All'inizio del secolo scorso, l'USDA Bureau of Soils (BOS) reclutò diversi fisici puri per affrontare i problemi più complessi dell'agricoltura. Uno di questi era Edgar Buckingham. Quando Buckingham arrivò al Bureau of Soils nel 1902, era già autore di un testo sulla termodinamica. I suoi primi esperimenti al BOS riguardarono il trasporto di gas nel suolo, ma alla fine si occupò del problema del flusso d'acqua insaturo nel suolo, ed è qui che diede il suo più grande contributo alla fisica del suolo.
Come fisico classico, Buckingham ha usato la matematica per esaminare i misteri e la confusione che circondano il flusso dell'acqua nel terreno. Rendendosi conto che il contenuto d'acqua non guidava il flusso nel terreno insaturo, la sfida di Buckingham fu quella di descrivere le forze che lo facevano. Aveva naturalmente familiarità con i campi di forza elettrici e termici e con il flusso da essi generato. Questi concetti erano comodi analoghi per la forza motrice creata nel terreno dai gradienti di quella che lui chiamò "conduttività capillare". Buckingham utilizzò le leggi di Ohm e di Fourier per descrivere questo flusso.
Sebbene Edgar Buckingham abbia descritto e dimostrato la "conducibilità capillare" nel 1907, era ben lontano dal poterla misurare efficacemente. Il primo strumento a farlo fu la piastra di pressione creata da L.A. Richards negli anni Trenta. Una piastra di pressione non misura il potenziale idrico (aspirazione del suolo) di un campione. Al contrario, porta il campione a un potenziale idrico specifico. Lo strumento applica una pressione per forzare l'acqua a uscire dal campione e a entrare in una piastra di ceramica porosa. Quando il campione raggiunge l'equilibrio, il suo potenziale idrico sarà teoricamente equivalente alla pressione applicata.
Una volta che i campioni di terreno raggiungono uno specifico potenziale idrico sotto pressione, il ricercatore può misurare il contenuto idrico correlato. È possibile ottenere una caratteristica dell'umidità del suolo effettuando queste misurazioni a pressioni diverse.
Oltre un decennio dopo l'introduzione della piastra di pressione, L. A. Richards negli Stati Uniti e John Monteith in Gran Bretagna pubblicarono dei documenti che descrivevano come uno psicrometro a termocoppia potesse essere utilizzato per misurare il potenziale idrico di campioni di terreno, equilibrando il campione con il vapore in una camera chiusa e misurando l'umidità relativa del vapore. All'equilibrio, l'umidità relativa del vapore è direttamente correlata al potenziale idrico del campione.
Il termine psicrometro, coniato nel 1818 dall'inventore tedesco Ernst Ferdinand August (1795-1870), significa "misuratore di freddo" in greco. Uno psicrometro è costituito da due termometri identici. Uno (il bulbo secco) viene mantenuto asciutto mentre l'altro (il bulbo umido) viene mantenuto saturo. La differenza di temperatura tra il bulbo umido e quello secco può essere utilizzata per calcolare l'umidità relativa dell'aria.
I primi psicrometri utilizzati per misurare l'umidità relativa sopra un campione di terreno erano necessariamente molto piccoli. I due termometri erano costituiti da piccole e fragili termocoppie. Una termocoppia è un sensore di temperatura costituito da due conduttori dissimili uniti in un punto. La termocoppia converte un gradiente di temperatura in elettricità, che può essere misurata per determinare le variazioni di temperatura.
Gli psicrometri a termocoppia sono stati utilizzati per la prima volta con successo per misurare il potenziale idrico da D.C. Spanner prima del 1951, ma si trattava di una misurazione difficile da effettuare. Per ottenere i risultati desiderati, Spanner dovette fabbricare il proprio filo in antimonio di bismuto; secondo John Monteith, una cappa di aspirazione a Rothamsted portò i segni di questi esperimenti per molti anni.
Altri hanno faticato a ripetere le sue misurazioni. I campioni impiegavano fino a una settimana per equilibrarsi e le fragili termocoppie spesso leggevano un solo campione prima di rompersi. Tuttavia, nel 1961 Richards vedeva chiaramente nei metodi a vapore il futuro delle misurazioni del potenziale idrico (Richards e Ogata, 1961).
Decagon (ora METER) ha introdotto il suo primo psicrometro a termocoppia commerciale (SC-10 Thermocouple Psychrometer Sample Changer, successivamente TruPsi) nel 1983. Questo strumento utilizzava una termocoppia delicata, ma la proteggeva all'interno di un involucro sigillato. Nove campioni venivano equilibrati simultaneamente e ruotati sotto la termocoppia da misurare.
Prima di ogni misurazione, la termocoppia a bulbo umido è stata immersa in un piccolo serbatoio d'acqua. L'uscita elettrica della termocoppia veniva inviata a un nanovoltmetro, che doveva essere monitorato per determinare quando le temperature smettevano di variare.
Alla fine degli anni '90, Decagon (ora METER) ha iniziato a produrre il Potenziometro del Punto di Rugiada WP4C , un metodo migliorato per misurare il potenziale idrico utilizzando la pressione del vapore. Come lo psicrometro, misura la pressione del vapore sopra un campione sigillato all'interno di una camera. Entrambi gli strumenti sono metodi primari basati su principi termodinamici.
A differenza dello psicrometro, il potenziometro del punto di rugiada utilizza un sensore di punto di rugiada a specchio raffreddato. Un piccolo specchio nella camera viene raffreddato finché la rugiada non inizia a formarsi su di esso. Al punto di rugiada, WP4C misura la temperatura dello specchio e del campione con una precisione di 0,001 °C per determinare l'umidità relativa del vapore sopra il campione. Il potenziale idrico del campione è correlato linearmente alla differenza tra la temperatura del campione e la temperatura del punto di rugiada.
Il sensore del punto di rugiada presenta diversi vantaggi. È più veloce e fornisce misure accurate anche quando l'operatore è relativamente poco esperto. Inoltre, il sensore a specchio freddo non richiede l'aggiunta di acqua e quindi non aumenta il contenuto di acqua del vapore sopra il campione.
Questa misura ha il vantaggio di essere un metodo primario per determinare il potenziale idrico basato su principi termodinamici piuttosto che sulla calibrazione.
La versione più recente di questo strumento è in grado di risolvere le temperature fino a un millesimo di grado, rendendo possibile la misurazione di campioni umidi fino a -0,5 MPa con un'eccellente precisione.
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