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

Reflectometria de Microondas

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 of 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 (1a 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”.

Bibliografia recomendada

(métodos convencionais e nucleares)

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

Determinação da Umidade do solo:por Reflectometria de Microondas

Bibliografia recomendada

DALTON, F. N. & VAN GENUCHTEN, M. T. The time-domain reflectometry methodfor measuring soil water content and salinity. Geoderma, 38:237-250, 1986.

DASBERG, S. & DALTON, F. N. Time-domain reflectometry field measurements ofsoil water content and electrical conductivity. Soil Sci. Soc. Am. J., 49:293-297, 1985.

DIRKSEN, C. & DASBERG, S. Improved calibration of time-domain reflectometry soilwater content measurements. Soil Sci. Soc. Am. J., 57:660-667, 1993.

HERRMANN JR., P. S. P. Construção de um equipamento para medida de umidadedo solo através de técnica de microondas. São Carlos, 1993. 124 p.Dissertação Mestrado - EEESC -USP.

JACOBSEN, O. H. & SCHJØNNING, P. A laboratory calibration of time domainreflectometry for soil water measurement including effects of bulk density andtexture. Journal of Hydrology, 151: 147-157, 1993.

ROTH, C. H.; MALICKI, M. A. & PLAGGE, R. Empirical evaluation of the relationshipbetween soil dielectric constant and volumetric water content as the basisfor calibrating soil moisture measurements by TDR. Journal of Soil Science,43:1-13, 1992.

TOMMASELLI, J. T. G. & BACCHI, O. O. S. Calibração de um equipamento dereflectometria de microondas para dois solos paulistas típicos. In: XXVCONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA DO SOLO, Viçosa-MG, jul. 1995.Anais... Viçosa: UFV v. I, p.24. Resumos.

TOPP, G. C. & DAVIS, J. L. Measurement of soil water content using time domainreflectometry (TDR): A field evaluation. Soil Sci. Soc. Am.. J., 49:19-24, 1985.

TOPP, G. C.; DAVIS, J. L. & ANNAN, A. P. Electromagnetic determination of soilwater content: Measurements in coaxial transmission lines. Water ResourcesResearch, 16:574-582, 1980.

TOPP, G. C.; DAVIS, J. L. & ANNAN, A. P. Electromagnetic determination of soilwater content using TDR: I. Applications to wetting fronts and steepsgradients. Soil Science Society of America Journal, 46:672-678, 1982.

Umidade do solo:

1) A base de massa:s

ssu

s

a

m

mm

m

mU

2) A base de volume:s

ssu

s

a

ssu

s

a

V

mm

V

mm

V

V )()(

s

s

s

ssu

s

ssu dU

dm

mm

V

mm.

)()(

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)

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 energiapara atingir um nível de energia mínimo mais estável.

/segundo vibraçõesfrequencia

.6,624.10Planckdeconstante

)(. 27-

segergh

erghE

)(

/10.3

ondadeoCompriment

luzdavelocidade 10

cm

segcmc

)Αngstron(

4,12)(

.

KevE

chE

Luz vizível =104A E= 0,00124KeV=1,24eV

Radiação gama =10-2A E= 1240Kev=1,24Mev

1eV= 1,602.10-19 j = 1,602. 10-12 erg

Fontes de raios gama mais utilizadasem física do solo

)60(][ 42

23793

24195 kevNpAm

) 6, 661 ( ] [13756

13756

13755keV Ba Ba Cs

T1/2 = 458 anos

T1/2 = 30 anos

2) Principais interações dos raios gama com a matéria:

Fóton incidente

.hE

Átomo

Fotoelétron

A) Efeito fotoelétrico (gamas de baixa energia e alto Z do alvo)

B) Efeito Çompton (gamas de energias mais altas)

Fóton incidente

.hE

Átomo

Fóton espalhado

Elétron de recuo

.hE

Quando 180o Backscattering (retroespalhamento)= máxima energia transferida ao elétron

