Xác định độ ẩm của đất thông qua thông lượng neutron vũ trụ

Độ ẩm đất được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm trọng lượng của nước trong đất so với trọng lượng đất. Độ ẩm đất còn được biểu thị bằng tỷ số phần trăm dung tích nước trong đất so với tổng thể tích của đất. Khi độ ẩm đất thấp hơn một giới hạn nào đó, thực vật không hút đủ nước thì sẽ bị hạn. Độ ẩm của đất là một thông số quan trọng trong chu trình thủy văn và tác động đến nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm cả quản lý nông nghiệp, giám sát sự thay đổi môi trường (bão cát và xói mòn), ứng dụng khí hậu và thời tiết, dự đoán thiên tai (lũ lụt và hạn hán) và tái tạo nước ngầm. Tuy nhiên, độ ẩm của đất là một thông số khó theo dõi và đo lường liên tục ở quy mô lưu vực vì các đặc điểm không đồng nhất của nó. Nó thay đổi cả về không gian và thời gian và do đó là một nguồn tài nguyên động. Hiện nay, có hàng tá phương pháp đo độ ẩm đất, các phương pháp truyền thống để đo độ ẩm của đất bao gồm phương pháp sấy, phương pháp thể tích thực tế, phương pháp trọng lực riêng, phương pháp tia, phương pháp tính chất điện môi,... Mặc dù các phương pháp này có thể ước tính chính xác độ ẩm của đất, chúng là các phương pháp đo điểm với các thang đo nhỏ, và kết quả đo chỉ có thể biểu thị trạng thái độ ẩm của đất ở điểm này, vì vậy đại diện không gian là nhỏ. Do tính không đồng nhất của đất, phương pháp đo điểm truyền thống chỉ có thể đáp ứng các yêu cầu bằng cách tăng lên diện tích lớn hơn theo tỷ lệ. Do đó, cần có đủ dữ liệu đo điểm để tính toán, làm tăng đáng kể chi phí và chỉ có thể về mặt kỹ thuật. Việc sử dụng phương pháp viễn thám để theo dõi độ ẩm đất ở nước ngoài bắt đầu từ cuối những năm 1960, và trong những năm 1970, nghiên cứu theo dõi độ ẩm đất bằng viễn thám đã đạt được sự phát triển nhanh chóng và toàn diện. Công nghệ viễn thám có các ưu điểm như xem xét nhanh, độ tương phản động mạnh, giám sát diện rộng động dài hạn và độ phân giải không gian-thời gian tốt, nhưng nó cũng có nhược điểm như độ sâu đo nông, khả năng đâm xuyên kém, độ nhạy kém, và thời gian bay của vệ tinh ngắn.

       Việc kết hợp các kỹ thuật và công nghệ mới vào quản lý tài nguyên nông nghiệp có khả năng cải thiện khả năng của nông dân, các nhà khoa học và các nhà hoạch định chính sách trong việc đảm bảo an ninh lương thực. Chương trình Quản lý đất và nước & dinh dưỡng cây trồng của một Bộ phận chung giữa Tổ chức nông lương thế giới (FAO)và Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế(IAEA) đã tập trung vào phát triển các công nghệ và thực tiễn quản lý cây trồng, nước, và cải tiến để tăng cường nông nghiệp bền vững thông qua việc sử dụng các kỹ thuật hạt nhân và thông thường. Kỹ thuật hạt nhân và các kỹ thuật liên quan có thể giúp phát triển các giải pháp thực hành nông nghiệp thích ứng với khí hậu bằng cách tối ưu hóa hiệu quả sử dụng nước. Việc đo hàm lượng nước trong đất là rất cần thiết để cải thiện việc sử dụng tài nguyên này trong nông nghiệp. Các thiết bị đo tỷ lệ rộng hơn là cần thiết thay thế cho phương pháp tiếp cận điểm truyền thống.

       Trong những năm gần đây, công nghệ đo độ ẩm đất khu vực bằng phương pháp neutron vũ trụ đã được phát triển nhanh chóng. Tia vũ trụ sơ cấp là các hạt năng lượng cao có nguồn gốc từ ngoài vũ trụ và liên tục bắn phá trái đất. Cường độ của các tia vũ trụ đến đỉnh khí quyển trái đất thay đổi theo các sự kiện tạo ra chúng (sự kiện thiên văn xa xôi) và các yếu tố như sự biến đổi trong từ quyển mặt trời. Các hạt chủ yếu là (90%) proton (P) với năng lượng điển hình khoảng 1 GeV. Khi các hạt này đi vào bầu khí quyển trái đất, chúng va chạm với các nguyên tử trong không khí và tạo ra một cơn mưa các hạt tia vũ trụ thứ cấp (bao gồm cả neutron), có thể hoặc không thể tương tác với các hạt khác trước khi chạm tới bề mặt trái đất. Mỗi va chạm làm cho hạt (neutron) mất năng lượng. Các tương tác phức hợp này được miêu tả như ở trên hình 1a. Phổ năng lượng của các neutron này ở bề mặt trái đất chứa một số đỉnh. Ở khoảng 100 MeV là các neutron năng lượng cao, chúng tương tác với không khí và đất để tạo ra đỉnh thứ hai, ở khoảng 1 MeV, của neutron nhanh, còn được gọi là neutron bay hơi (đó không phải là sự bốc hơi theo cách hiểu của các nhà thủy văn nhưng việc phát ra các hạt neutron sau sự va chạm của hạt năng lượng cao, ví dụ. một proton hoặc neutron, với hạt nhân của một nguyên tử).

