Determinação da Umidade do solo: Métodos convencionais, nucleares e por Reflectometria de Microondas

Determinação da Umidade do solo:Métodos convencionais, nucleares e por Reflectometria de Microondas Bibliografia recomendada (métodos convencionais e nucleares) BACCHI, O.O.S.; REICHARDT, K. (1990). A sonda de nêutrons e seu uso na pesquisa agronômica. Boletim Didático –022, Piracicaba, CENA/USP, 84p. IAEA. (1990). Use of nuclear techniques in studies of soil-plant relationships. Training Course Series Nº 2. Vienna, Austria. KLUTE, A. (1986). Methods soil analysis - Part 1- Physical and mineralogical methods. Second edition. SSSA, USA. KUTÍLEK, M. and NIELSEN, D.R. (1994). Soil hydrology. Catena-Verlag, Germany. LIBARDI, P.L. (1995). Dinâmica da água no solo. Departamento de Física e Meteorologia, ESALQ/USP (1 a Ed), 497p. REICHARDT, K. (1990). A água em sistemas agrícolas. Editora Manole Ltda.188p. REICHARDT, K. (1996). Dinâmica da matéria e da energia em Ecossistemas. Piracicaba, USP/ESALQ. Depto. Física e Meteorologia, 2a edição, 505p. CHASE, G.D. and RABINOWITZ, J.L. (1967). Principles of radioisotope methodology. Third edition. Burgess Publishing Company, Minneapolis, USA. Ferraz, E.S.B., Mansell, R.S. 1979. Determining water content and bulk density of soil by gamma ray attenuation methods. Florida: IFAS, (Technical Bulletin, 807) IAEA. (1967). Isotope and radiation techniques in soil physics and irrigation studies. Vienna. Austria Reichardt, K. Uso da radiação gama na determinação da umidade e densidade do solo. Piracicaba: 1965. Tese (Doutoramento). Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”.

Determinação da Umidade do solo: por Reflectometria de Microondas Bibliografia recomendada

Umidade do solo: 1) A base de massa: 2) A base de volume: Usos: Necessário em qualquer estudo hídrico do solo Importância na agricultura prática Controle de irrigação Controle de drenagem Disponibilidade de água no solo p/ plantas etc Métodos convencionais de uso mais comum: (diretos e indiretos) Gravimetria e secagem(estufas elétricas e microondas) Condutividade elétrica, térmica e capacitância blocos porosos (Bouyoucos -1949) Tensiômetos (curvas de retenção)

Método por atenuação de feixe de raios gama Métodos nucleares Método por atenuação de feixe de raios gama 1) Radiação gama: onda eletromagnética produzida pelos núcleos excitados dos átomos após uma reação nuclear = emissão de energia para atingir um nível de energia mínimo mais estável. 1eV= 1,602.10-19 j = 1,602. 10-12 erg Luz vizível  =104A  E= 0,00124KeV=1,24eV Radiação gama  =10-2A  E= 1240Kev=1,24Mev

Fontes de raios gama mais utilizadas em física do solo T1/2 = 458 anos T1/2 = 30 anos

q q f 2) Principais interações dos raios gama com a matéria: A) Efeito fotoelétrico (gamas de baixa energia e alto Z do alvo) Átomo Fóton incidente q Fotoelétron B) Efeito Çompton (gamas de energias mais altas) Fóton incidente Átomo f Fóton espalhado q Elétron de recuo Quando f = 180o  Backscattering (retroespalhamento) = máxima energia transferida ao elétron

e- e+ +e- E=2.moc2=1,02MeV Aniquilação C) Produção de par (gamas de energias E  1,02 MeV) e- e+ +e- Aniquilação Ráio gama de aniquilação E=2.moc2=1,02MeV 0,51Mev 0,51Mev

Sistema de feixe colimado de raios gama e tomógrafo computadorizado de raios gama Computador Fonte g Detector NaI(Tl) Pré-amplificador Fonte de alimentação Amplificador e analisador Contador Temporizador Amostra Descrição de cada componente: colimação sistema de detecção fotomultiplicadora analisador de pulsos e espectro

