streszczenie: 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 – TDR) 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 wy¬maga 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 przenikal¬ność dielektryczną gleby, b, i równocześnie na błąd pomiaru wilgotności objęto¬ściowej gleby, realizowanego metodą reflektometryczną.
Postawiony cel realizowany jest przez identyfikację przyczyn wpływu tem¬peratury na b oraz jego korektę w oparciu o przeprowadzone pomiary. Poddano weryfikacji istniejące modele opierające się na hipotezie istnienia dwóch prze¬ciwstawnych mechanizmów fizycznych wpływających na tempera¬turowy efekt pozornej przenikalności dielektrycznej gleby. Uwalnianie cząste¬czek wody zaadsorbowanej przez fazę stałą gleby wraz ze zwiększaniem ich energii kine¬tycznej spowodowanej wzrostem temperatury jest pierwszym z tych mechani¬zmów. Powoduje on zwiększenie wypadkowej przenikalności dielek¬trycznej gleby, co odzwierciedlane jest wzrostem jej pozornej przenikalności dielek¬trycznej wyznaczonej z pomiarów reflektometrycznych. Drugi mecha¬nizm dotyczy zmniejszania się przenikalności dielektrycznej cząsteczek wody swo¬bodnej ze wzrostem temperatury.
W wyniku przeprowadzonych badań oraz rozważań teoretycznych wykazano, że elektryczna konduktywność gleby nie wpływa na obserwowany efekt tempe¬raturowy w zakresie stosowanych wartości elektrycznej konduktywności, które nie przekraczały 2 dS•m-1. 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 b jest różny dla badanych gleb oraz zależy od wilgotności gleby. Dominującą rolę w tym efekcie odgrywają cząsteczki wody swobodnej. Wiel¬kość 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 b związany jest z wielkością powierzchni właściwej gleby, na której dipole cząsteczek wody są adsorbowane, a ich mobilność w zmiennym polu elektrycz¬nym jest ograniczona, zmniejszając wypadkową wartość b, która jest mierzona przyrządem TDR. 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 b gleby.
Elementem nowości uzyskanym na podstawie przeprowadzonych badań, w szczególności analizy krzywych kalibracji TDR dla gleb badanych w różnych temperaturach, było to, że wykazano istnienie określonej i unikatowej wartości wilgotności, nazwanej wilgotnością równowagi, eq, dla której efekt temperatu¬rowy pozornej przenikalności dielektrycznej gleby jest minimalny. Oznacza to, że efekty obu konkurujących ze sobą zjawisk fizycznych wpływających na zmianę temperaturową b gleby, równoważą się. Dla gleby, której wilgotność jest mniej¬sza od eq efekt temperaturowy przenikalności dielektrycznej jest dodatni, tzn. b wzrasta ze wzrostem temperatury, a dla gleby, której wilgotność jest większa od eq efekt temperaturowy jest ujemny, tzn. b maleje ze wzrostem temperatury. Wykazano, że wyznaczone wartości eq są zależne od wielkości powierzchni wła¬ściwej badanych gleb. Wilgotność równowagi, eq, 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 ekspery¬mentu. Elementy tych modeli, które są odpowiedzialne za wpływ temperatury na po¬zorną przenikalność dielektryczną gleby, b, wymagają dalszej analizy, ponie¬waż ich weryfikacja była negatywna. Ko¬rekta efektu temperaturowego na b opierająca się na rozważanych modelach fizycznych była niezadowalająca, co było konsekwencją braku spójności mię¬dzy wartościami b generowanymi przez przyjęte modele i wyznaczonymi z przeprowadzonego eksperymentu.
Opracowano empiryczną korektę wpływu temperatury na b, która bierze za podstawę linie trendu wpasowane do wyznaczonych reflektometrycznie wartości b(T). Korekta ta uwzględnia również indywidualną dla każdej gleby war¬tość wilgotności równowagi, eq. Dla wartości wilgotności gleby mniejszej od eq korygowany jest efekt temperaturowy wzrostu pozornej przenikalności die¬lektrycznej gleby, b, spowodowany uwalnianiem się cząsteczek wody zaadsor¬bowanej przez powierzchnię jej fazy stałej. Dla wartości wilgotności gleby większej od eq korygowany jest efekt temperaturowy zmniejszania się b spo¬wodowany zmniejszaniem się ze wzrostem temperatury przenikalności dielek¬trycznej cząsteczek wody swobodnej. Bezwzględny błąd pomiaru wilgotności objętościowej gleby metodą TDR, spowodowany wpływem temperatury na b zmniejsza się prawie trzykrotnie po zastosowaniu korekty empirycznej.
Do przeprowadzenia badań nad wpływem temperatury na b zaprojekto¬wano i skonstruowano zestaw inteligentnych sond reflektometrycznych zinte¬growa¬nych z czujnikami elektrycznej konduktywności i temperatury gleby oraz dedy¬kowany system pomiarowy. Integracja czujnika wilgotności z czujnikami in¬nych wielkości fizycznych i chemicznych materiałów porowatych, w tym gleby wydaje się przyszłościowym kierunkiem rozwoju metrologii agrofizycz¬nej, a prace opisane w przedstawionym opracowaniu będą kontynuowane w IA PAN, w Lublinie.