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수자원 잠재력: 약간의 역사

토양의 불포화 수분 흐름에 대한 이해

지난 세기에 접어들면서 미국 농무부 토양국(BOS)은 농업의 난해한 문제를 해결하기 위해 여러 명의 순수 물리학자를 영입했습니다. 그중 한 명이 에드거 버킹엄이었습니다. 1902년 토양국에 부임했을 때 버킹엄은 이미 열역학에 관한 저서를 집필한 상태였습니다. 토양 연구소에서 처음 수행한 실험은 토양 내 기체 이동에 관한 것이었지만, 궁극적으로 그는 토양 내 불포화 수분 흐름 문제를 고려하게 되었고, 이 실험을 통해 토양 물리학에 가장 큰 공헌을 하게 됩니다.

고전 물리학자인 버킹엄은 수학을 사용하여 토양에서 물이 흐르는 방식을 둘러싼 미스터리와 혼란을 조사했습니다. 수분 함량이 불포화 토양에서 흐름을 주도하지 않는다는 사실을 깨달은 버킹엄의 과제는 그 흐름을 주도하는 힘을 설명하는 것이었습니다. 버킹엄은 전기 및 열력장과 그로 인해 발생하는 플럭스에 자연스럽게 익숙했습니다. 이러한 개념은 그가 "모세관 전도도"라고 부르는 경사면에 의해 토양에서 생성되는 추진력에 대한 편안한 아날로그 개념이었습니다. 버킹엄은 이 플럭스를 설명하기 위해 옴의 법칙과 푸리에의 법칙을 사용했습니다.

실험실에서 수분 전위 측정

1907년 에드거 버킹엄이 '모세관 전도도'를 설명하고 시연했지만, 이를 효과적으로 측정하기에는 한참 멀었습니다. 이를 위한 최초의 기기는 1930년대에 L.A. 리차드가 만든 압력판입니다. 압력판은 시료의 수분 전위(토양 흡입력)를 측정하지 않습니다. 대신 시료를 특정 수전위까지 끌어올리는 역할을 합니다. 이 기기는 압력을 가해 시료에서 다공성 세라믹 판으로 물을 밀어냅니다. 시료가 평형을 이루면 이론적으로 물의 전위는 적용된 압력과 같아집니다.

토양 샘플이 압력 하에서 특정 수분 전위에 도달하면 연구자는 상관관계가 있는 수분 함량을 측정할 수 있습니다. 다양한 압력에서 이러한 측정을 수행하여 토양 수분 특성을 파악할 수 있습니다.

증기 방법

압력판이 도입된 지 10년이 지난 후 미국의 L. A. 리차즈와 영국의 존 몬테이스는 열전대 심리계를 사용하여 밀폐된 챔버에서 시료를 증기와 평형시키고 증기의 상대 습도를 측정하여 토양 시료의 수분 전위를 측정하는 방법을 설명하는 논문을 발표했습니다. 평형 상태에서 증기의 상대 습도는 시료의 수분 전위와 직접적인 관련이 있습니다.

1818년 독일의 발명가 에른스트 페르디난트 아우구스트(1795-1870)가 만든 심리 온도계라는 용어는 그리스어로 "냉기 측정기"라는 뜻입니다. 심리계는 두 개의 동일한 온도계로 구성됩니다. 한쪽(건구)은 건조한 상태로 유지되고 다른 한쪽(습구)은 포화 상태로 유지됩니다. 습구 온도와 건구 온도 사이의 온도 차이를 사용하여 공기의 상대 습도를 계산할 수 있습니다.

열전대 온도계

토양 샘플 위의 상대 습도를 측정하는 데 사용된 최초의 온습도계는 매우 작아야 했습니다. 두 개의 온도계는 작고 깨지기 쉬운 열전대로 만들어졌습니다. 열전대는 서로 다른 두 개의 도체를 한 지점에서 결합하여 만든 온도 센서입니다. 열전대는 온도 구배를 전기로 변환하여 온도 변화를 측정할 수 있습니다.

열전대 심리계는 1951년 이전에 DC 스패너에 의해 수전위 측정에 처음 성공적으로 사용되었지만, 측정이 어려웠습니다. 원하는 결과를 얻기 위해 스패너는 비스무트 안티몬으로 직접 와이어를 만들어야 했는데, 존 몬테이스에 따르면 로담스테드의 흄 후드에는 이러한 실험의 흔적이 수년 동안 남아 있었습니다.

다른 사람들은 그의 측정을 반복하는 데 어려움을 겪었습니다. 샘플을 평형화하는 데 최대 일주일이 걸렸고, 깨지기 쉬운 열전대는 종종 단 한 개의 샘플만 읽다가 끊어지곤 했습니다. 그럼에도 불구하고 1961년에 이르러 Richards는 수전위 측정의 미래로 증기법을 분명히 보았습니다(Richards와 오가타, 1961).

Decagon(현 METER)은 1983년 최초의 상업용 열전대 심리계(SC-10 열전대 심리계 샘플 체인저, 이후 TruPsi)를 출시했습니다. 이 기기는 섬세한 열전대를 사용했지만 밀폐된 인클로저 안에 넣어 보호했습니다. 9개의 샘플을 동시에 평형화하여 열전대 아래에서 회전시키며 측정했습니다.

각 측정 전에 습구 열전대를 작은 물통에 담가두었습니다. 열전대의 전기 출력은 나노 전압계로 전송되어 온도의 변화가 멈추는 시점을 확인하기 위해 모니터링해야 했습니다.

노점 수분 전위 측정기

1990년대 후반, 데카곤(현 미터)은 증기압을 이용해 수전위를 측정하는 개선된 방법인 이슬점 포텐셔미터( WP4C )를 생산하기 시작했습니다. 이 기기는 심리계와 마찬가지로 챔버 내부에 밀폐된 시료 위의 증기압을 측정합니다. 두 기기 모두 열역학적 원리를 기반으로 하는 기본 방법입니다.

사이크로미터와 달리 이슬점 전위차계는 냉각 거울 이슬점 센서를 사용합니다. 챔버의 작은 거울은 이슬이 맺히기 시작할 때까지 냉각됩니다. 이슬점에서 WP4C 은 0.001°C 정확도로 거울과 시료의 온도를 모두 측정하여 시료 위 증기의 상대 습도를 측정합니다. 시료의 수분 전위는 시료 온도와 이슬점 온도 사이의 차이와 선형적으로 관련되어 있습니다.

이슬점 센서에는 몇 가지 장점이 있습니다. 작업자가 상대적으로 숙련되지 않은 경우에도 더 빠르고 정확한 측정값을 제공합니다. 또한 냉각 거울 센서는 물을 추가할 필요가 없으므로 시료 위 증기의 수분 함량을 증가시키지 않습니다.

이 측정은 보정이 아닌 열역학적 원리에 기반하여 수전위를 결정하는 기본 방법이라는 장점이 있습니다.

이 기기의 최신 버전은 온도를 1000분의 1도까지 분해할 수 있어 -0.5MPa의 젖은 시료도 뛰어난 정확도로 측정할 수 있습니다.

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