水分含有量

水分含有量または水分含有量は、土壌（土壌水分と呼ばれる）、岩石、陶磁器、作物、木材などの材料に含まれる水の量です。水分含有量は、科学技術分野の幅広い分野で使用されており、0（完全に乾燥）から飽和時の材料の多孔度の値までの範囲の比率として表されます。水分含有量は、体積基準または質量（重量基準）で表すことができます。

体積水分含有量θは数学的に次のように定義されます。

${\displaystyle \theta ={\frac {V_{w}}{V_{\text{wet}}}}}$

ここで、 は水の体積であり、は湿潤物質の全体積、すなわち固体ホスト物質（土壌粒子、植物組織など） 、水、および空気の体積の合計に等しくなります。 ${\displaystyle V_{w}}$${\displaystyle V_{\text{wet}}=V_{s}+V_{w}+V_{a}}$${\displaystyle V_{s}}$${\displaystyle V_{w}}$${\displaystyle V_{a}}$

重量水分含有量^[1]は質量（重量）で次のように表されます。

${\displaystyle u={\frac {m_{w}}{m_{s}}}}$

ここで、は水の質量、は固体の質量です。 ${\displaystyle m_{w}}$${\displaystyle m_{s}}$

石炭のように水分含有量によって体積が変化する物質の場合、重量水分含有量uは、湿った試料（乾燥前）の単位質量あたりの水の質量で表されます。

${\displaystyle u'={\frac {m_{w}}{m_{\text{wet}}}}}$

ただし、木工、土質工学、土壌科学では、重量水分含有量をサンプルの乾燥重量に対して表す必要があります。

${\displaystyle u''={\frac {m_{w}}{m_{\text{dry}}}}}$

食品科学では、との両方が使用され、それぞれ湿潤基準水分含有量（MC _wb）と乾燥基準水分含有量（MC _db）と呼ばれます。^[2]${\displaystyle u'}$${\displaystyle u''}$

値は多くの場合、 u ×100%のようにパーセンテージで表されます。

重量水分含有量を体積水分含有量に変換するには、重量水分含有量に材料の かさ比重を掛けます。 ${\displaystyle SG}$

${\displaystyle \theta =u\times SG}$。

土質力学と石油工学では、水飽和度または飽和度は次のように定義されます 。${\displaystyle S_{w}}$

${\displaystyle S_{w}={\frac {V_{w}}{V_{v}}}={\frac {V_{w}}{V\phi }}={\frac {\theta }{\phi }}}$

ここで、 は空隙または細孔空間の容積と物質の全容積で表した多孔度です。^{[説明が必要]} S _wの値は0 (乾燥) から 1 (飽和) までの範囲になります。実際には、S _{w が}0 または 1 になることはありません。これらは工学的使用のための理想化です。 ${\displaystyle \phi =V_{v}/V}$${\displaystyle V_{v}}$${\displaystyle V}$

正規化された水分含有量（有効飽和度またはとも呼ばれる）は、van Genuchten ^[3]によって次のように定義された無次元値です。 ${\displaystyle \Theta }$${\displaystyle S_{e}}$

${\displaystyle \Theta ={\frac {\theta -\theta _{r}}{\theta _{s}-\theta _{r}}}}$

ここで、は体積水分含有量、は残留水分含有量で、勾配がゼロになる水分含有量として定義されます。 は飽和水分含有量で、多孔度に相当します。 ${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \theta _{r}}$${\displaystyle d\theta /dh}$${\displaystyle \theta _{s}}$${\displaystyle \phi }$

乾燥炉を使えば水分量を直接測定できます。 オーブン乾燥法では、サンプル（土、木材など）を専用のオーブンまたは窯で乾燥させ、一定の間隔でサンプルの重量をチェックする必要があります。乾燥プロセスが完了すると、サンプルの重量が乾燥前の重量と比較され、その差を使用してサンプルの元の水分含有量が計算されます。

重量水分含有量uは、水の質量を介して計算されます^[4]。 ${\displaystyle m_{w}}$

${\displaystyle m_{w}=m_{\text{wet}}-m_{\text{dry}}}$

ここで、 および は、オーブンで乾燥する前と後のサンプルの質量です。これはuの分子を示します。分母は、分野に応じて または(それぞれu'またはu"になります) になります。${\displaystyle m_{\text{wet}}}$${\displaystyle m_{\text{dry}}}$${\displaystyle m_{\text{wet}}}$${\displaystyle m_{\text{dry}}}$

一方、体積水分量θは水の体積を介して計算される^[5]。 ${\displaystyle V_{w}}$

${\displaystyle V_{w}={\frac {m_{w}}{\rho _{w}}}}$

ここで、 は水の密度です。これはθの分子を与えます。分母 は湿った物質の総体積で、サンプルを採取するときに容積がわかっている容器（たとえば、ブリキ缶）に単に水を満たすことで決まります。 ${\displaystyle \rho _{w}}$${\displaystyle V_{\text{wet}}}$

