Měření vodního a osmotického potenciálu psychrometricky, „Wescorem“ J. Kubásek Wescor HR 33T, který funguje jako mikrovoltmetr se bez velké změny vyrábí už přes 20 let a není na něm moc co vylepšovat. Nepříjemná a nevyřešená ale je pomalost měřících komor, které jsou velmi citlivé na ustavení rovnováhy a na výkyvy teploty. Princip měření je jednoduchý, praxe – jak to tak bývá – složitější. Ale to uvidíte sami… Teď vám zkusím vysvětlit, jak Wescor funguje a co budeme dělat. Nebudu tu ale definovat co je to vodní potenciál, jaký má pro rostliny význam, z jakých složek se skládá, co ho ovlivňuje a v jakých jednotkách se udává. To je hezky vysvětleno od doc. Šantrůčka ve skriptech, tak si to – pokud nemáte jasno – laskavě ujasněte tam.
Princip měření: Pokud uzavřeme kapku vody do malého prostůrku kde je nad ní vzduch, potom se voda postupně odpařuje a zvlhčuje vzduch nad ní. Funguje ale i opačný proces – čím je vzduch vlhčí, tím víc molekul H2O se vrací zase do vodní fáze. Asi je jasné, že se tyhle děje jednou vyrovnají (pokud je objem vzduchu malý, může to být velmi rychle, třeba jen za několik 10tek sekund). Pak mluvíme o nasycené vodní páře ve vzduchu a jeho relativní vlhkost (RH) je 100%. Pokud voda obsahuje něco co se nevypařuje (nejčastěji soli), je tím takříkajíc zředěna, její aktivita je snížena a rovnováha se ustaví při nižší vlhkosti vzduchu. Je to proto, že se vypařuje o něco méně - vody je v roztoku méně -, ale návrat molekul vody ze vzduchu je stejně rychlý. Pokud tedy dokážeme dostatečně přesně měřit relativní vlhkost vzduchu nad naším vzorkem, který je se vzduchem v rovnováze, máme vyhráno. Pak už stačí jen vlhkost přepočítat na osmotický potenciál roztoku nebo osmotický potenciál rostlinného pletiva, půdy nebo čehokoliv jiného. A To právě dělá Wescor na principu velmi přesného měření teploty. Možná vás napadne proč přímo neměřit vlhkost ?! Je to proto, že ta je velmi blízká 100% a zjistit přímo tyto nepatrné rozdíly je téměř nemožné. Tak pro ilustraci: čistá voda má z definice vodní potenciál 0 a relativní vlhkost nad ní bude 100%, jasný. List, který má vodní potenciál - 5 MPa – a ten už u většiny druhů rostlin není slučitelný se životem - nad sebou udělá relativní vlhkost 96%. Většina „normálních listů“ bude vlhčích a my se budeme tedy pohybovat v rozsahu dejme tomu RH = 98 až 100%. Tady nám meteorologický vlhkoměr nepomůže a musíme se vydat jinou cestou. Víte co je to termočlánek ? Ne ?! Tak dobrá…Termočlánek má dva spoje různých kovů (kovů s rozdílnou výstupní prací elektronů) a je zdrojem napětí, které je úměrné rozdílu teplot mezi jeho konci. Pokud budeme schopni měřit dost malá napětí, budeme moci měřit i malé rozdíly teploty. Teď už zbývá jen vysvětlit jak z rozdílu vlhkosti uděláme rozdíl teploty. Tady si pomůžeme malým obrázkem. Ve vzorkové komůrce je uzavřen vzorek pletiva, voda v něm je v rovnováze se vzduchem nad vzorkem. Jeden spoj termočlánku je pevně spojen s hliníkovým masivním blokem, který vnitřnímu prostoru skýtá vysokou teplotní stabilitu (i kolísání teploty o ± 0,001 °C může být rušivé !) . Naproti tomu druhý spoj volně visí ve vnitřním prostoru a jeho teplota se může lišit. Ale proč by se měla lišit a jak to souvisí s vlhkostí ???…řeknete si asi. A v tom právě spočívá způsob jak převést drobný rozdíl ve vlhkosti na teplotu. Čtěte dál… Když na tomto konci bude malá kapka čisté vody, bude se odpařovat, pokud okolní vzduch v rovnováze se vzorkem nemá 100% vlhkost. Tento výpar bude spoj ochlazovat a toto ochlazování bude nepřímo úměrné vlhkosti vzduchu a vodnímu potenciálu vzorku. Čím sušší
1
vzorek a vzduch, tím rychleji se bude kapka odpařovat a rozdíl teplot, který vznikne mezi blokem a volným spojem termočlánku bude větší. Naopak pokud vzorek bude
2
