Vattenpotential

Definition: det arbete som krävs per volymenhet vatten för att överföra fritt rent vatten i en viss position där normalt atmosfärstryck råder till vatten i lösning och/eller i en annan position. Processen ska vara isotermisk och reversibel och massan hos vattnet antas försumbar.

Denna fysikaliska definition utgår från kraftbegreppet. Det finns också en kemisk definition som motsvarar denna men som utgår från andra grundbegrepp, t ex fri energi. Både dessa begrepp har dock sin gemensamma ursprung i termodynamiken.

Det är svårt att definiera ett absolut mått för energi. All materia har energi om dess temperatur ligger över den absoluta nollpunkten. Energin beror på tryck, temperatur, gravitation, adsorption till ytor etc.

Potentiell energi definieras därför alltid relativt till en standard. Standarden i detta sammanhang är rent markvatten (utan salter etc.), under visst tryck P0 (vanligtvis atmosfärens lufttryck), viss temperatur T0, viss referenshöjd z0 (grundvattennivå). Vattenpotentialen definieras som skillnaden mellan den energi som en viss mängd vatten har jämfört med samma mängd vatten under standardförhållanden. I ett idealt system (dvs. att ingen energi används för entropiökning) kan denna potentialskillnad användas för att utföra arbete.

Vattnets skillnad i energipotential vid olika ställen är den viktigaste drivkraften för transportprocesser i ekosystemen. Så länge solen lyser kommer det energiskillnader att byggas upp. Vatten flödar alltid ifrån ett högre till ett lägre vattenpotential. Det är samma princip som gäller för energiutbytet inom marken, mellan mark och atmosfär, mellan växt och mark och mellan växt och atmosfär. De enskilda komponenter som utgör vattenpotentialen har dock olika stark betydelse.

För markens det är det främst fyra komponenter som bestämmer vattenpotentialen (Y):

Matrixpotentialen (Ymatrix) utgörs av markens fasta material och luften i marken. Vattenmolekylerna attraheras starkt av ytor (adhesion). Dessutom attraheras vattenmolekylerna varandra (kohesion). I närvaro av luft samverkar dessa krafter och bildar den sk. kapillärkraften. När marken är torr finns det bara vatten i fina markporer. Därför är Y matrix den viktigaste komponenten när marken är torr.

Vattnet innehåller lösta ämnen. Det krävs arbete för att återge vattnet dess fria form, dvs. att separera vattenmolekylerna från de lösta ämnena. Energin som krävs till detta betecknas som osmotiskt potential (Yosmos).

Vatten över grundvattenytan har lägesenergi (Y grav) och vattnet under grundvattenytan står under hydrostatiskt tryck (Ytryck).

Det finns ytterliga krafter som verkar på vattnet i marken, men de viktigaste är alltså:

Y = Ymatrix + Yosmos + Ygrav + Ytryck

För växten gäller samma principer som för marken. Vid växtens avdunstningsytor (främst blad) är vattnet bundet till cellväggarna med adhesionskrafter och ytspänningsfenomen bildas vid närvaro av luft på liknande sätt som i markens omättade zon. Längre ned i växtens ledningsbanor förekommer dock inte luft och adhesionskrafterna får en underordnad roll. I levande celler i växten är mängden lösta ämnen relativt stor och osmospotentialen låg. När osmosen orsakar att vatten förs in i cellen uppstår en tryckkraft på vattnet frön cellväggen. Genom dess elasticitet utövar cellväggen ett tryck på vattnet och ger det en positiv potential. Osmos och tryckpotentialen har omvända tecken, men osmosen är den drivande kraften som ger upphov till turgortryck. Så, komponenterna Y osmos och Ytryck är viktigast i växten.

I atmosfären uttrycks vattnets energitillstånd i termer av ångtryck, eller rättare sagt, vattenmolekylernas rörelseenergi, vilket det observerade ångtycket är ett mått på. Torr luft har färre vattenmolekyler och ett lägre energitillstånd än  fuktigare luft. För att göra den torrare luften fuktigare måste det alltså tillföras vattenmolekyler med en viss rörelseenergi och därmed höjs vattenpotentialen. Potentialen kan uttryckas i termer av luftfuktighet.

Mättnadsångtrycket är det mått som definierar hur fuktigt ett luftpaket kan bli utan att nettokondensation sker. Lika många molekyler avdunstar från ytan som kondenserar mot densamma. Ångtrycket i den torra luften (ea) är alltid lägre än mättnadsångtrycket (es) och kvoten mellan de två (ea/es) är alltid lägre än 1.

Enheter för vattenpotentialen: Eftersom mängden vatten kan ha enheter kg m3 eller Newton (N), så kan även vattenpotentialen uttryckas med olika enheter. J/kg , J/m3=Pa, J/N=meter vattenpelare. De två senare enheter är de vanligaste.

Kan man mäta vattenpotentialen: http://www.cahe.wsu.edu/~soilsim/teaching/415/415_ch4.htm

Eftersom Joule är enheten för energi och arbete:
Arbete = kraft * avstånd = massa * accelleration * avstånd
Enheten för Joule kan därför skrivas som: kg m²/s²

Enheterna kan omvandlas enligt följande:

Multiplicera med för att få
J/kg rw=1000 kg/m3 Pa=J/m3
J/kg 1/g= s2/9.8m m=J/N
Pa 1/rw*g=(m3/1000kg)(s2/9.8m) m

1 bar = 100 J/kg
1 bar = 100,000 Pa = 0.1 MPa
1 bar = 1020 cm
1 J/kg = 1000 Pa = 1 kPa
1 J = 0.2388 cal

linkstreck.gif (924 bytes)

Vill du veta mera om vattenpotential: http://aghort.nmsu.edu/soils/soil_physics/tutorials/wp/wp_tut.html

Tillbaka


Copyright © 1999
-2002 [Växten & Marken]. All rights reserved.
Information in this document is subject to change without notice.
Other products and companies referred to herein are trademarks or registered trademarks of their respective companies or mark holders.