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Die Geschichte der Wasserpotentialmessung

Die Geschichte der Wasserpotentialmessung

Verständnis ungesättigter Wasserströmung in Böden

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts rekrutierte das USDA Bureau of Soils (BOS) mehrere Physiker, um perplexe Probleme in der Landwirtschaft zu lösen. Einer dieser Wissenschaftler war Edgar Buckingham. Als Buckingham 1902 zum Bureau of Soils kam, hatte er bereits eine Abhandlung über die Thermodynamik veröffentlicht. Seine ersten Experimente am BOS haben sich mit dem Gastransport in Böden befasst. Letztendlich war es aber seine Aufgabe, das Problem der ungesättigten Wasserströmungen im Boden zu betrachten. IAuf diesem Feld hat Edgar Buckingham seinen größten Beitrag in der Bodenphysik geleistet.

1902: Edgar Buckingham beginnt die Arbeit im Bureau of Soils. Seine Erfahrung in der Thermodynamik haben dazu beigetragen, den ungesättigtem Wasserfluss in Böden verstehen zu lernen.

1930er Jahre: L.A. Richards entwickelt die Druckplatte, eines der ersten Instrumente, das in der Lage war, die sogenannte “Kapillarleitfähigkeit” effektiv zu messen.

1940er Jahre: L.A. Richards und John Monteith veröffentlichen Abhandlungen , die beschreiben, wie Thermoelement-Psychrometer verwendet werden können, um das Wasserpotential von Bodenproben zu messen.

1951: D.C. Spanner ist der erste, der erfolgreich den Einsatz eines Thermocouple-Psychrometers zur Messung des Wasserpotentials im Boden demonstriert.

1983: METER stellt das erste handelsübliche Thermocouple-Psychrometer vor (das SC-10, das später als TruPsi bekannt ist).

Als klassischer Physiker benutzte Buckingham die Mathematik, um den Geheimnissen auf den Grund zu gehen, wie Wasser im Boden fließt. Buckingham wusste, dass es nicht der Wassergehalt war, der ungesättigte Wasserströmungen antrieb. Seine Herausforderung war es, die Kräfte zu finden, die es tun. Selbstverständlich war der junge Physiker mit den elektrischen und thermischen Faktoren bekannt und den Fließkräften, die sie verursachen. Diese Konzepte waren alles Analogien für die Kraft, die das Wasser im Boden durch Steigungen fließen lässt, er nannte sie: “Kapillarleitfähigkeit”. Buckingham nutzte Ohms und Fouriers Gesetze, um diesen Fluss zu beschreiben.

Messung des Wasserpotentials im Labor

Obwohl Edgar Buckingham im Jahr 1907, im Alter von 40 Jahren, die “Kapillarleitfähigkeit” beschrieb und demonstrierte, war er es noch ein langer Weg, um sie effektiv messen zu können. Das erste Messgerät, mit dem dies möglich war, war die Druckplatte. Lorenzo A. Richards hat sie in den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelt. Mit der Druckplatte entwarf der Physiker ein Messgerät, das das Wasserpotential nicht direkt misst. Stattdessen bringt die Druckplatte eine Probe auf ein bestimmtes Wasserpotential, in dem sie Druck ausübt und Wasser aus der Probe in eine poröse Keramikplatte zwingt. Gerät die Probe ins Gleichgewicht, ist ihr Wasserpotential theoretisch genauso groß wie der angewandte Druck.

Erreicht die Bodenproben unter Druck ein bestimmtes Wasserpotential, kann der korrelierte Wassergehalt gemessen werden. Eine Charakteristik der Bodenfeuchte wird erstellt, indem die Messungen bei unterschiedlichen Drücken durchgeführt werden.

Dampfmethoden

Ungefähr ein Jahrzehnt nach der Erfindung seiner Druckplatte veröffentlichten L.A. Richards in den USA und John Monteith in Großbritannien Abhandlungen, die die Verwendung eines Thermocouple-Psychrometer beschreiben, um das Wasserpotential von Bodenproben zu messen. Mit dem Thermocouple-Psychrometer wird die Probe mit Dampf in einer geschlossenen Kammer equilibriert. Hat sich ein Gleichgewicht eingestellt, steht die relative Feuchtigkeit des Dampfes in einem direkten Zusammenhang mit dem Wasserpotential der Probe.

