COLABORADORES
Comprender el flujo de agua no saturada en los suelos
A principios del siglo pasado, la Oficina de Suelos (BOS) del Departamento de Agricultura de Estados Unidos contrató a varios físicos puros para que resolvieran los desconcertantes problemas de la agricultura. Uno de ellos fue Edgar Buckingham. Cuando Buckingham llegó a la Oficina de Suelos en 1902, ya había escrito un texto sobre termodinámica. Sus primeros experimentos en la BOS se centraron en el transporte de gases en el suelo, pero al final se centró en el problema del flujo de agua no saturada en el suelo, y aquí es donde hizo su mayor contribución a la física del suelo.
Como físico clásico, Buckingham utilizó las matemáticas para examinar los misterios y la confusión que rodean al flujo del agua en el suelo. Al darse cuenta de que el contenido de agua no impulsaba el flujo en el suelo no saturado, el reto de Buckingham era describir las fuerzas que sí lo hacían. Buckingham estaba familiarizado con los campos de fuerza eléctricos y térmicos y el flujo que creaban. Estos conceptos eran cómodos análogos para la fuerza impulsora creada en el suelo por gradientes en lo que él llamó "conductividad capilar". Buckingham utilizó las leyes de Ohm y Fourier para describir este flujo.
Medición del potencial hídrico en el laboratorio
Aunque Edgar Buckingham describió y demostró la "conductividad capilar" en 1907, estuvo muy lejos de poder medirla con eficacia. El primer instrumento en hacerlo fue la placa de presión creada por L.A. Richards en la década de 1930. Una placa de presión no mide el potencial hídrico de una muestra. En su lugar, lleva una muestra a un potencial hídrico específico. El instrumento aplica presión para forzar la salida del agua de la muestra hacia una placa de cerámica porosa. Cuando la muestra alcanza el equilibrio, su potencial hídrico será teóricamente equivalente a la presión aplicada.
Una vez que las muestras de suelo alcanzan un potencial hídrico específico bajo presión, el investigador puede medir el contenido de agua correlacionado. Se puede hacer una característica de la humedad del suelo realizando estas mediciones a diferentes presiones.
Métodos de vapor
Más de una década después de la introducción de la placa de presión, L. A. Richards, en Estados Unidos, y John Monteith, en Gran Bretaña, publicaron artículos en los que describían cómo podía utilizarse un psicrómetro termopar para medir el potencial hídrico de muestras de suelo equilibrando la muestra con vapor en una cámara cerrada y midiendo la humedad relativa del vapor. En equilibrio, la humedad relativa del vapor está directamente relacionada con el potencial hídrico de la muestra.
El término psicrómetro, acuñado en 1818 por el inventor alemán Ernst Ferdinand August (1795-1870), significa "medidor de frío" en griego. Un psicrómetro se compone de dos termómetros idénticos. Uno (el bulbo seco) se mantiene seco mientras que el otro (el bulbo húmedo) se mantiene saturado. La diferencia de temperatura entre el bulbo húmedo y el seco permite calcular la humedad relativa del aire.
Psicrómetros de termopar
Los primeros psicrómetros utilizados para medir la humedad relativa sobre una muestra de suelo eran, por necesidad, bastante pequeños. Los dos termómetros estaban hechos de diminutos y frágiles termopares. Un termopar es un sensor de temperatura formado por dos conductores distintos unidos en un punto. El termopar convierte un gradiente de temperatura en electricidad, que puede medirse para determinar los cambios de temperatura.
Los psicrómetros de termopar fueron utilizados con éxito por primera vez para medir el potencial hídrico por D.C. Spanner antes de 1951, pero era una medición difícil de realizar. Para obtener los resultados que deseaba, Spanner tuvo que fabricar su propio cable de antimonio de bismuto. Según John Monteith, una campana extractora de humos de Rothamsted llevó las marcas de estos experimentos durante muchos años.
Otros tuvieron dificultades para repetir sus mediciones. Las muestras tardaban hasta una semana en equilibrarse, y entonces los frágiles termopares a menudo leían sólo una muestra antes de romperse. Aún así, en 1961 Richards veía claramente los métodos de vapor como el futuro de las mediciones del potencial hídrico (Richards y Ogata, 1961).
Decagon (ahora METER) introdujo su primer psicrómetro comercial de termopar (el cambiador de muestras de termopar SC-10, más tarde TruPsi) en 1983. Este instrumento utilizaba un termopar delicado pero lo protegía dentro de una caja sellada. Nueve muestras se equilibraban simultáneamente y giraban bajo el termopar que se iba a medir.
Antes de cada medición, el termopar de bulbo húmedo se sumergía en un pequeño depósito de agua. La salida eléctrica del termopar se enviaba a un nanovoltímetro, que había que controlar para determinar cuándo dejaban de cambiar las temperaturas.
Medidores del potencial hídrico del punto de rocío
A finales de la década de 1990, Decagon (ahora METER) empezó a fabricar el potenciómetro de punto de rocío WP4C , un método mejorado para medir el potencial hídrico utilizando la presión de vapor. Al igual que el psicrómetro, mide la presión de vapor por encima de una muestra sellada dentro de una cámara. Ambos instrumentos son métodos primarios basados en principios termodinámicos.
A diferencia del psicrómetro, el potenciómetro de punto de rocío utiliza un sensor de punto de rocío de espejo refrigerado. Se enfría un pequeño espejo en la cámara hasta que empieza a formarse rocío en él. En el punto de rocío, el WP4C mide las temperaturas del espejo y de la muestra con una precisión de 0,001 °C para determinar la humedad relativa del vapor sobre la muestra. El potencial hídrico de la muestra está linealmente relacionado con la diferencia entre la temperatura de la muestra y la temperatura del punto de rocío.
El sensor de punto de rocío tiene varias ventajas. Es más rápido y proporciona mediciones precisas incluso cuando el operador es relativamente inexperto. Además, el sensor de espejo refrigerado no requiere agua añadida y, por lo tanto, no aumenta el contenido de agua del vapor por encima de la muestra.
Esta medición tiene la ventaja de ser un método primario para determinar el potencial hídrico basado sólidamente en principios termodinámicos y no en la calibración.
La versión más reciente de este instrumento puede resolver temperaturas de hasta una milésima de grado, lo que permite medir muestras tan húmedas como -0,5 MPa con una precisión excelente.
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