Determinação da densidade do solo: métodos convencionais,

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1 Determinação da densidade do solo: métodos convencionais,
por atenuação e retroespalhamento de raios gama Osny Bacchi CENA/USP 04/05/2006

2 Literatura Recomendada:
Bacchi, O.O.S.; Reichardt, K. Neutron and gamma probes:Their use in agronomy. FAO/IAEA Training courses series ( no prelo) 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 Determinação da densidade do solo: métodos convencionais,
por atenuação e retroespalhamento de raios gama mp = massa de partículas Vs = volume de solo Vp = volume de partículas Vv = volume de poros ou vazios Aplicações: Conversão da umidade a base de massa U em umidade volumétrica q Estimativa da porosidade do solo conhecida a densidade de partículas Estimativa da massa de um grande volume de solo (no campo) Avaliação do estado de compactação do solo Métodos convencionais de medida da densidade 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 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, j = 1, erg Luz vizível  =104A  E = 0,00124 keV =1,24eV Radiação gama  =10-2A  E = 1240 keV =1,24Mev

6 2) Principais interações dos raios gama com a matéria:
A) Efeito fotoelétrico ou absorção fotoelétrica (gamas de baixa energia e alto número atômico Z do alvo) Fóton incidente Átomo q Fotoelétron B) Efeito Çompton ou espalhamento Compton (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

7 e- e+ +e- C) Produção de par (gamas de energias E  1,02 MeV)
(fóton é absorvido pelo núcleo e produz um par de elétrons ) Ráio gama de aniquilação e- e+ +e- Aniquilação E=hn =2.moc2=1,02MeV 0,51Mev

8 Sistema de feixe 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 Descrição de cada componente: colimação sistema de detecção fotomultiplicadora analisador de pulsos e espectro Fontes de raios gama mais utilizadas em física do solo T1/2 = 458 anos T1/2 = 30 anos

9 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

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

11 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:

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

13 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)

14 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)

15 Da equação (1) tem-se que:
(3) Da equação (1) tem-se que: (4) De (3) e (4) tem-se: Conhecidos: mm , rm , mp X( interno do recipiente)

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

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

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

19 Sondas gama - Transmissão e retroespalhamento
(fonte e detetor separados) Detetor gama Fonte gama Feixe não colimado: detetor recebe raios transmitidos e espalhados Geometria única para todas profund. Profundidade de medida Fonte gama na posição z Detetor gama Feixe não colimado: detetor recebe raios transmitidos e espalhados Geometria muda com a profundidade Calibração empírica para cada profundidade de medida. Densidade do solo úmido

20 Contagem padrão de densidade: 37426; data: 23/09/96
Data de calibração: 23/09/96 Contagens em: Parâmetros da Equação Prof. 1,717 g/cm 3 2,14 2,632 A B C 5 137842 102072 70641 12,05662 1,62628 -0,49339 7,5 136354 98474 65574 12,87482 1,56126 -0,62528 10,0 127121 88344 57156 14,42408 1,2347 -0,17691 12,5 113500 75368 46739 15,98036 1,03949 -0,01576 15,0 97338 62090 36633 15,98228 0,95437 -0,03037 17,5 80888 49047 27488 16,69699 0,83982 0,01083 20,0 65356 37486 20262 18,38896 0,7177 0,07412 22,5 51567 28224 14730 18,47506 0,64857 0,07612 25,0 40144 21170 10764 17,44628 0,60277 0,06743 27,5 30940 15776 8083 17,57011 0,54558 0,07583 30,0 23728 11953 6165 14,97285 0,52603 0,06478

21 Sondas gama - por retroespalhamento
Número de fótons retroespalhados Densidade do material Faixa útil 1) Sondas gama de superfície (fonte e detetor separados) Profundidade de medida Fonte gama Detetor gama Detetor recebe somente raios retroespalhados Calibração empirica com materiais de densidades conhecidas Densidade do solo úmido

22 Contagem padrão de densidade: 37426; data: 23/09/96
Data de calibração: 23/09/96 Contagens em: Parâmetros da Equação Prof. 1,717 g/cm 3 2,14 2,632 A B C BS 27159 20136 14882 2,9637 1,03103 0,16876

23 Correção da densidade para solo seco
Profundidade de medida Fonte nêutrons rápidos Detetor nêutrons lentos

24 2) Sondas gama de profundidade (fonte e detetor juntos)
tubo de acesso detetor gama fonte gama sistema eletrônico de contagem nível do solo blindagem Pode estar associada a uma sonda de nêutrons para avaliação da umidade e correção da densidade para solo seco  sonda nêutrons/gama

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