mít 0vý vodní potenciál, bude nad ním 100% vlhkost a kapka se nemá takříkajíc kam vypařovat. Takže nevznikne žádný rozdíl teplot a přístroj bude indikovat 0 hodnotu jako vodní potenciál. Chytré že ?! Opět připomínám, že měříme rozdíly teplot v 0,01 až 0,1 °C takže nároky na teplotní ustálení jsou extrémní. Proti očekávání ale toto nebrání využití metody a tohoto přístroje v terénu – při troše pečlivosti a dostatku času do jde i když v laborce je to jednodušší. Teď už zbývá jen vysvětlit kde se vezme kapka čisté vody na volném spoji. Uděláme ji tam kapátkem z destilky ? To, že je to blbost hnedka pochopíte až vám ukážu jak ten termočlánek vypadá ☺ Je to jinak a vysvětlit to zabere další odstavec, leč nemohu jinak. Termočlánek totiž dovede ještě jednu, a to přesně opačnou věc, než jsme zatím řešili. Vyplývá to z logiky. Pokud rozdíl teploty mezi spoji generuje na výstupu z termočlánku napětí, pak napětí přiložené na vývody musí generovat rozdíl teploty mezi těmito dvěma spoji. Co víc, nejenže jeden spoj hřeje, druhý dokonce chladne pod teplotu okolí! Tahle nezvyklá vlastnost se v praxi využívá v chladící technice a říká se ji Peltierův jev. Speciálně upravené termočlánky pak Peltierovy články. Asi je znáte pokud jste počítačoví borci, páč „tuningátoři“ je používají na chlazení CPU´s, ale to už odbočujeme moc. Takže kapku uděláme na volném konci tak, že do termočlánku pustíme na chvíli proud takové polarity, že se volný konec ochladí. Protože je kolem něj vysoká vlhkost, stačí třeba 1°C a orosí se jako brýle když s nimi přijdete ze zimy. Poté proud vypneme a termočlánek používáme k měření teploty jak jsme si popsali výše. I když je to ještě trošku složitější, doufám, že jsem nic důležitého co by k pochopení principu bylo třeba nezatajil a i zvídavé jsem tak uspokojil.
Dvě metody měření, který Wescor umí… 1/Psychrometrická Měří se ochlazování vlhkého termočlánku výparem přesně tak jak je to popsáno výše.
2/ metoda rosného Bodu Mít ve Wescoru zdroj chladícího proudu jen na to, aby se udělala kapička na volném spoji by bylo skoro marnotratné. Pokud vzniklou kapku necháme volně vypařovat, dosáhne spoj jisté míry podchlazení, kterou zaznamenáme, kapička se postupně vypaří a poté se teplotní rozdíl ztratí. No jo, ale co když budeme spoj stále chladit. Ano kapička se bude zvětšovat. Takže je
3
jasné, že musí existovat nějaký kompromis, při kterém se kapička ani nezvětšuje ani neodpařuje. K tomuto bodu přísluší určitá teplota a určitý chladící proud. Pokud víte něco o meteorologii, už vám svítá, že to je teplota rosného bodu, kterou bude velmi výhodné měřit, protože je přesně tabelována a na rozdíl od ochlazovacího efektu vypařující se vody nezávisí na konstrukci termočlánku. Převod z teploty na vlhkost tak bude mít u všech termočlánků stejnou konstantu. Co naopak závisí na termočlánku je jeho chladící účinnost, která musí být na přístroji nastavena, aby poznal jaký chladící proud má do termočlánku pouštět a kdy je dosaženo rovnovážné teploty rosného bodu. Ukážeme si… Obecně platí, že metoda rosného bodu je vhodnější a přesnější pro více vlhké vzorky (list, osmotické roztoky), psychrometrická zase pro sušší (půda). Zkusíme si obě.
Popis přístroje Přístroj si popíšeme společně, aby ten návod nebyl tak rozkecaný. Myslím, že je důležitější znát do začátku princip než kterým knoflíkem se točí. Myslím, že si nikdo nebude zkoušet přepínat knoflíky a měřit imaginárně nad papírem. Přesto přikládám jeho fotografii, abyste věděli do čeho jdete… Toto ovšem není celý přístroj, jen jeho část, která zodpovídá za vyhodnocování a řízení. Vlastní měřící termočlánek je vždy v kovové isotermní komoře, kterých je několik typů a s každou se trochu jinak pracuje. Popis by byl neúměrně dlouhý. Aspoň se budete mít na co těšit.
4
Zadání Změřte vodní potenciál předložených vzorků rostlinného pletiva a interpretujte získané hodnoty ve fyziologické terminologii (které rostliny jsou pravděpodobně více stresovány suchem? Jsou větší rozdíly mezi druhy rostlin, nebo mezi způsoby pěstování ?) Poté vylisujte ze vzorků buněčnou šťávu a změřte její osmotický potenciál. Jsou získané hodnoty stejné jako u vodního potenciálu listů, ze kterých pocházejí ? Pokud ne, které složky vodního potenciálu zodpovídají za odlišnosti ?
Vyhotovení protokolu Jako vědec budu preferovat protokoly stručné, ale logické s dostatečnou „diskusní částí“. Obsah je důležitější než forma, ale musím to přečíst a pochopit! Myslím, že není třeba do nich ani opisovat či vkopírovávat ten sáhodlouhý princip měření. Jestli jste si ho přečetli a dostatečně mu rozumíte si ostatně ověřím když ke mně přijdete a pokud budete kompletně dutý, vyhodím vás a budete si úlohu nahrazovat jindy. Pokud budete mít dobré nápady a závěry, můžete ho udělat hned na místě, ušetříme si čas následným vzájemným naháněním. Pokud ne, vezmete si naměřené údaje s sebou a protokol mi ke schválení přinesete později.
5