 Hình 1: Các tương tác neutron phức hợp được cảm biến phát hiện và chuyển thành ước tính độ ẩm của đất

       Những va chạm hơn nữa làm giảm năng lượng của neutron hơn nữa cho đến khi chúng trở thành bị ‘nhiệt hóa’ tức là ở trạng thái cân bằng nhiệt với môi trường; đó là chúng không thể mất nhiều năng lượng hơn cũng như không lấy lại được năng lượng. Những neutron nhiệt hoặc bị nhiệt hóa này có năng lượng điển hình khoảng 0,1 eV. Các neutron có năng lượng lớn hơn neutron nhiệt có thể được gọi là trên nhiệt, thường có nghĩa là lớn hơn 0,5 eV; do đó neutron nhanh nằm trong dải trên nhiệt. Phổ năng lượng này được minh họa như trên hình 2.

Hình 2: Phổ năng lượng neutron ở bề mặt đo được (màu xám) và được mô phỏng (nét đứt). Sau khi trừ thành phần phản xạ mặt đất qua nước tinh khiết, chúng ta có được một thành phần thuần túy (đường màu đen liên tục), được sử dụng làm phổ nguồn. Màu sắc minh họa sự làm chậm của neutron năng lượng cao ban đầu (màu đỏ), tương tác với các nguyên tử nặng dẫn đến phổ bay hơi (màu xanh lá cây). Năng lượng bị mất do va chạm đàn hồi với các nguyên tử nhẹ nơi mà đầu dò đặc biệt nhạy (màu xanh) cho đến khi neutron đạt đến năng lượng ở trạng thái cân bằng nhiệt (màu xám nhạt).

       Quá trình nhiệt hóa neutron (cũng được biết như là quá trình làm chậm) phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của các hạt (hay nguyên tố) mà tia vũ trụ va chạm vào. Hydrogen là nguyên tố hiệu quả nhất về khả năng hãm neutron nhanh; 18 va chạm với hydro sẽ nhiệt hóa một neutron nhanh trong khi điều này mất 149 va chạm với oxy. Điều này được giải thích bởi thực tế là hạt nhân hydro nhẹ, chỉ bao gồm một proton, có thể hấp thụ rất nhiều năng lượng từ neutron trong một lần va chạm, trong khi đó khi một neutron chạm vào một hạt nhân lớn, nó sẽ bật ra và giữ lại phần lớn năng lượng của nó. Năng lượng hãm này kết hợp với sự phong phú của hydro trong không khí và đất có nghĩa là quá trình nhiệt hóa phần lớn được xác định bởi sự hiện diện của hydro.

       Những va chạm này dẫn đến neutron bị tán xạ theo mọi hướng, tức là giữa và trong không khí và đất, và quá trình nhiệt hóa có hiệu quả tức thời vì năng lượng/vận tốc cao của các neutron nhanh. Do đó nồng độ neutron nhanh mau chóng đạt đến trạng thái cân bằng trong cả đất và không khí, và một yếu tố quan trọng trong việc xác định nồng độ là lượng hiện diện của hydro. Các neutron năng lượng cao thông qua các tia vũ trụ, bị làm chậm và được hấp thụ một phần bởi các nguyên tử hydro của nước trong đất– một số neutron năng lượng thấp bị tán xạ ngược trở lại từ đất (hình 1b). Một thiết bị gọi là cảm biến neutron vũ trụ CRNS như hình 3(Cosmic Ray Neutron Sensing) được chế tạo để liên tục đếm những neutron này. Khi độ ẩm đất tăng, ít neutron thoát ra khỏi đất, và do đó tốc độ đếm giảm neutron ghi nhận được giảm.Đây là cơ sở của phương pháp đo độ ẩm đất thông qua thông lượng neutron vũ trụ.CRNS ở bề mặt đất sẽ đếm được nhiều neutron nhanh hơn khi có ít hydro (nước) và ít neutron nhanh hơn khi có nhiều hydro hơn để lấy năng lượng từ neutron dẫn đến sự nhiệt hóa chúng.

Hình 3. Nguyên lý hoạt động và đặc trưng kỹ thuật của cảm biến neutron vũ trụ CRNS để theo dõi độ ẩm của đất

       Như vậy, độ ẩm của đất có thể xác định được bằng cách đo cường độ của neutron gần mặt đất sau khi làm chậm. Phương pháp hay kỹ thuật này có các đặc điểm như độ che phủ không gian lớn và yêu cầu thấp về độ mặn của đất, mật độ đất, kết cấu đất, v.v., với phạm vi đo tối đa khoảng 670 m và độ sâu đo được là 12 ~ 76 cm qua tính toán và đo đạc thực tế. Cảm biến neutron vũ trụ (CRNS) là một thiết bị theo dõi hàm lượng nước trong đất theo cách không xâm lấn, không nguy hiểm và liên tục. Thiết bị được phát triển gần đây có thể để đo hàm lượng nước trong lớp đất mặt trên các khu vực rộng, có diện tích lên tới 30 ha. Nó lấp đầy khoảng trống trong việc đo độ ẩm của đất trên các khu vực rộng lớn để quản lý nước nông nghiệp tốt hơn. Với các tính năng ưu việt của kỹ thuật đo độ ẩm đất thông qua thông lượng neutron vũ trụ và các lợi ích to lớn mà nó mang lại, các quốc gia như Hoa Kỳ, Úc, Đức và Vương quốc Anh đã đầu tư rất lớn vào công nghệ này và đã tạo ra mạng lưới quan trắc độ ẩm đất quốc gia.

 Nguyễn Đức Tuấn

Viện Khoa học & Kỹ thuật hạt nhân

Tài liệu tham khảo

Cosmic-ray soil moisture sensor:

https://cosmos.ceh.ac.uk/CosmicRaySensor

Footprint Characteristicsof Cosmic-Ray Neutron Sensorsfor Soil Moisture Monitoring:

http://www.ufz.de/index.php?en=33719&posterfilter=footprint