C) Produção de par (gamas de energias E 1,02 MeV)

e-

e+ +e-

Aniquilação

Rái

o ga

ma

de a

niqu

ilaçã

o

Rái

o ga

ma

de a

niqu

ilaçã

o

E=2.moc2=1,02MeV 0,51Mev

0,51Mev

Sistema de feixe colimado de raios gamae tomógrafo computadorizado de raios gama

Computador

Fonte

DetectorNaI(Tl)

Pré-amplificador

Fonte de alimentaçãoAmplificadore analisador Contador

TemporizadorAmostra

• Descrição de cada componente:•colimação•sistema de detecção•fotomultiplicadora•analisador de pulsos e espectro

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

4.0 5.0 6.0 7.0 8.0

voltagem

Inte

nsi

dade

(cp

s)

Espectro do 137Csganho =100x

E 662Kev

0

1000

2000

3000

4000

5000

2 3 4 5 6 7

voltagem

Inte

nsi

dade

(cp

s)

Espectro do 241Amganho=800x

E 60Kev

Espectrometria gama

arararwwwppp xxxeII ......0

(cm) feixe pelo asatravessad

ar eágua de,partículas de espessuras ;;

)(g.cm solo doar do e

água da ,partículas das específicamassa ;;

soloar do eágua da ;partículas

dasmassa de atenuação de escoeficient ;;

)(fótons. emergente feixe do eintensidad

)(fótons. incidente feixe do eintensidad

arwp

3-

12

12

120

xxx

).g(cm

.scmI

.scmI

arwp

arwp

-

-

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

x

Io I

Ioo Io

Desprezando-se a atenuação pelo ar do solo, para um soloúmido tem-se:

)(0

wspdXeII

XxAX

Ax

Xdx

AX

Axd

ww

p

sp

pps

.:portanto;.

.

:portanto;.

..

Como os coeficientes de atenuação (dependem da energia da radiação incidente, utilizando-se duas fontes radioativas, 241Ame 137Cs, por exemplo, tem-se:

][exp )()()(0)( AmwsAmsAmAm dXII

][exp )()()(0)( CswsCssCsCs dXII

Conhecidos ds , p ,w e X : Determinação de

)..(

)ln(.)ln(.

)()()()(

)(0

)()(0

)(

AmwCspCswAmp

AmCspCsAmp

XII

II

)..(

)ln()ln(

)()()()(

)(0

)()(0

)(

AmwCspCswAmp

CsAmwAmCsw

s XII

II

d

Resolvendo o sistema para ds e tem-se:

Determinação simultânea da umidade e densidadedo solo

Método por moderação de nêutrons

CnBe 126

10

94

42

Princípio do método:

1) Fonte de nêutrons rápidos (reação alfa/neutron)

Emissor alfa (241Am, 226Ra) + Be94

2) Interação dos nêutrons rápidos com o solo

n = neutron rápidoEc= (0-10 MeV)

XXn AZ

AZ

110

Absorção:

CnC 136

126 1

0+

NnN 157

147 1

0+

AlnAl 2413

2313 1

0+

estáveis

Radioativo (=ativação neutrônica)

Kevpn 78011

10

Desintegração:

T1/2 = 13 minutos

Dispersão: (colisões elásticas e inelásticas)= perda de Ec = moderação de nêutrons

Número de colisões necessárias para reduzir a energía deum neutron de 2 MeV a 0,025 eV

Isótopo Alvo Número de Colisões1H 182H 25

4He 437Li 6812C 11516O 152238U 2172

H da água do solo = bom moderador de nêutrons

Taxa de nêutrons rápidos

OH2 ( umidade do solo)

Taxa de nêutrons lentosproporcional a

Detetor para nêutrons lentos

Calibração:

1

1

s.T

sC

C.T

sN

N

padrãomeioumemcontagem de Taxa

solo no contagem de TaxaCR

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55

CR (Contagem relativa)

(c

m3 /c

m-3

)

Efeito da densidade do solo na calibração

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8

CR (contagem relativa)

(c

m3cm

-3)

dg1

dg2

dg3

CRba .

