Na przełomie ubiegłego stulecia Biuro Gleb USDA (BOS) zatrudniło kilku fizyków do rozwiązywania skomplikowanych problemów w rolnictwie. Jednym z nich był Edgar Buckingham. Kiedy Buckingham przybył do Biura Gleb w 1902 roku, był już autorem tekstu na temat termodynamiki. Jego pierwsze eksperymenty w BOS dotyczyły transportu gazu w glebie, ale ostatecznie zajął się problemem nienasyconego przepływu wody w glebie i to właśnie tutaj wniósł swój największy wkład w fizykę gleby.
Jako fizyk klasyczny, Buckingham wykorzystał matematykę do zbadania tajemnic i niejasności związanych z przepływem wody w glebie. Zdając sobie sprawę, że zawartość wody nie napędza przepływu w nienasyconej glebie, wyzwaniem Buckinghama było opisanie sił, które to robią. Był on naturalnie zaznajomiony z elektrycznymi i termicznymi polami sił oraz strumieniem, który one tworzyły. Koncepcje te były wygodnymi analogami dla siły napędowej tworzonej w glebie przez gradienty tego, co nazwał "przewodnością kapilarną". Buckingham wykorzystał prawa Ohma i Fouriera do opisania tego strumienia.
Chociaż Edgar Buckingham opisał i zademonstrował "przewodnictwo kapilarne" w 1907 roku, był daleki od możliwości jego skutecznego pomiaru. Pierwszym przyrządem, który tego dokonał, była płyta dociskowa stworzona przez L.A. Richardsa w latach trzydziestych XX wieku. Płyta dociskowa nie mierzy potencjału wody (ssania gleby) próbki. Zamiast tego doprowadza próbkę do określonego potencjału wody. Urządzenie wywiera nacisk, aby wypchnąć wodę z próbki do porowatej płytki ceramicznej. Gdy próbka osiągnie równowagę, jej potencjał wodny będzie teoretycznie równoważny zastosowanemu ciśnieniu.
Gdy próbki gleby osiągną określony potencjał wody pod ciśnieniem, badacz może zmierzyć skorelowaną zawartość wody. Charakterystykę wilgotności gleby można uzyskać, wykonując te pomiary przy różnych ciśnieniach.
Ponad dziesięć lat po wprowadzeniu płyty dociskowej, L. A. Richards w USA i John Monteith w Wielkiej Brytanii opublikowali artykuły opisujące, w jaki sposób psychrometr termoparowy może być wykorzystywany do pomiaru potencjału wodnego próbek gleby poprzez równoważenie próbki parą w zamkniętej komorze i pomiar wilgotności względnej pary. W stanie równowagi wilgotność względna pary jest bezpośrednio związana z potencjałem wodnym próbki.
Termin psychrometr, ukuty w 1818 roku przez niemieckiego wynalazcę Ernsta Ferdinanda Augusta (1795-1870), oznacza po grecku "miernik zimna". Psychrometr składa się z dwóch identycznych termometrów. Jeden z nich (termometr suchy) jest suchy, podczas gdy drugi (termometr mokry) jest nasycony. Różnica temperatur między temperaturą termometru mokrego i suchego może być wykorzystana do obliczenia wilgotności względnej powietrza.
Pierwsze psychrometry używane do pomiaru wilgotności względnej nad próbką gleby były z konieczności dość małe. Dwa termometry były wykonane z małych, delikatnych termopar. Termopara to czujnik temperatury wykonany z dwóch różnych przewodników połączonych w jednym miejscu. Termopara przekształca gradient temperatury w energię elektryczną, którą można zmierzyć w celu określenia zmian temperatury.
Psychrometry termoparowe zostały po raz pierwszy z powodzeniem wykorzystane do pomiaru potencjału wody przez D.C. Spannera przed 1951 rokiem, ale był to trudny pomiar. Aby uzyskać pożądane wyniki, Spanner musiał wykonać własny drut z antymonu bizmutu - według Johna Monteitha, okap w Rothamsted nosił ślady tych eksperymentów przez wiele lat.