Der Begriff Psychrometer, der 1818 vom deutschen Erfinder Ernst Ferdinand August (1795-1870) geprägt wurde, bedeutet auf Griechisch “kalter Messer”. Ein Psychrometer besteht aus zwei identischen Thermometern. Eins (die trockene Kugel) wird trocken gehalten, während das andere (die nasse Kugel) gesättigt gehalten wird. Der Temperaturunterschied zwischen den Nass- und Trockenkugeltemperaturen kann zur Berechnung der relativen Feuchtigkeit der Luft verwendet werden.

Thermocouple-Psychrometer

Die ersten Psychrometer, die zur Messung der relativen Feuchtigkeit oberhalb einer Bodenprobe verwendet wurden, waren notwendigerweise recht klein. Die beiden Thermometer wurden aus winzigen, zerbrechlichen Thermoelementen hergestellt. Ein Thermoelement ist ein Temperatursensor aus zwei verschiedenen Leitern, die an einer Stelle miteinander verbunden sind. Das Thermoelement wandelt einen Temperaturgradienten in Elektrizität um, die gemessen werden kann – die Temperaturänderung wird daran abgeleitet.

D.C. Spanner verwendete um 1951 das Thermocouple-Psychrometer als erster erfolgreich, um damit das Wasserpotential zu messen. Um an die Messergebnisse zu kommen, musste Spanner einen eigenen Draht aus Wismut-Antimon herstellen. Laut John Monteith, sah man einer Dunstabzugshaube aus Rothamsted noch viele Jahre danach die Spuren des Experiments an.

Andere Wissenschaftler wollten D.C. Spanners Messungen wiederholen. Bis zu einer Woche brauchten sie, um die Proben zu equilibrieren. Die filigranen Thermoelemente konnten dabei oftmals nur eine Probe lesen, bevor sie zerbrachen. Dennoch waren für L.A. Richards bis ins Jahr 1961 Dampfmethoden die Zukunft der Wasserpotenzialmessungen (Richards und Ogata, 1961).

METER (früher Decagon und UMS) stellte 1983 ein erstes handelsübliches Thermocouple-Psychrometer (das SC-10 Thermocouple-Psychrometer, später TruPsi) vor. Dieses Instrument verwendet ein feines Thermoelement, schützt es aber in einem versiegelten Gehäuse. Neun Proben wurden gleichzeitig equilibriert und rotieren unter dem Thermoelement.

Vor jeder Messung wurde das Feuchtkugel-Thermoelement in ein winziges Wasserreservoir getaucht. Die elektrische Leistung des Thermoelements wurde an einen Nanovoltmeter gesendet. Dieser wurde überwacht, um zu wissen, wann sich Temperaturen nicht mehr ändern.

Taupunkt-Potentiameter der METER Group

Ende der 1990er Jahre begann METER mit der Produktion des WP4C Taupunkt-Potentiameters, einer verbesserten Methode zur Messung des Wasserpotentials mit Dampfdruck. Wie der Psychrometer misst das Potentiameter den Dampfdruck über einer in einer Kammer versiegelten Probe. Beide Instrumente sind primäre Messmethoden, die auf thermodynamischen Prinzipien basieren.

Im Gegensatz zum Psychrometer verwendet das Taupunkt-Potentiameter einen Taupunktsensor mit gekühltem Spiegel. Der Spiegel wird gekühlt, bis sich gerade so Tau darauf bildet. Am Taupunkt misst der WP4C sowohl die Spiegel- als auch die Probentemperatur mit einer Genauigkeit von 0,001 °C, um schließlich die relative Feuchtigkeit des Dampfes über der Probe zu bestimmen. Das Wasserpotential der Probe bezieht sich linear auf die Differenz zwischen der Probentemperatur und der Taupunkttemperatur.

Der Taupunktsensor hat mehrere Vorteile: Er ist schneller und einfach zu bedienen. Der gekühlte Spiegelsensor benötigt kein zusätzliches Wasser und erhöht daher nicht den Wassergehalt des Dampfes oberhalb der Probe. Die Messung hat zudem den Vorteil, ein primäres Verfahren zur Bestimmung des Wasserpotentials zu sein, das auf thermodynamischen Prinzipien basiert und nicht von Kalibrierungen abhängt. Die neueste Version des Messgeräts schafft es, Temperaturen bis zu einem Tausendstel-Grad zu unterscheiden. Damit wird es möglich, Proben mit einer exzellenten Genauigkeit von bis zu -0,5 MPa zu messen. Wetten, dass Edgar Buckingham heute wahrscheinlich das Taupunkt-Potentiameter der METER Group nutzen würde?

 

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