung in ungesättigten Böden bestimmt, sondern die Kräfte, die dafür verantwortlich sind. Er war von Natur aus mit elektrischen und thermischen Kraftfeldern und den von ihnen erzeugten Strömungen vertraut. Diese Konzepte waren bequeme Entsprechungen für die treibende Kraft, die im Boden durch die Gradienten der von ihm so genannten "Kapillarleitfähigkeit" erzeugt wird. Buckingham verwendete das Ohmsche und das Fouriersche Gesetz, um diesen Fluss zu beschreiben.
Obwohl Edgar Buckingham 1907 die "kapillare Leitfähigkeit" beschrieb und demonstrierte, war er weit davon entfernt, sie effektiv messen zu können. Das erste Instrument, das dies konnte, war die von L.A. Richards in den 1930er Jahren entwickelte Druckplatte. Eine Druckplatte misst nicht das Wasserpotenzial (Bodensog) einer Probe. Stattdessen bringt sie die Probe auf ein bestimmtes Wasserpotenzial. Das Gerät übt Druck aus, um Wasser aus der Probe in eine poröse Keramikplatte zu pressen. Wenn sich die Probe im Gleichgewicht befindet, entspricht ihr Wasserpotenzial theoretisch dem ausgeübten Druck.
Sobald die Bodenproben unter Druck ein bestimmtes Wasserpotenzial erreichen, kann der Forscher den damit verbundenen Wassergehalt messen. Durch diese Messungen bei verschiedenen Drücken kann eine charakteristische Bodenfeuchtigkeit ermittelt werden.
Mehr als ein Jahrzehnt nach der Einführung der Druckplatte veröffentlichten L. A. Richards in den USA und John Monteith in Großbritannien Arbeiten, in denen sie beschrieben, wie ein Thermoelement-Psychrometer zur Messung des Wasserpotenzials von Bodenproben verwendet werden kann, indem die Probe in einer geschlossenen Kammer mit Dampf ins Gleichgewicht gebracht und die relative Feuchtigkeit des Dampfes gemessen wird. Im Gleichgewicht steht die relative Feuchtigkeit des Dampfes in direktem Zusammenhang mit dem Wasserpotenzial der Probe.
Der Begriff Psychrometer, der 1818 von dem deutschen Erfinder Ernst Ferdinand August (1795-1870) geprägt wurde, bedeutet auf Griechisch "Kältemesser". Ein Psychrometer besteht aus zwei identischen Thermometern. Das eine (die Trockenkugel) wird trocken gehalten, während das andere (die Feuchtkugel) gesättigt gehalten wird. Der Temperaturunterschied zwischen der Feucht- und der Trockenkugeltemperatur kann zur Berechnung der relativen Luftfeuchtigkeit verwendet werden.
Die ersten Psychrometer, die zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit über einer Bodenprobe verwendet wurden, waren notwendigerweise recht klein. Die beiden Thermometer bestanden aus winzigen, zerbrechlichen Thermoelementen. Ein Thermoelement ist ein Temperatursensor, der aus zwei ungleichen Leitern besteht, die an einer Stelle verbunden sind. Das Thermoelement wandelt ein Temperaturgefälle in Elektrizität um, die gemessen werden kann, um Temperaturänderungen zu bestimmen.
Thermoelement-Psychrometer wurden erstmals vor 1951 von D.C. Spanner erfolgreich zur Messung des Wasserpotenzials eingesetzt, aber es war eine schwierige Messung. Um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, musste Spanner seinen eigenen Draht aus Wismut-Antimon herstellen - laut John Monteith trug ein Abzug in Rothamsted viele Jahre lang die Spuren dieser Experimente.
Andere hatten Mühe, seine Messungen zu wiederholen. Die Proben brauchten bis zu einer Woche, um sich auszugleichen, und die zerbrechlichen Thermoelemente zeigten oft nur eine Probe an, bevor sie kaputt gingen. Dennoch sah Richards 1961 in der Dampfmethode die Zukunft der Wasserpotentialmessung (Richards und Ogata, 1961).
Decagon (jetzt METER) stellte 1983 sein erstes kommerzielles Thermoelement-Psychrometer vor (das SC-10 Thermocouple Psychrometer Sample Changer, später TruPsi). Dieses Gerät verwendete ein empfindliches Thermoelement, das jedoch in einem versiegelten Gehäuse geschützt war. Neun Proben wurden gleichzeitig äquilibriert und unter dem zu messenden Thermoelement gedreht.
Vor jeder Messung wurde das Feuchtkugel-Thermoelement in ein kleines Wasserreservoir getaucht. Der elektrische Ausgang des Thermoelements wurde an ein Nanovoltmeter gesendet, das überwacht werden musste, um festzustellen, wann sich die Temperaturen nicht mehr veränderten.
In den späten 1990er Jahren begann Decagon (jetzt METER) mit der Produktion des WP4C Taupunkt-Potentiameters, einer verbesserten Methode zur Messung des Wasserpotenzials anhand des Dampfdrucks. Wie das Psychrometer misst es den Dampfdruck über einer in einer Kammer eingeschlossenen Probe. Beide Geräte sind primäre Methoden, die auf thermodynamischen Prinzipien beruhen.
Anders als das Psychrometer verwendet das Taupunkt-Potentiometer einen Taupunktsensor mit gekühltem Spiegel. Ein kleiner Spiegel in der Kammer wird gekühlt, bis sich auf ihm gerade Tau bildet. Am Taupunkt misst das WP4C sowohl die Temperatur des Spiegels als auch die der Probe mit einer Genauigkeit von 0,001 °C, um die relative Feuchtigkeit des Dampfes über der Probe zu bestimmen. Das Wasserpotenzial der Probe ist linear mit der Differenz zwischen der Probentemperatur und der Taupunkttemperatur verbunden.
Der Taupunktsensor hat mehrere Vorteile. Er ist schneller und liefert genaue Messungen, auch wenn der Bediener relativ ungeschult ist. Außerdem benötigt der Kühlspiegelsensor kein zusätzliches Wasser und erhöht daher nicht den Wassergehalt des Dampfes über der Probe.
Diese Messung hat den Vorteil, dass sie eine primäre Methode zur Bestimmung des Wasserpotenzials ist, die solide auf thermodynamischen Prinzipien und nicht auf einer Kalibrierung beruht.
Die neueste Version dieses Geräts kann Temperaturen bis auf ein Tausendstel Grad genau auflösen, wodurch es möglich ist, Proben, die so nass sind wie -0,5 MPa, mit hervorragender Genauigkeit zu messen.
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