Equipamentos disponíveis

Sondas de nêutrons

tubo de acesso

detetor de nêutrons lentose preamplificador

fonte de nêutrons rápidos

blindagem

sistema eletrônico de contagem

nível do solo

A) Sondas de profundidade

Calibração de campo

• Calibração rápida

z z

if

if

zCRzCR

AAb

0 0

][

• Calibração normal

Esfera de influênciaR

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

160000

100 80 60 40 20 0 -20

(cm)

Nagua

Nsuelo

a

Rs

Tax

a d

e co

nta

gem

N (

cpm

)

Profundidade

Profundidade de medida

Fonte nêutrons rápidos

Detetor nêutrons lentos

B) Sondas de superfície

CRba .

1

1

s.T

sC

C.T

sN

N

padrãomeioumemcontagem de Taxa

solo no contagem de TaxaCR

C) Reflectometria de microondas

•Gerador de de pulsosde microondas (1GHz)•Osciloscópio

K

cv

A velocidade de um pulso de microondas nas hastes é inversamente proporcinal à constante dielétrica do materialque circunda as hastes

c = velocidade da luz no vácuoK = constante dielétrica relativa do material

(em relação ao vácuo)

Capacitor ideal: 2

2

.dF

Q

oo

o Constante dielétrica do vácuo

Fo = força de atração entre as cargas Q

d = distância entre as cargas

Capacitor real: 2

2

.dF

Q F = força de atração entre

as cargas Q

d = distância entre as cargas

Constante dielétrica do meio entre as placas

F

FK o

o

Constante dielétrica relativa:

Ar :

Partículas minerais:

Água:

1o

K

42 o

K

80o

K

Calibração praticamente independente do tipo de solo ??(Universal)

Tabela 5.1. Quadro resumo da análise de variância das regressões.

Est. Parâmetros Termo (a) Prob>|T| (b)

Solo Prob>F R2aj

2 3 independente 2 3

AQ 0,0001 0,994 52,39 34,44 -19,89 1,65 0,0001 0,3425 0,8132LVA 0,0001 0,997 16,19 204,55 -227,72 1,84 0,0001 0,0001 0,0001LVE 0,0001 0,989 -2,89 166,30 -55,85 2,55 0,4306 0,0001 0,2347PVA 0,0001 0,995 -6,11 193,52 -100,37 3,05 0,1356 0,0001 0,0103TRE 0,0001 0,993 -16,96 243,59 -119,21 4,50 0,0002 0,0001 0,0181To-dos

0,0001 0,976 -2,149 204,28 -132,86 3,50 0,0001 0,0002 0,7269

(a) O termo independente foi obtido através de uma regressão linear entre os cinco pares de valoresmais baixos de cada conjunto de dados e por isso não foi testado.(b) O valor |T| foi obtido a partir de uma distribuição t de Student, para testar a hipóteseHo: parâmetro = 0.

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

AQ = -2.10-5k3 + 0.0007.k2 + 0.0093.k + 0.0024 R2= 0.9813

LVA = +1.10-5k3 - 0.0007.k2 + 0.0257.k - 0.0202 R2= 0.9903

LVE = +2.10-5k3 - 0.0015.k2 + 0.0393.k - 0.0333 R2= 0.9753

PVA = +4.10-5k3 - 0.0023.k2 + 0.0551.k - 0.1274 R2= 0.9863

TRE = +3.10-5k3 - 0.0023.k2 + 0.0597.k - 0.1890 R2= 0.9605

Todos = +8.10-6k3 - 0.0007.k2 + 0.0269.k - 0.0194 R2= 0.9129

Equações de calibração para alguns solos paulistas