פוטנציאל מים: רכיבים, שיטות ודוגמאות - סביבה - 2025

פוטנציאל המים הוא האנרגיה החופשית או מסוגל לעשות עבודה, אשר יש נפח מסוים של מים. כך, למים שבראש מפל או מפל יש פוטנציאל מים גבוה אשר למשל מסוגל להזיז טורבינה.

הסמל המשמש להתייחס לפוטנציאל המים הוא האות היוונית ההונית בשם psi, שנכתבת Ψ. פוטנציאל המים של מערכת כלשהי נמדד בהתייחס לפוטנציאל המים של מים טהורים בתנאים הנחשבים כסטנדרטיים (לחץ של אטמוספרה 1 ואותו גובה וטמפרטורה זהים של המערכת הנלמדת).

פוטנציאל אוסמוטי. מקור: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

הגורמים הקובעים את פוטנציאל המים הם כוח המשיכה, הטמפרטורה, הלחץ, ההידרציה וריכוז המומסים הקיים במים. גורמים אלה קובעים את היווצרותם של שיפועים פוטנציאליים במים ושיפועים אלה מניעים את התפשטות המים.

באופן זה, המים עוברים מאתר עם פוטנציאל מים גבוה לאתר אחר עם פוטנציאל מים נמוך. מרכיבי פוטנציאל המים הם הפוטנציאל האוסמוטי (ריכוז מומסים במים), פוטנציאל מטרי (הידבקות מים למטריצות נקבוביות), פוטנציאל הכבידה ופוטנציאל הלחץ.

הכרת פוטנציאל המים חיונית להבנת תפקודן של תופעות הידרולוגיות וביולוגיות שונות. אלה כוללים ספיגת מים וחומרים מזינים על ידי צמחים וזרימת מים באדמה.

מרכיבי פוטנציאל מים

פוטנציאל המים מורכב מארבעה מרכיבים: פוטנציאל אוסמוטי, פוטנציאל מטרי, פוטנציאל כבידה ופוטנציאל לחץ. הפעולה של רכיבים אלה קובעת את קיומם של שיפועים פוטנציאליים הידריים.

פוטנציאל אוסמוטי (Ψs)

בדרך כלל מים אינם במצבם הטהור, מכיוון שהם המיסו בהם מוצקים (מומסים), כמו מלחים מינרליים. הפוטנציאל האוסמוטי ניתן על ידי ריכוז המומסים בתמיסה.

ככל שכמות המיסים המומסים גבוהה יותר, יש פחות אנרגיה חופשית של המים, כלומר פחות פוטנציאל מים. לכן, מים מנסים ליצור שיווי משקל על ידי זרימה מתמיסות עם ריכוז נמוך של מומסים לפתרונות עם ריכוז גבוה של מומסים.

פוטנציאל מטריקס או מטריצה ​​(Ψm)

במקרה זה, הגורם הקובע הוא נוכחות של מטריצה ​​או מבנה של חומר ניתנים להסברה, כלומר יש לו זיקה למים. זה נובע מכוחות ההדבקה שנוצרים בין מולקולות, במיוחד קשרי המימן הנוצרים בין מולקולות מים, אטומי חמצן וקבוצות הידרוקסיל (OH).

לדוגמה, הדבקה של מים לחימר אדמה היא מקרה של פוטנציאל מים על בסיס פוטנציאל מטרי. מטריצות אלה על ידי משיכת מים מייצרות פוטנציאל מים חיובי, ולכן המים מחוץ למטריצה ​​זורמים לעברם ונוטים להישאר בפנים כשהם מתרחשים בספוג.

גובה או פוטנציאל כבידה (Ψg)

כוח הכבידה של כדור הארץ הוא במקרה זה זה שמקים את המדרגה הפוטנציאלית, מכיוון שהמים נוטים ליפול כלפי מטה. מים הממוקמים בגובה מסוים הם בעלי אנרגיה חופשית הנקבעת על ידי המשיכה שכדור הארץ מפעיל על המסה שלהם.

תנועת מים על ידי כוח הכבידה. מקור: בילאל אחמד / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

לדוגמה, מים במיכל מים מוגבה נופלים בחופשיות במורד הצינור ונוסעים עם אנרגיה קינטית (תנועה) זו עד שהם מגיעים לברז.

פוטנציאל לחץ (Ψp)

במקרה זה, למים הנמצאים בלחץ יש אנרגיה חופשית גדולה יותר, כלומר פוטנציאל מים גדול יותר. לכן מים אלה יעברו מהמקום שהם בלחץ למקום בו הם לא, וכתוצאה מכך יש פחות אנרגיה חופשית (פחות פוטנציאל מים).

לדוגמא, כשאנחנו מנה טיפות בעזרת טפטפת, על ידי לחיצה על כפתור הגומי אנו מפעילים לחץ שמעניק אנרגיה למים. בגלל אנרגיה חופשית גבוהה יותר זו, המים עוברים לחוץ שם הלחץ נמוך יותר.

