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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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