Au début du siècle dernier, le Bureau des sols (BOS) de l'USDA a recruté plusieurs physiciens purs pour s'attaquer à des problèmes complexes dans le domaine de l'agriculture. L'un d'entre eux était Edgar Buckingham. Lorsque Buckingham est entré au Bureau des sols en 1902, il était déjà l'auteur d'un texte sur la thermodynamique. Ses premières expériences au BOS concernaient le transport de gaz dans les sols, mais il en vint finalement à s'intéresser au problème de l'écoulement de l'eau non saturée dans le sol, et c'est là qu'il apporta sa plus grande contribution à la physique des sols.
En tant que physicien classique, Buckingham a utilisé les mathématiques pour examiner les mystères et la confusion entourant l'écoulement de l'eau dans le sol. Sachant que la teneur en eau n'est pas le moteur de l'écoulement dans un sol non saturé, le défi de Buckingham consistait à décrire les forces en jeu. Il était naturellement familiarisé avec les champs de force électriques et thermiques et le flux qu'ils créent. Ces concepts étaient des analogues confortables de la force motrice créée dans le sol par les gradients de ce qu'il a appelé la "conductivité capillaire". Buckingham a utilisé les lois d'Ohm et de Fourier pour décrire ce flux.
Bien qu'Edgar Buckingham ait décrit et démontré la "conductivité capillaire" en 1907, il était loin de pouvoir la mesurer efficacement. Le premier instrument à le faire a été la plaque de pression créée par L.A. Richards dans les années 1930. La plaque de pression ne mesure pas le potentiel hydrique (succion du sol) d'un échantillon. Elle amène l'échantillon à un potentiel hydrique spécifique. L'instrument applique une pression pour forcer l'eau à sortir de l'échantillon et à pénétrer dans une plaque de céramique poreuse. Lorsque l'échantillon arrive à l'équilibre, son potentiel hydrique est théoriquement équivalent à la pression appliquée.
Lorsque les échantillons de sol atteignent un potentiel hydrique spécifique sous pression, le chercheur peut mesurer la teneur en eau correspondante. Une caractéristique de l'humidité du sol peut être établie en effectuant ces mesures à différentes pressions.
Plus d'une décennie après l'introduction de la plaque de pression, L. A. Richards aux États-Unis et John Monteith en Grande-Bretagne ont publié des articles décrivant comment un psychromètre à thermocouple pouvait être utilisé pour mesurer le potentiel hydrique d'échantillons de sol en équilibrant l'échantillon avec de la vapeur dans une chambre fermée et en mesurant l'humidité relative de la vapeur. À l'équilibre, l'humidité relative de la vapeur est directement liée au potentiel hydrique de l'échantillon.
Le terme psychromètre, inventé en 1818 par l'inventeur allemand Ernst Ferdinand August (1795-1870), signifie en grec "mesureur de froid". Un psychromètre est constitué de deux thermomètres identiques. L'un (le bulbe sec) est maintenu sec tandis que l'autre (le bulbe humide) est maintenu saturé. La différence de température entre le bulbe humide et le bulbe sec permet de calculer l'humidité relative de l'air.
Les premiers psychromètres utilisés pour mesurer l'humidité relative au-dessus d'un échantillon de sol étaient nécessairement très petits. Les deux thermomètres étaient constitués de minuscules et fragiles thermocouples. Un thermocouple est un capteur de température constitué de deux conducteurs dissemblables reliés en un point. Le thermocouple convertit un gradient de température en électricité, qui peut être mesurée pour déterminer les changements de température.
Les psychromètres à thermocouple ont été utilisés pour la première fois avec succès pour mesurer le potentiel hydrique par D.C. Spanner avant 1951, mais il s'agissait d'une mesure difficile à réaliser. Pour obtenir les résultats qu'il souhaitait, Spanner a dû fabriquer son propre fil en antimoine de bismuth - selon John Monteith, une hotte à Rothamsted a porté les marques de ces expériences pendant de nombreuses années.
D'autres ont eu du mal à reproduire ses mesures. Il fallait jusqu'à une semaine pour que les échantillons s'équilibrent, et les thermocouples fragiles ne lisaient souvent qu'un seul échantillon avant d'être cassés. Pourtant, en 1961, Richards voyait clairement dans les méthodes à la vapeur l'avenir des mesures du potentiel hydrique (Richards et Ogata, 1961).
Decagon (aujourd'hui METER) a introduit son premier psychromètre à thermocouple commercial (le SC-10 Thermocouple Psychrometer Sample Changer, plus tard TruPsi) en 1983. Cet instrument utilisait un thermocouple délicat mais le protégeait à l'intérieur d'un boîtier scellé. Neuf échantillons étaient équilibrés simultanément et tournaient sous le thermocouple pour être mesurés.
Avant chaque mesure, le thermocouple à bulbe humide a été plongé dans un minuscule réservoir d'eau. La sortie électrique du thermocouple était envoyée à un nanovoltmètre, qui devait être surveillé pour déterminer quand les températures cessaient de changer.
À la fin des années 1990, Decagon (aujourd'hui METER) a commencé à produire le WP4C Dew Point Potentiameter, une méthode améliorée de mesure du potentiel hydrique à l'aide de la pression de la vapeur. Comme le psychromètre, il mesure la pression de vapeur au-dessus d'un échantillon scellé dans une chambre. Les deux instruments sont des méthodes primaires basées sur des principes thermodynamiques.
Contrairement au psychromètre, le potentiomètre de point de rosée utilise un capteur de point de rosée à miroir réfrigéré. Un petit miroir placé dans la chambre est refroidi jusqu'à ce que de la rosée commence à s'y former. Au point de rosée, le site WP4C mesure les températures du miroir et de l'échantillon avec une précision de 0,001 °C pour déterminer l'humidité relative de la vapeur au-dessus de l'échantillon. Le potentiel hydrique de l'échantillon est linéairement lié à la différence entre la température de l'échantillon et la température du point de rosée.
Le capteur de point de rosée présente plusieurs avantages. Il est plus rapide et donne des mesures précises même lorsque l'opérateur est relativement peu qualifié. De plus, le capteur à miroir réfrigéré ne nécessite pas d'ajout d'eau et n'augmente donc pas la teneur en eau de la vapeur au-dessus de l'échantillon.
Cette mesure a l'avantage d'être une méthode primaire de détermination du potentiel hydrique basée solidement sur des principes thermodynamiques plutôt que sur l'étalonnage.
La version la plus récente de cet instrument peut résoudre des températures au millième de degré, ce qui permet de mesurer des échantillons aussi humides que -0,5 MPa avec une excellente précision.
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