木材の場合、慣例的に、オーブン乾燥基準で水分含有量を報告します (つまり、通常はサンプルを 105 ℃ に設定したオーブンで 24 時間、または重量減少が止まるまで乾燥させます)。木材の乾燥では、これは重要な概念です。

サンプルの水分含有量を測定する他の方法としては、化学滴定（例えばカールフィッシャー滴定）、加熱（おそらく不活性ガスの存在下で）または凍結乾燥後の質量損失の測定などがあります。食品業界では、ディーン・スターク法もよく使用されます。

ASTM (米国材料試験協会) 規格 の年次書籍によると、骨材 (C 566) の総蒸発可能水分含有量は次の式で計算できます。

${\displaystyle p={\frac {W-D}{W}}}$

ここで、はサンプルの全蒸発可能水分含有量の割合、は元のサンプルの質量、は乾燥サンプルの質量です。 ${\displaystyle p}$${\displaystyle W}$${\displaystyle D}$

上記の直接法と実験室法に加えて、次のオプションも利用できます。

土壌水分含有量をその場で概算できる地球物理学的手法はいくつかあります。これらの手法には、時間領域反射法（TDR）、中性子プローブ、周波数領域センサー、静電容量プローブ、振幅領域反射法、電気抵抗トモグラフィー、地中レーダー（GPR）など、水の物理的特性に敏感な手法が含まれます。^[6]地球物理学的センサーは、農業や科学分野で土壌水分を継続的に監視するためによく使用されます。

衛星マイクロ波リモートセンシングは、湿った土壌と乾燥した土壌の誘電特性の大きな違いに基づいて土壌水分を推定するために使用されます。マイクロ波放射は大気の変動に敏感ではなく、雲を透過できます。また、マイクロ波信号はある程度まで植生の樹冠を透過し、地表から情報を取得できます。^[7] WindSat、AMSR-E、RADARSAT、ERS-1-2、Metop/ASCAT、SMAPなどのマイクロ波リモートセンシング衛星からのデータは、表層土壌水分を推定するために使用されます。^[8]

上記の主な方法に加えて、木材の水分含有量を測定する別の方法があります。それは、電子水分計です。ピン式水分計とピンレス水分計の 2 つの主なタイプの水分計があります。

ピンメーターでは、ピンが木目と垂直ではなく木目と一直線になるように、2本のピンを木材の表面に打ち込む必要があります。ピンメーターは、2本のピン間の電流の抵抗を測定することで水分含有量を読み取ります。木材が乾燥しているほど、木材の繊維飽和点以下で測定する場合、電流に対する抵抗が大きくなります。ピンメーターは、測定できる木材の平らな表面がない場合に一般的に好まれます。

ピンレスメーターは木材に電磁信号を発して木材の水分含有量の測定値を提供します。通常、木材の表面の損傷が許容されない場合や、大量の測定値や使いやすさが求められる場合に好まれます。

水分は、内部表面に吸着された水分として、また小さな細孔内の毛細管凝縮水として存在する場合があります。相対湿度が低い場合、水分は主に吸着水で構成されます。相対湿度が高い場合、液体の水がますます重要になりますが、細孔サイズに依存するかどうかは体積の影響でもあります。ただし、木質材料では、湿度が 98% RH 未満の場合、ほぼすべての水が吸着されます。

生物学的用途では、物理吸着水と「自由」水も区別できます。物理吸着水は、生物学的材料と密接に関連しており、生物学的材料から除去するのが比較的難しい水です。水分含有量の測定方法によって、この形態で存在する水が考慮されるかどうかが左右される可能性があります。「自由」水と「結合」水をより適切に判断するには、材料の 水分活性を考慮する必要があります。

水分子は、個々の分子と密接に関連する物質中に「結晶水」として、またはタンパク質構造の静的な構成要素である水分子として存在することもあります。

土壌科学、水文学、農業科学において、水分含有量は地下水涵養、農業、土壌化学において重要な役割を果たしている。近年の多くの科学的研究は、空間と時間にわたる水分含有量の予測的理解を目指している。観察により、一般的に、半乾燥地域では全体的な湿度が増加するにつれて水分含有量の空間的変動が増加し、湿潤地域では全体的な湿度が増加するにつれて水分含有量の空間的変動が減少し、温帯地域では中程度の湿度条件下でピークに達する傾向があることが明らかになっている。^[9]

日常的に測定され使用される標準水分含有量は 4 つあり、次の表に示します。

そして最後に、利用可能な水分量θ _aは次の式に相当します。

θa≡θfc − θpwp_​​​

砂利の場合は 0.1、泥炭の場合は 0.3 の範囲になります。

土壌が乾燥しすぎると、吸引によって水が土壌粒子にますます結合するため、植物の蒸散量は減少します。萎凋点以下になると、植物は水分を吸収できなくなります。この時点で植物は萎凋し、蒸散が完全に停止します。土壌が乾燥しすぎて植物の安定した成長を維持できない状態は農業 干ばつと呼ばれ、灌漑管理の特別な焦点となります。このような状態は、乾燥および半乾燥環境 でよく見られます。

