環境科学者に相談する

水ポテンシャル：ちょっとした歴史

土壌中の不飽和水の流れを理解する

前世紀の変わり目、米国農務省土壌局（BOS）は、農業における難解な問題に取り組むため、数名の純粋物理学者を採用しました。その一人がエドガー・バッキンガムでした。バッキンガムが土壌局に着任した1902年当時、彼はすでに熱力学に関する著書を執筆していました。BOSでの最初の実験は土壌中のガス輸送に関するものでしたが、最終的には土壌中の不飽和水の流れの問題を検討するようになり、この分野で土壌物理学への最大の貢献を果たしました。

古典物理学者であったバッキンガムは、土壌中の水の流れをめぐる謎と混乱を調べるために数学を用いた。バッキンガムの挑戦は、不飽和土壌の流動は水分量によって駆動されるものではないことを理解し、その力を記述することであった。バッキンガムは、電気的、熱的な力場と、それらが生み出す流束に精通していた。これらの概念は、彼が "毛管伝導性 "と呼ぶ勾配によって土壌中に生じる駆動力にとって、快適な類似物であった。バッキンガムは、オームの法則とフーリエの法則を用いてこの流束を記述した。

ラボでの水ポテンシャルの測定

エドガー・バッキンガムは1907年に「毛細管伝導率」を記述・実証しましたが、それを効果的に測定できるまでには長い道のりがありました。それを初めて実現した機器は、1930年代にL.A.リチャーズが開発した圧力板でした。圧力板はサンプルの水ポテンシャル（土壌の吸引力）を測定するのではなく、サンプルを特定の水ポテンシャルにまで引き上げます。この機器は圧力を加えることでサンプルから水を押し出し、多孔質セラミック板に送り込みます。サンプルが平衡状態に達すると、その水ポテンシャルは理論的には加えられた圧力と等しくなります。

土壌サンプルが圧力下で特定の水ポテンシャルに達すると、研究者は相関水分含有量を測定できます。異なる圧力下でこれらの測定を行うことで、土壌水分特性を解析することができます。

蒸気法

圧力板の導入から10年以上経った後、米国のL. A. リチャーズと英国のジョン・モンティスは、密閉容器内で土壌サンプルを蒸気と平衡させ、蒸気の相対湿度を測定することで、熱電対乾湿計を用いて土壌サンプルの水ポテンシャルを測定する方法を論文で発表しました。平衡状態では、蒸気の相対湿度はサンプルの水ポテンシャルと直接相関します。

サイクロメーター（乾湿計）という用語は、1818年にドイツの発明家エルンスト・フェルディナント・アウグスト（1795-1870）によって造られ、ギリシャ語で「冷たい測定器」を意味します。乾湿計は2つの同じ温度計から構成されています。一方（乾球）は乾燥した状態に、もう一方（湿球）は飽和状態に保たれます。湿球温度と乾球温度の差から、空気の相対湿度を計算することができます。

熱電対サイクロ

土壌サンプル上の相対湿度を測定するために最初に使用された乾湿計は、必然的に非常に小型でした。2つの温度計は、非常に小さく壊れやすい熱電対で作られていました。熱電対は、2つの異なる導体を1点で接合した温度センサーです。熱電対は温度勾配を電気に変換し、その電気を測定すれば温度変化を判定できます。

熱電対乾湿計は、1951年以前にD.C.スパナーによって初めて水ポテンシャルの測定に成功しましたが、測定は困難でした。スパナーは、望み通りの結果を得るために、ビスマスアンチモンから独自の線材を作らなければなりませんでした。ジョン・モンティスによると、ロスザムステッドのドラフトチャンバーには、長年にわたりこれらの実験の痕跡が残っていたそうです。

他の研究者たちは、彼の測定結果を再現するのに苦労しました。サンプルが平衡状態になるまでに最大1週間かかり、壊れやすい熱電対は1サンプルしか測定できず、すぐに壊れてしまうこともよくありました。それでも1961年までに、リチャーズは蒸気法こそが水ポテンシャル測定の未来であると明確に認識していました（Richards and Ogata, 1961）。

デカゴン（現METER）は1983年、初の商用熱電対乾湿計（SC-10 熱電対乾湿計サンプルチェンジャー、後のTruPsi）を発売しました。この装置は繊細な熱電対を使用していましたが、密閉された筐体内で保護されていました。9個のサンプルが同時に平衡化され、熱電対の下で回転して測定されました。

各測定の前に、湿球熱電対を小さな水溜めに浸しました。熱電対の電気出力はナノボルトメーターに送られ、温度変化が止まるタイミングをモニターする必要がありました。

露点水ポテンシャル計

1990年代後半、Decagon社（現METER社）は、蒸気圧を利用した水ポテンシャル測定法の改良型であるWP4C 露点電位計の製造を開始した。心理計と同様、チャンバー内に密閉されたサンプルの上部の蒸気圧を測定する。どちらの測定器も、熱力学的原理に基づく主要な方法である。

乾湿計とは異なり、露点ポテンショメータは冷却鏡式露点センサーを採用しています。チャンバー内の小さな鏡は、露がつき始めるまで冷却されます。露点において、WP4Cは鏡とサンプルの温度を0.001℃の精度で測定し、サンプル上部の蒸気の相対湿度を算出します。サンプルの水ポテンシャルは、サンプル温度と露点温度の差に比例します。

露点センサーにはいくつかの利点がある。操作者が比較的不慣れな場合でも、より迅速で正確な測定が可能です。また、チルドミラーセンサーは水を加える必要がないため、サンプル上部の蒸気の水分含有量を増加させることがありません。

この測定には、較正ではなく熱力学原理に基づいて水ポテンシャルを決定するための主要な方法であるという利点があります。

この機器の最新バージョンでは、温度を 1000 分の 1 度単位で測定できるため、-0.5 MPa の湿ったサンプルを優れた精度で測定できます。

「研究者対象水ポテンシャル完全ガイド」をダウンロード