Innym trudno było powtórzyć jego pomiary. Próbki potrzebowały nawet tygodnia, aby się zrównoważyć, a następnie kruche termopary często odczytywały tylko jedną próbkę, zanim zostały uszkodzone. Mimo to, w 1961 roku Richards wyraźnie postrzegał metody parowe jako przyszłość pomiarów potencjału wody (Richards i Ogata, 1961).
Decagon (obecnie METER) wprowadził swój pierwszy komercyjny psychrometr termoparowy (SC-10 Thermocouple Psychrometer Sample Changer, później TruPsi) w 1983 roku. Przyrząd ten wykorzystywał delikatną termoparę, ale chronił ją w szczelnej obudowie. Dziewięć próbek było jednocześnie równoważonych i obracanych pod termoparą w celu dokonania pomiaru.
Przed każdym pomiarem termopara zanurzana była w niewielkim zbiorniku z wodą. Wyjście elektryczne termopary było wysyłane do nanowoltomierza, który musiał być monitorowany w celu określenia, kiedy temperatura przestała się zmieniać.
Pod koniec lat 90-tych firma Decagon (obecnie METER) rozpoczęła produkcję potencjometru punktu rosy WP4C , ulepszonej metody pomiaru potencjału wody za pomocą ciśnienia pary. Podobnie jak psychrometr, mierzy on ciśnienie pary nad próbką zamkniętą w komorze. Oba instrumenty są podstawowymi metodami opartymi na zasadach termodynamicznych.
W przeciwieństwie do psychrometru, potencjometr punktu rosy wykorzystuje czujnik punktu rosy z chłodzonym lustrem. Małe lustro w komorze jest schładzane do momentu, aż zacznie się na nim tworzyć rosa. W punkcie rosy, WP4C mierzy zarówno temperaturę lustra, jak i próbki z dokładnością do 0,001 °C, aby określić wilgotność względną pary wodnej nad próbką. Potencjał wody próbki jest liniowo powiązany z różnicą między temperaturą próbki a temperaturą punktu rosy.
Czujnik punktu rosy ma kilka zalet. Jest szybszy i zapewnia dokładne pomiary, nawet jeśli operator jest stosunkowo niewykwalifikowany. Ponadto czujnik z chłodzonym lustrem nie wymaga dodawania wody, a zatem nie zwiększa zawartości wody w parze nad próbką.
Zaletą tego pomiaru jest to, że jest to podstawowa metoda określania potencjału wody oparta na zasadach termodynamicznych, a nie na kalibracji.
Najnowsza wersja tego przyrządu może mierzyć temperaturę z dokładnością do tysięcznych części stopnia, umożliwiając pomiar próbek o wilgotności do -0,5 MPa z doskonałą dokładnością.
Pobierz "Kompletny przewodnik badacza po potencjale wody"
W tym webinarium dr Doug Cobos odróżnia potencjał wody od zawartości wody, omawia teorię, zastosowanie i kluczowe składniki potencjału wody.
Sześć krótkich filmów wideo nauczy Cię wszystkiego, co musisz wiedzieć o zawartości wody w glebie i potencjale wodnym gleby - i dlaczego powinieneś mierzyć je razem. Ponadto opanuj podstawy przewodnictwa hydraulicznego gleby.
Nasi naukowcy mają wieloletnie doświadczenie w pomaganiu badaczom i hodowcom w pomiarach kontinuum gleba-roślina-atmosfera.
Potencjał wodny gleby jest kluczowym pomiarem dla optymalizacji plonów i ochrony środowiska. Jeśli go nie mierzysz, prawdopodobnie otrzymujesz złą odpowiedź na pytania dotyczące wilgotności gleby.
Jeśli mierzysz tylko zawartość wody, możesz być ślepy na to, czego naprawdę doświadczają twoje rośliny. Dr Colin Campbell omawia, w jaki sposób i dlaczego naukowcy łączą zarówno zawartość wody, jak i potencjał wodny, aby uzyskać dokładniejsze informacje.
Dr Colin Campbell analizuje najnowsze badania nad gospodarką wodną i przykłady z prawdziwego świata, aby odpowiedzieć na pytania: Czy gospodarka wodna działa? Jakie są wyzwania i najlepsze praktyki? I co powinniśmy zrobić dalej?
Regularne otrzymywanie najnowszych treści.