שיטות לקביעת פוטנציאל המים

ישנן מגוון שיטות למדידת פוטנציאל מים, חלקן מתאימות לאדמה, אחרות לרקמות, למערכות הידראוליות מכניות ואחרות. פוטנציאל המים שווה ליחידות לחץ ונמדד באטמוספרות, סורגים, פסקלים או psi (פאונד לאינץ 'רבוע בערך ראשי התיבות שלו באנגלית).

להלן כמה מהשיטות הבאות:

משאבת שולנדר או תא לחץ

אם תרצו למדוד את פוטנציאל המים של עלה צמח, תוכלו להשתמש בתא לחץ או במשאבת שולנדר. זה מורכב מתא אטום בו ממוקם העלה כולו (הסדין עם הפטוטר שלו).

מדידת פוטנציאל המים של עלה עם תא לחץ. מקור: Pressurebomb.svg: עבודה Aibdescalzoderivative: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

ואז הלחץ בתוך התא מוגבר על ידי החדרת גז בלחץ, מדידת הלחץ שמגיע אליו באמצעות מד מנוטר. הלחץ של הגז שעל העלים עולה, עד לנקודה בה המים הכלולים בו זורמים החוצה דרך רקמת כלי הדם של הכותרת.

הלחץ שמציין המנומטר כאשר המים עוזבים את העלה תואם לפוטנציאל המים של העלה.

בדיקות לחץ

ישנן מספר חלופות למדידת פוטנציאל המים באמצעות מכשירים מיוחדים הנקראים בדיקות לחץ. הם נועדו למדוד את פוטנציאל המים של האדמה, בהתבסס בעיקר על פוטנציאל הבגרות.

לדוגמא, ישנם בדיקות דיגיטליות העובדות על בסיס החדרת מטריצה ​​קרמית נקבובית המחוברת לחיישן לחות לאדמה. קרמיקה זו מתייבשת במים בתוך האדמה עד שהיא מגיעה לאיזון בין פוטנציאל המים במטריקס הקרמי לבין פוטנציאל המים של האדמה.

לאחר מכן, החיישן קובע את תכולת הלחות של הקרמיקה ומעריך את פוטנציאל המים של האדמה.

מיקרו-נימי עם בדיקת לחץ

ישנם גם בדיקות המסוגלות למדוד את פוטנציאל המים ברקמות הצמח, כמו גזע של צמח. דגם מורכב מצינור דק מאוד וטיפה דקה (צינור מיקרופילאר) המוחדר לרקמות.

לאחר חודר לרקמה חיה, הפיתרון הכלול בתאים עוקב אחר שיפוע פוטנציאלי שהוגדר על ידי הלחץ הכלול בגזע ומוחדר למיקרופיל. כאשר הנוזל מהגבעול נכנס לצינור הוא דוחף שמן הכלול בתוכו שמפעיל בדיקת לחץ או מנומטר שמקצה ערך התואם לפוטנציאל המים

וריאציות במשקל או בנפח

כדי למדוד את פוטנציאל המים על בסיס הפוטנציאל האוסמוטי, ניתן לקבוע את וריאציות המשקל של רקמה השקועה בתמיסות בריכוזים שונים של מומס. לשם כך מכינים סדרה של צינורות מבחן, כאשר לכל אחד מהם יש ריכוז הולך וגובר של מומסים, למשל סוכרוז (סוכר).

כלומר, אם יש 10 סמ"ק מים בכל אחת מ -5 צינורות, מוסיפים 1 מ"ג של סוכרוז בצינור הראשון, 2 מ"ג בשני, ועד 5 מ"ג באחרון. אז יש לנו סוללה עולה של ריכוזי סוכרוז.

לאחר מכן, נחתכים 5 חלקים במשקל שווה וידוע מהרקמה שנקבע פוטנציאל המים שלהם (למשל חתיכות תפוחי אדמה). לאחר מכן מניחים חתך בכל צינור בדיקה ואחרי שעתיים מוסרים את חלקי הרקמות ונשקלים.

תוצאות ופרשנות צפויות

חלקים מסוימים צפויים לרדת במשקל מירידה במים, אחרים עלו במשקל מכיוון שהם ספגו מים, ואחרים ישמרו על המשקל.

אלה שאיבדו מים היו בתמיסה שבה ריכוז הסוכרוז היה גדול יותר מאשר ריכוז המומסים ברקמה. לכן, המים זרמו לפי שיפוע הפוטנציאל האוסמוטי מהריכוז הגבוה ביותר לנמוך ביותר, והרקמה איבדה מים ומשקלה.

לעומת זאת הרקמה שצברה מים ומשקל הייתה בתמיסה עם ריכוז נמוך יותר של סוכרוז מאשר ריכוז המומסים בתוך הרקמה. במקרה זה, שיפוע הפוטנציאל האוסמוטי העדיף את כניסת המים לרקמה.

