CEN Técnicas avançadas em física de solos

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1 CEN5755 - Técnicas avançadas em física de solos
Determinação da densidade e Umidade do solo, por atenuação de feixe colimado de raios gama Osny Bacchi CENA/USP 2009

2 Literatura Recomendada:
Bacchi, O.O.S.; Reichardt, K. Neutron and gamma probes:Their use in agronomy. FAO/IAEA Training courses series 16, Vienna 2002 Baver,L.D.; Gardner,W.H. & Gardner, W.R Soil Physics. John Wiley & Sons, Inc., New York. 498p. Buckman, H.O. & Brady, N.N Natureza e Propriedades dos Solos. Livraria Freitas Bastos, Rio de Janeiro, 594p. CHASE, G.D. and RABINOWITZ, J.L. (1967). Principles of radioisotope methodology. Third edition. Burgess Publishing Company, Minneapolis, USA. Crestana, S., Mascarenhas, S, Pozzi-Mucelli, R.S Using a computed miniscanner in soil science. Soil Science, v.142, p Ferraz, E.S.B., Mansell, R.S Determining water content and bulk density of soil by gamma ray attenuation methods. Florida: IFAS, (Technical Bulletin, 807) GUZMÁN J., M.E. (1989). Nucleónica básica. Segunda edición. Centro de Documentación e Información Nuclear del Instituto de Asuntos Nucleares, Colombia. IAEA. (1967). Isotope and radiation techniques in soil physics and irrigation studies. Vienna. Austria IAEA. (1990). Use of nuclear techniques in studies of soil-plant relationships. Training Course Series Nº 2. Vienna, Austria. IAEA. (1990). Use of nuclear techniques in studies of soil-plant relationships. Training Course Series Nº 2. Vienna, Austria. Klute, A Methods of Soil Analysis, Part 1: Physical and Mineralogical Methods, 2nd Edition. American Society of Agronomy, Inc.& Soil Science Society of America, Inc., Madison Wisconsin.USA. Agronomy Series, Number 9, 1188p. Libardi, P.L Dinâmica da água no solo. Piracicaba, SP., ESALQ/USP, Depto. Física e Meteorologia, 1aEd.,497p. Reichardt, K A água em sistemas agrícolas. Piracicaba, SP. Editora Manole Ltda., 188p. Reichardt, K Dinâmica da matéria e da energia em ecossistemas. Piracicaba, SP., ESALQ/USP., Depto. Física e Meteorologia, 505p. Reichardt, K. Uso da radiação gama na determinação da umidade e densidade do solo. Piracicaba: Tese (Doutoramento). Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”.

3 Densidade do solo: métodos convencionais
mp = massa de partículas Vs = volume de solo Vp = volume de partículas Vv = volume de poros ou vazios 1) Anel (ou cilindro) volumétrico: vários sistemas de amostragem (preservação da estrutura natural do solo) Vs = volume interno do anel (ou cilindro) amostrador Secagem em estufa a 105 oC até massa constante mp = massa de partículas Condições ótimas de amostragem: umidade adequada * verificar o nível interno e externo do solo após introdução do amostrador (compactação) - estrutura do solo

4 2) Método da escavação: Retirada de um volume de solo por escavação Secagem e pesagem do volume de solo extraído Preenchimento da cavidade aberta com material (areia) cuja densidade é conhecida, ou com água contida dentro de um balão de borracha que se amolde à cavidade 3) Método dos torrões: Retirada de torrões Pesagem do torrão seco ao ar = massa de solo úmido (msu) Impermeabilização com parafina ou outro material Pesagem do torrão impermeabilizado: M1= (msu + mi) Pesagem do torrão impermeabilizado mergulhado em água M2= (msu + mi) - mad  (msu + mi) - Vad  (msu + mi) - (Vs+Vi) Diferença de peso: M1- M2= (Vs+Vi) = volume do torrão parafinado Determinação da massa e volume do material impermeabilizante mi = M1- msu  Vi = mi/ri Determinação do volume de solo: Vs= (M1- M2)-(M1- msu)/ ri Levar amostra do torrão para secagem em estufa até massa constante Calcular a umidade U da amostra e a massa de água contida no torrão Determinar a massa seca do torrão  mp

