Wpływ temperatury na pomiar wilgotności gleby metodą reflektometryczną

przenikalność dielektryczna, reflektometria czasowa, TDR, wilgotność gleby

Wyznaczanie wilgotności materiałów porowatych, w szczególności gleby, jest jednym z głównych celów metrologii agrofizycznej. Wynika to z wagi, jaką odgrywa woda w większości procesów fizycznych i chemicznych zachodzących w glebie. Rozwój metody reflektometrycznej (Time Domain Reflectometry - TOR) do wyznaczania pozornej przenikalności dielektrycznej gleby umożliwił w sposób pośredni wyznaczanie jej wilgotności objętościowej w sposób szybki, dokładny, nie niszczący badanego obiektu i automatyczny. Zwiększenie dokładności reflektometrycznego pomiaru wilgotności gleb wymaga jednak dalszych prac badawczych i aparaturowych w celu wyeliminowania bądź skorygowania błędów będących wynikiem zmienności gleby. Niniejsza praca ma na celu ocenę wpływu temperatury na pozorną przenikalność dielektryczną gleby, ε_b, i równocześnie na błąd pomiaru wilgotności objętościowej gleby, realizowanego metodą reflektometryczną. Postawiony cel realizowany jest przez identyfikację przyczyn wpływu temperatury na ε_b oraz jego korektę w oparciu o przeprowadzone pomiary. Poddano weryfikacji istniejące modele opierające się na hipotezie istnienia dwóch przeciwstawnych mechanizmów fizycznych wpływających na temperaturowy efekt pozornej przenikalności dielektrycznej gleby. Uwalnianie cząsteczek wody zaadsorbowanej przez fazę stałą gleby wraz ze zwiększaniem ich energii kinetycznej spowodowanej wzrostem temperatury jest pierwszym z tych mechanizmów. Powoduje on zwiększenie wypadkowej przenikalności dielektrycznej gleby, co odzwierciedlane jest wzrostem jej pozornej przenikalności dielektrycznej wyznaczonej z pomiarów reflektometrycznych. Drugi mechanizm dotyczy zmniejszania się przenikalności dielektrycznej cząsteczek wody swobodnej ze wzrostem temperatury. W wyniku przeprowadzonych badań oraz rozważań teoretycznych wykazano, że elektryczna konduktywność gleby nie wpływa na obserwowany efekt temperaturowy w zakresie stosowanych wartości elektrycznej konduktywności, które nie przekraczały 2 dS·m^-l. Potwierdza to wcześniej dokonane badania własne oraz doniesienia literaturowe. Na podstawie zebranych krzywych kalibracyjnych TDR dla badanych gleb mineralnych w zmiennej temperaturze można wnioskować, że wpływ temperatury na εb jest różny dla badanych gleb oraz zależy od wilgotności gleby. Dominującą rolę w tym efekcie odgrywają cząsteczki wody swobodnej. Wielkość tego wpływu może istotnie zaburzać pomiar wilgotności gleby metodą reflektometryczną wprowadzając błąd pomiaru, którego wartość bezwzględna może wynosić nawet 4% wartości mierzonej. Dodatkowo, wpływ temperatury na εb związany jest z wielkością powierzchni właściwej gleby, na której dipole cząsteczek wody są adsorbowane, a ich mobilność w zmiennym polu elektrycznym jest ograniczona, zmniejszając wypadkową wartość εb, która jest mierzona przyrządem TOR. Podwyższenie temperatury gleby powoduje zwiększenie energii kinetycznej cząsteczek wody, które odrywając się od fazy stałej stają się bardziej mobilne w zmiennym polu elektrycznym, zwiększając wypadkową wartość εb gleby. Elementem nowości uzyskanym na podstawie przeprowadzonych badań, w szczególności analizy krzywych kalibracji TOR dla gleb badanych w różnych temperaturach, było to, że wykazano istnienie określonej i unikatowej wartości wilgotności, nazwanej wilgotnością równowagi, θeq, dla której efekt temperaturowy pozornej przenikalności dielektrycznej gleby jest minimalny. Oznacza to, że efekty obu konkurujących ze sobą zjawisk fizycznych wpływających na zmianę temperaturową ε_b gleby, równoważą się . Ola gleby, której wilgotność jest mniejsza od Beq efekt temperaturowy przenikalności dielektrycznej jest dodatni, tzn. εb wzrasta ze wzrostem temperatury, a dla gleby, której wilgotność jest większa od θeq efekt temperaturowy jest ujemny, tzn. ε_b maleje ze wzrostem temperatury. Wykazano, że wyznaczone wartości θeq są zależne od wielkości powierzchni właściwej badanych gleb. Wilgotność równowagi, θeq, która jest charakterystyczną i unikatową wartością dla każdej gleby można wykorzystać do dielektrycznego wyznaczania powierzchni właściwej gleby. Zastosowanie modeli fizycznych przenikalności dielektrycznej mieszaniny materiałów dielektrycznych nie zawsze są zgodne z rezultatami eksperymentu. Elementy tych modeli, które są odpowiedzialne za wpływ temperatury na pozorną przenikalność dielektryczną gleby, ε_b, wymagają dalszej analizy, ponieważ ich weryfikacja była negatywna. Korekta efektu temperaturowego na εb opierająca się na rozważanych modelach fizycznych była niezadowalająca, co było konsekwencją braku spójności między wartościami εb generowanymi przez przyjęte modele i wyznaczonymi z przeprowadzonego eksperymentu. Opracowano empiryczną korektę wpływu temperatury na εb, która bierze za podstawę linie trendu wpasowane do wyznaczonych retlektometrycznie wartości ε_b(T). Korekta ta uwzględnia również indywidualną dla każdej gleby wartość wilgotności równowagi, θeq. Dla wartości wilgotności gleby mniejszej od θeq korygowany jest efekt temperaturowy wzrostu pozornej przenikalności dielektrycznej gleby, εb, spowodowany uwalnianiem się cząsteczek wody zaadsorbowanej przez powierzchnię jej fazy stałej. Dla wartości wilgotności gleby większej od θeq korygowany jest efekt temperaturowy zmniejszania się εb spowodowany zmniejszaniem się ze wzrostem temperatury przenikalności dielektrycznej cząsteczek wody swobodnej. Bezwzględny błąd pomiaru wilgotności objętościowej gleby metodą TOR, spowodowany wpływem temperatury na ε_b zmniejsza się prawie trzykrotnie po zastosowaniu korekty empirycznej. Do przeprowadzenia badań nad wpływem temperatury na ε_b zaprojektowano i skonstruowano zestaw inteligentnych sond reflektometrycznych zintegrowanych z czujnikami elektrycznej konduktywności i temperatury gleby oraz dedykowany system pomiarowy. Integracja czujnika wilgotności z czujnikami innych wielkości fizycznych i chemicznych materiałów porowatych, w tym gleby wydaje się przyszłościowym kierunkiem rozwoju metrologii agrofizycznej, a prace opisane w przedstawionym opracowaniu będą kontynuowane w IA PAN, w Lublinie.