לבסוף, באותו מקרה בו הרקמה שמרה על המשקל המקורי שלה, ניתן להסיק כי הריכוז בו הוא נמצא יש אותו ריכוז של מומסים. לכן, ריכוז זה יתאים לפוטנציאל המים של הרקמה הנלמדת.

דוגמאות

ספיגת מים על ידי צמחים

עץ בגובה 30 מ 'צריך להעביר מים מהאדמה לעלה האחרון, וזה נעשה דרך מערכת כלי הדם שלו. מערכת זו היא רקמה מיוחדת המורכבת מתאים שמתים ונראים כמו צינורות דקים מאוד.

תנועת מים בצמחים. מקור: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

הובלה אפשרית בזכות ההבדלים בפוטנציאל המים הנוצרים בין האטמוספרה לעלה, אשר בתורו מועברת למערכת כלי הדם. העלה מאבד מים במצב הגזי בגלל הריכוז הגבוה יותר של אדי מים בו (פוטנציאל מים גבוה יותר) לעומת הסביבה (פוטנציאל מים נמוך יותר).

אובדן הקיטור מייצר לחץ או יניקה שליליים המאלצים את המים מכלי מערכת כלי הדם לכיוון להב העלה. יניקה זו מועברת מכלי לכלי עד הגעה לשורש, שם מוטבעים התאים והמרחבים הבין תאיים במים שנספגים מהאדמה.

המים המגיעים מהאדמה חודרים לשורש עקב הבדל בפוטנציאל האוסמוטי בין המים בתאי האפידרמיס של השורש לזו של האדמה. זה קורה מכיוון שלתאי השורש יש ממסים בריכוזים גבוהים יותר מאשר מי אדמה.

ריריות

צמחים רבים בסביבות יבשות שומרים מים על ידי הפקת רירית (חומר צמיג) המאוחסנים בוואקום שלהם. מולקולות אלה שומרות על מים, ומצמצמות את האנרגיה החופשית שלה (פוטנציאל מים נמוך), במקרה זה המרכיב המטרי של פוטנציאל המים מכריע.

מיכל מים מוגבה

במקרה של מערכת אספקת מים המבוססת על מיכל מוגבה, אותו מלא במים בגלל השפעת פוטנציאל הלחץ. החברה המספקת את שירות המים מפעילה לחץ באמצעות משאבות הידראוליות וכך מתגברת על כוח הכובד להגיע למכל.

ברגע שהמיכל מלא, המים מופצים ממנו הודות להבדל פוטנציאלי בין המים האגורים במיכל לשקעי המים בבית. פתיחת ברז קובעת שיפוע פוטנציאלי כבידתי בין המים בברז לזה של המיכל.

לפיכך, למים במיכל יש אנרגיה חופשית גבוהה יותר (פוטנציאל מים גבוה יותר) ונופלים בעיקר בגלל כוח הכובד.

דיפוזיה של מים באדמה

המרכיב העיקרי בפוטנציאל המים של האדמה הוא פוטנציאל המטרי, בהתחשב בכוח ההדבקה שנוצר בין החימרים למים. מצד שני, פוטנציאל הכובד משפיע על מדרגת העקירה האנכית של המים באדמה.

תהליכים רבים המתרחשים באדמה תלויים באנרגיה החופשית של המים הכלולים באדמה, כלומר על פוטנציאל המים שלהם. תהליכים אלו כוללים תזונה וצמחייה, חדירת מי גשמים ואידוי מים מהאדמה.

בחקלאות חשוב לקבוע את פוטנציאל המים של האדמה ליישום נכון של השקיה ודישון. אם הפוטנציאל המטרי של האדמה הוא גבוה מאוד, המים יישארו מחוברים לחרסים ולא יהיו זמינים לספיגה על ידי צמחים.

הפניות

1. בוסו, קליפורניה (2008). שימוש בתא הלחץ ובפסיכומטרים של צמד תרמי לקביעת יחסי הידרקמות ברקמות הצמח. ייטון.
2. Quintal-Ortiz, WC, Pérez-Gutiérrez, A., Latournerie-Moreno, L., May-Lara, C., Ruiz-Sánchez, E. and Martínez-Chacón, AJ (2012). שימוש במים, פוטנציאל מים ותנובת פלפל האברנו (C apsicum chinense J acq.). מגזין Fitotecnia Mexicana.
3. סליסבורי, FB ורוס, CW (1991). פיזיולוגיית הצמח. הוצאת ווסוורת '.
4. שולנדר, פ., ברדסטריט, א., המינגסן, א. והמל, ח. (1965). לחץ מוהל בצמחים כלי הדם: ניתן למדוד לחץ שלילי הידרוסטטי בצמחים. מַדָע.
5. סקאו, FA (2007). פוטנציאל מים ומים. בתוך: סקאו, FA וקרדמיל, ל. (עורכים). פיזיולוגיית הצמח. מהדורות אוניברסיטת לה סרנה