Jak pomocí kosmického záření měřit vlhkost půdy

Věřili byste, že neutrony vzniklé díky kosmickým paprskům z vesmíru pomáhají vědcům ve více než 25 zemích měřit vodu v půdě a pomáhají zemědělcům šetřit vodu a přizpůsobit se tak změně klimatu? Pomocí senzoru neutronů kosmického záření sledují vědci rychle se pohybující neutrony v atmosféře, aby zjistili, kolik vody je v půdě a kdy má farmář přidávat závlahu na pomoc plodinám v drsných klimatických podmínkách.

"Moje země trpí suchem," říká Imad-eldin A. Ali Babiker, odborník v Súdánské zemědělské výzkumné společnosti na ministerstvu zemědělství a lesnictví a účastník jednoho z několika školení podporovaných Mezinárodní agenturou pro atomovou energii (MAAE) ve spolupráci s Organizací spojených národů pro výživu a zemědělství (FAO). "Trénink používání senzoru neutronů kosmického záření nám umožnil zvládnout obsah vody v půdě."

První zkušenosti a jejich předávání

Senzor neutronů kosmického záření je zařízení, které dokáže měřit hladiny vlhkosti detekcí rychle se pohybujících neutronů v půdě a ve vzduchu těsně nad půdou (viz Jak senzor kosmických neutronů funguje). Ve srovnání s tradičními metodami snadněji prozkoumá celou potřebnou oblast, je rychlý a přenosný.

Od roku 2013 vědci Společného útvaru FAO a MAAE pro jadernou techniku ​​v potravinářství a zemědělství testují a kalibrují senzor neutronů kosmického záření, včetně jeho mobilní verze, která vypadá jako obyčejný batoh. "Studie na kukuřičných polích, ukázaly, že plánování zavlažování pomocí snímače neutronů kosmického záření může každou sezónu ušetřit až 100 mm závlahové vody - což odpovídá 1 milionu litrů vody na hektar. Obrovské množství vody se tak může optimalizací zavlažování ušetřit v oblastech, kde je voda vzácná. A dokonce se tak zlepšují výnosy," uvedl Ammar Wahbi, odborník na půdní vodu ve Společné divizi FAO/MAAE.

Více než 300 vědců po celém světě už bylo vyškoleno, aby tuto technologii využívající neutrony přenášeli do vzdělávacích kurzů ve svých zemích a rozvíjeli dovednosti zemědělců. Kurzy zahrnují také instrukce, jak používat simulační model AquaCrop, software vyvinutý FAO, který přesně simuluje očekávaný růst plodin a spotřebu vody v různých scénářích. V Iráku tyto kurzy pomohly vědcům identifikovat plodiny vhodné pro měnící se klimatické podmínky země, uvedl Ameerah Hanoon Atiyah, vědec z iráckého ministerstva vědy a techniky. "Rozborem různých možných scénářů bylo možné lépe rozhodovat, které plodiny pěstovat v podmínkách tenčících se vodních zdrojů."

Tradiční metody měření půdní vlhkosti zachycují informace v okruhu jenom několika centimetrů kolem sondy, což dělá rozsáhlé průzkumy jak časově, tak pracovně náročné. Senzor neutronových kosmických paprsků může naopak poskytnout okamžitý výsledek pro plochu o rozloze 20 hektarů bez narušení půdy a rozsáhlé sítě vzájemně souvisejících organismů a struktur, které půda obsahuje. "Tradiční metody spočívají v odebírání několika vzorků půdy, sušení v peci po dobu 48 hodin a měření rozdílu hmotnosti mezi původním a vysušeným vzorkem," vysvětlil Trenton Franz, hydrogeofyzik z University of Nebraska-Lincoln a expert na výcvikové kurzy FAO/MAAE.

Více než deset národních a regionálních projektů v oblasti výzkumu a technické spolupráce týkající se senzorů neutronových kosmických paprsků probíhá od roku 2018 v 15 zemích, a další se plánují. Prostřednictvím těchto projektů odborníci získají vlastní zařízení a uplatní, co se naučili na odborném školení.

Jak senzor kosmických neutronů funguje

Senzor neutronů kosmického záření detekuje a počítá počet neutronů v půdě a ve vzduchu těsně nad půdou. Vědci tuto informaci používají ke stanovení úrovní vlhkosti v půdě. Neutrony jsou v atmosféře produkovány příchozími vysokoenergetickými kosmickými paprsky (hlavně protony) zvnějšku sluneční soustavy. Ty se srážejí s atomy vzduchu - především s dusíkem a kyslíkem - v horních vrstvách  atmosféry Země. Tyto atomy se rozpadají na subatomové částice, protony a neutrony, které dál letí atmosférou a pokračují v srážkách s jinými atomy. V okamžiku, kdy neutrony dosáhnou zemského povrchu, se pohybují velmi rychle. Jejich energii absorbují atomy v životním prostředí, většinu z této energie ve srážkách absorbují atomy vodíku. Srážky neutrony zpomalují. Vzhledem k tomu, že většina vodíku v suchozemském prostředí je obsažena ve vodě v půdě, vědci mohou počítat počet rychlých neutronů v půdě a kolem ní, aby zjistili, kolik vody je přítomno. Suchá půda obsahuje více rychle se pohybujících neutronů, zatímco vlhčí půda méně, protože vodík jejich energii absorbuje.

Zdroj: https://www.iaea.org/newscenter/news/using-cosmic-rays-to-measure-moisture-levels-in-soil