農業専門家の中には、土壌水分などの環境測定値を利用して灌漑を計画し始めている人もいます。この方法はスマート灌漑または土壌耕作と呼ばれています。^[10]

飽和した地下水 帯水層では、利用可能なすべての間隙空間が水で満たされています (体積水分含有量 =多孔度)。毛細管境界より上の間隙空間には空気も含まれています。

ほとんどの土壌の水分含有量は、不飽和状態の定義である多孔度よりも低く、不飽和帯水文地質学の対象となります。地下水の毛細管縁は、飽和状態と不飽和状態の境界線です。毛細管縁の水分含有量は、地下水面からの距離が増すにつれて減少します。土壌の不飽和帯を通る水の流れには、サフマン・テイラー不安定性に起因するフィンガリングのプロセスが伴うことがよくあります。これは主に排水プロセスによって生じ、飽和領域と不飽和領域の間に不安定な界面を生み出します。

不飽和帯の研究で生じる主な複雑さの 1 つは、不飽和透水係数が物質の水分含有量の関数であるという事実です。物質が乾燥するにつれて、媒体を通る湿潤経路が狭くなり、透水係数は水分含有量の低下とともに非常に非線形に減少します。

保水曲線は、多孔質媒体の体積水分含有量と水分ポテンシャルの関係です。これは、さまざまなタイプの多孔質媒体に特有のものです。ヒステリシスにより、異なる湿潤曲線と乾燥曲線を区別できます。

一般的に、骨材には4つの異なる水分状態があります。それらは、オーブン乾燥（OD）、空気乾燥（AD）、飽和表面乾燥（SSD）、および湿気（または湿潤）です。^[11]オーブン乾燥と飽和表面乾燥は実験室での実験によって達成できますが、空気乾燥と湿気（または湿潤）は自然界での骨材の一般的な状態です。

• オーブン乾燥（OD）とは、骨材のどの部分にも水分が存在しない骨材の状態と定義されます。この状態は、実験室で骨材を一定時間220°F（105°C）に加熱することで実現できます。^[11]
• 空気乾燥（AD）とは、骨材の細孔内に水分や湿気があるが、骨材の外表面は乾燥している状態を指します。これは夏季や乾燥地域における骨材の自然な状態です。この状態では、骨材は表面に添加された他の材料から水分を吸収し、骨材の特性に何らかの影響を与える可能性があります。^[11]
• 飽和表面乾燥（SSD）は、粒子の表面が「乾燥」（すなわち、添加された混合水を吸収せず、粒子に含まれる水を混合物に寄与しない^[11]）しているが、粒子間の空隙は水で飽和している骨材の状態として定義されます。この状態では、骨材は複合材料の自由水分量に影響を与えません。^{[12] [13]}

質量による水分吸着量（A _{m ）は、飽和表面乾燥（M ssd}）サンプルの質量とオーブン乾燥試験サンプルの質量（M _dry ）に基づいて次の式で定義されます。

${\displaystyle A={\frac {M_{ssd}-M_{dry}}{M_{dry}}}}$

• 湿った（または濡れた）状態とは、骨材の細孔を通して水が完全に骨材に浸透し、表面にSSD条件を超える自由水が存在し、それが混合水の一部となる状態と定義されます。^[11]

骨材のこれら 4 つの水分条件のうち、飽和表面乾燥は、特にコンクリートなどの材料の吸水、組成比、収縮試験に関連する実験室実験、調査、研究で最も多く応用されている条件です。多くの関連実験では、飽和表面乾燥条件は実験前に実現しなければならない前提です。飽和表面乾燥条件では、骨材の水分含有量は比較的安定した静的な状態にあり、環境の影響を受けません。したがって、骨材が飽和表面乾燥条件にある実験やテストでは、他の 3 つの条件よりも妨害要因が少なくなります。^{[14] [15]}

• 湿度、空気中の水分量
• 水分
• 粘性のあるフィンガリング
• 水分分析
• 土壌水分センサー
• 水分活性
• 水分保持曲線

• Robinson, David A. (2008)、「土壌水分含有量の現場推定: 方法、計測機器、センサー技術の実用ガイド」(PDF)、米国土壌科学会誌、73 (4)、ウィーン、オーストリア: 国際原子力機関: 131、Bibcode :2009SSASJ..73.1437R、doi :10.2136/sssaj2008.0016br、ISSN  1018-5518、IAEA-TCS-30
• Wessel-Bothe、Weihermüller (2020): 土壌科学におけるフィールド測定方法。土壌測定に関する新しい実用ガイドでは、さまざまな水分センサータイプ (メーカーに依存しない) の動作原理、精度、適用分野、センサーの設置方法、および取得したデータの微妙な点について説明しています。また、その他の作物関連の土壌パラメータについても取り上げています。