5 Umidade do solo: métodos convencionais
1) A base de massa: 2) A base de volume: Gravimetria e secagem(estufas elétricas e microondas) Condutividade elétrica, térmica e capacitância blocos porosos (Bouyoucos -1949) Tensiômetos (curvas de retenção)

6 Determinação da densidade e umidade do solo por atenuação
de feixe monoenergético colimado de raios gama e tomógrafo computadorizado de raios gama Computador Fonte g Detetor NaI(Tl) Pré-amplificador Fonte de alimentação Amplificador e analisador Contador Temporizador Amostra Fontes de raios gama mais utilizadas em física do solo T1/2 = 458 anos T1/2 = 30 anos

7 Levantamento de espectro e seleção da faixa de
Espectrometria gama Levantamento de espectro e seleção da faixa de energias de trabalho (janela) Eg  60Kev 1000 2000 3000 4000 5000 2 3 4 5 6 7 voltagem Intensidade (cps) Espectro do 241Am ganho=800x janela Eg  662Kev 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 janela

8 Atenuação de um feixe colimado de raios gama pelo solo:
(Lei de Lambert-Beer) x Io I Ioo Feixe colimado Interação dos raios gama com a matéria – desvio de trajetória A Parede do recipiente Intensidade de fluxo de fótons = Fótons por unidade de área por unidade de tempo (cm) feixe pelo as atravessad ar e água de , partículas espessuras ; ) (g.cm solo do da das específica massa atenuação coeficientes (fótons. emergente intensidade incidente w p 3 - 1 2 = x .g (cm .s cm I r m

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

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

11 Espessura ótima da amostra
a) Diferença mínima detectável de densidade para cada energia: (Ferraz e Mansell, 1979) b) Espessura ótima de solo para cada energia: r (método gravimétrico) (Ferraz e Mansell, 1979)

12 Determinação da densidade de torrões com formas irregulares
X Io I x x = ? Método dos “dois meios”  torrões secos em estufa Ioo Io X Recipiente vazio Io I1 x X Meio 1 = ar Desprezando-se a atenuação pelo ar do solo: (1) X Io I2 x Meio auxiliar (m) (2)

13 Da equação (1) tem-se que:
(3) Da equação (1) tem-se que: (4) Igualando (3) e (4) e explicitando ds, tem-se: Conhecidos: mm , rm , mp X( interno do recipiente)

14 Tomógrafo de raios gama
Computador Sistema movimentador da amostra com rotação e translação Io I (Io = atenuação nula) Io Atenuações proporcionais às diferentes densidades

15 I Princípio da geração da imagem tomográfica voxel pixel 20 30 100 40

16 Exemplos de imagens tomográficas (tomógrafo do CENA/USP)

17 Unidade tomográfica – Unidade Hounsfield
Para uma amostra de solo úmido tem-se: Para uma amostra seca tem-se:

18 Exercícios 1) Considerando-se as energias das radiações gama das fontes de 137Cs e 241Am do tomógrafo do CENA, quais são os principais processos de interação dos feixes de raios gama com as amostras de solo que são responsáveis pela atenuação da intensidade de fluxo de fótons gama que atravessam a amostra? Porque? 2) Para uma mesma intensidade de fluxo de fótons incidente Io para qual radiação gama (do Cs ou do Am) o fluxo de fótons emergente I é maior quando atravessam um mesmo material de mesma espessura?Porque? 3) Dividir a classe em dois grupos de igual número de alunos e desenvolver as seguintes atividades práticas utilizando o equipamento de tomografia: Grupo 1 : Efetuar o levantamento do espectro da radiação gama da fonte de 241Am Determinar os coeficientes de absorção de massa para a radiação gama do 241Am para água e para um solo. Grupo 2: de 137Cs gama do 137Cs para água e para um solo.