Kỹ thuật Neutron Tia vũ trụ (CRNS) mới được phát triển để đo độ ẩm đất trung bình theo diện tích ở quy mô hecta đang được triển khai trong các Hệ thống quan sát độ ẩm đất bằng tia vũ trụ trên thế giới. Trạm quan sát độ ẩm đất bằng tia vũ trụ đo các neutron được tạo ra bởi các tia vũ trụ trong không khí, đất và các vật liệu khác. Các neutron này bị làm chậm bởi chính các nguyên tử hydro nằm chủ yếu ở nước trong đất và phát ra bầu khí quyển, kết hợp ngay lập tức ở quy mô hàng trăm mét với mật độ tỷ lệ nghịch với độ ẩm của đất. Kỹ thuật CRNS đã được biết đến hơn 10 năm và được kiểm chứng bởi nhiều công trình khoa học trên thế giới. Ở Việt nam, từ cuối năm 2022, lần đầu tiên kỹ thuật này được thực hiện và áp dụng. Cùng với các phương pháp truyền thống khác để xác định độ ẩm của đất như đo điểm và viễn thám, kỹ thuật CRNS góp phần hiệu quả vào việc giám sát thời gian thực hạn hán, dự báo lũ quét và sạt lở đất hay lập kế hoạch tưới tiêu trong nông nghiệp.
Độ ẩm của đất là một trong những thông số quan trọng liên quan tới chu trình thủy văn và tác động đến khía cạnh môi trường khác nhau, bao gồm nông nghiệp, thay đổi môi trường (bão cát và xói mòn), khí hậu, thiên tai (lũ lụt và hạn hán) và tái tạo nước ngầm. Độ ẩm của đất được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm trọng lượng của nước trong đất so với trọng lượng đất hoặc tỷ số phần trăm dung tích nước trong đất so với tổng thể tích của đất. Hiện nay, thế giới có rất nhiều phương pháp đo độ ẩm đất, bao gồm phương pháp sấy, phương pháp thể tích thực tế, phương pháp trọng lực riêng, phương pháp tính chất điện môi,… Mặc dù các phương pháp này có thể ước tính chính xác độ ẩm của đất, nhưng hầu hết đều là các phương pháp đo điểm với các thang đo nhỏ và kết quả đo biểu thị trạng thái độ ẩm của đất ở từng điểm, quy mô không lớn.
Các phương pháp viễn thám theo dõi độ ẩm đất trên thế giới đã được nghiên cứu và triển khai từ cuối những năm 1960 và tới những năm 1970, đã đạt được sự phát triển nhanh chóng và toàn diện. Công nghệ viễn thám có các ưu điểm như quan sát nhanh, độ tương phản động lớn, giám sát diện rộng dài hạn và độ phân giải không gian – thời gian tốt, nhưng cũng có nhược điểm như độ sâu nông, khả năng đâm xuyên kém, độ nhạy kém và thời gian bay của vệ tinh ngắn.
Trong thập kỷ trước, một số phương pháp địa vật lý đã được phát triển để lấp đầy khoảng cách giữa các phương pháp truyền thống và viễn thám. Một trong số đó là kỹ thuật sử dụng cảm biến neutron tia vũ trụ (CRNS-Cosmic Ray Neutron Sensing). Kỹ thuật này dựa trên các neutron tự nhiên được phát hiện trên bề mặt trái đất phần lớn được tạo ra bởi các tia vũ trụ theo nhiều quá trình khác nhau. Nhiều nhà khoa học trên khắp thế giới đã nghiên cứu phương pháp này và xác định đây là cách tiếp cận phù hợp nhất để đo hàm lượng nước ở quy mô không gian rộng trong thời gian dài. Do đó trong những năm gần đây, công nghệ đo độ ẩm đất khu vực bằng kỹ thuật neutron tia vũ trụ đã được phát triển nhanh chóng. Tại Việt Nam, từ những năm 2020, kỹ thuật này đã được Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam nghiên cứu và đã có những bước đầu triển khai.
Các tương tác neutron phức hợp được cảm biến phát hiện và chuyển thành ước tính độ ẩm của đất
Tia vũ trụ sơ cấp là các hạt năng lượng cao có nguồn gốc từ vũ trụ và liên tục bắn tới trái đất. Cường độ của các tia vũ trụ đến khí quyển trái đất thay đổi theo các sự kiện tạo ra chúng 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 cơn mưa hạt tia vũ trụ thứ cấp (bao gồm cả neutron). Các hạt này va chạm với các hạt trong khí quyển trái đất, mỗi va chạm làm cho hạt mất năng lượng. Phổ năng lượng của các neutron ở bề mặt trái đất chứa đỉnh: khoảng 100 MeV là các neutron năng lượng cao; ở 1 MeV, neutron nhanh còn được gọi là neutron bay hơi. Những va chạm tiếp theo làm giảm tiếp năng lượng của neutron cho đến khi chúng bị ‘nhiệt hóa’ tức là ở trạng thái cân bằng nhiệt với môi trường; đó là lúc không mất nhiều năng lượng hơn cũng như không lấy lại được năng lượng. Những neutron nhiệt hoặc bị nhiệt hóa này có năng lượng khoảng 0,1 eV. Các neutron có năng lượng lớn hơn neutron nhiệt có thể được gọi là trên nhiệt, lớn hơn 0,5 eV; do đó neutron nhanh nằm trong dải trên nhiệt.
Phổ năng lượng neutron ở bề mặt đo được bởi Goldhagen (màu xám) và được mô phỏng bởi Sato and Niita (nét đứt). Sau khi trừ thành phần phản xạ mặt đất qua nước tinh khiết, có được 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. Hydro là nguyên tố hiệu quả nhất về khả năng hãm neutron nhanh. 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 phụ thuộc vào lượng 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. Quá trình nhiệt hóa có hiệu quả tức thời vì năng lượng/vận tốc lớn 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 yếu tố quan trọng trong việc xác định nồng độ là lượng 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. Khi độ ẩm đất tăng, ít neutron thoát ra khỏi đất và do đó tốc độ ghi nhận neutron 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.
Từ khóa: bức xạ; neutron; tia vũ trụ; độ ẩm đất;
Tham khảo từ Công trình nghiên cứu của Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân (2020)
– CMD&DND –