Espectrometria gama Eg  60Kev Intensidade (cps) Espectro do 241Am 1000 2000 3000 4000 5000 2 3 4 5 6 7 voltagem Intensidade (cps) Espectro do 241Am ganho=800x Eg  60Kev 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 voltagem Intensidade (cps) Espectro do 137Cs ganho =100x Eg  662Kev

3) Atenuação de um feixe colimado de raios gama pelo solo: (Lei de Lambert-Beer) Ioo Io x Io I

Desprezando-se a atenuação pelo ar do solo, para um solo úmido tem-se: Conhecidos ds , mp ,mw e X :  Determinação de q Como os coeficientes de atenuação (m) dependem da energia da radiação incidente, utilizando-se duas fontes radioativas, 241Am e 137Cs, por exemplo, tem-se:

Determinação simultânea da umidade e densidade Resolvendo o sistema para ds e q tem-se: Determinação simultânea da umidade e densidade do solo

Método por moderação de nêutrons Princípio do método: 1) Fonte de nêutrons rápidos (reação alfa/neutron) Emissor alfa (241Am, 226Ra) + n = neutron rápido Ec= (0-10 MeV) 2) Interação dos nêutrons rápidos com o solo Absorção: estáveis Radioativo (=ativação neutrônica) Desintegração: T1/2 = 13 minutos

Taxa de nêutrons lentos Dispersão: (colisões elásticas e inelásticas) = perda de Ec = moderação de nêutrons Número de colisões necessárias para reduzir a energía de um neutron de 2 MeV a 0,025 eV Isótopo Alvo Número de Colisões 1 H 18 2 25 4 He 43 7 Li 68 12 C 115 16 O 152 238 U 2172 H da água do solo = bom moderador de nêutrons Taxa de nêutrons rápidos ( q umidade do solo) Taxa de nêutrons lentos proporcional a q Detetor para nêutrons lentos

Efeito da densidade do solo na calibração 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 CR (contagem relativa) q (cm 3 cm -3 ) d g1 g2 g3

Equipamentos disponíveis Sondas de nêutrons A) Sondas de profundidade tubo de acesso detetor de nêutrons lentos e preamplificador fonte de nêutrons rápidos blindagem sistema eletrônico de contagem nível do solo

Calibração de campo Calibração rápida Calibração normal Esfera de influência R 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 100 80 60 40 20 -20 (cm) N agua suelo a R s Taxa de contagem N (cpm) Profundidade

B) Sondas de superfície Profundidade de medida Fonte nêutrons rápidos Detetor nêutrons lentos

C) Reflectometria de microondas Gerador de de pulsos de microondas (1GHz) Osciloscópio A velocidade de um pulso de microondas nas hastes é inversamente proporcinal à constante dielétrica do material que circunda as hastes c = velocidade da luz no vácuo K = constante dielétrica relativa do material (em relação ao vácuo) Constante dielétrica do vácuo Capacitor ideal: Fo = força de atração entre as cargas Q d = distância entre as cargas

Calibração praticamente independente do tipo de solo ?? Constante dielétrica do meio entre as placas Capacitor real: F = força de atração entre as cargas Q d = distância entre as cargas Constante dielétrica relativa: Ar : Partículas minerais: Água: Calibração praticamente independente do tipo de solo ?? (Universal)

Análise de regressão K (medido com o TDR) e umidade do solo (análise gravimétrica) para alguns solos paulistas

Equações de calibração para alguns solos paulistas AQ q = -2.10-5k3 + 0.0007.k2 + 0.0093.k + 0.0024 R2= 0.9813 LVA q = +1.10-5k3 - 0.0007.k2 + 0.0257.k - 0.0202 R2= 0.9903 LVE q = +2.10-5k3 - 0.0015.k2 + 0.0393.k - 0.0333 R2= 0.9753 PVA q = +4.10-5k3 - 0.0023.k2 + 0.0551.k - 0.1274 R2= 0.9863 TRE q = +3.10-5k3 - 0.0023.k2 + 0.0597.k - 0.1890 R2= 0.9605 Todos q = +8.10-6k3 - 0.0007.k2 + 0.0269.k - 0.0194 R2= 0.9129