DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE ATENUAÇÃO DE MASSA EM MADEIRAS E FOLHAS DE ÁRVORES NATIVAS PELA TÉCNICA DE ATENUAÇÃO DE RAIOS GAMA

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1 DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE ATENUAÇÃO DE MASSA EM MADEIRAS E FOLHAS DE ÁRVORES NATIVAS PELA TÉCNICA DE ATENUAÇÃO DE RAIOS GAMA *Regina M. de Miranda, Elisabete M. Pascholati *Departamento de Metalogênese e Geoquímica, IG/UNICAMP Caixa Postal , Campinas-SP, Brasil RESUMO Utilizando-se uma fonte de 241 Am, determinou-se o coeficiente de atenuação de massa para diferentes madeiras e folhas, provenientes de árvores típicas da Mata Atlântica. Tomando-se a madeira natural, a madeira seca e as folhas, verificou-se que é muito pequena a variação do coeficiente de massa para as distintas espécies. Por outro lado, os troncos das árvores provocam uma maior atenuação que as folhas e ambos dependem do respectivo teor de água. I - INTRODUÇÃO A técnica de atenuação de raios gama tem sido utilizada em várias aplicações. Ferraz (1976), determinou a densidade de madeiras brasileiras, Appoloni & Rios (1994), determinaram o coeficiente de atenuação de massa de solos brasileiros, Ferraz & Mansell, 1979, mediram o conteúdo de água e densidade de solos. Bradley et al. (1991), mediram o coeficiente de atenuação para madeiras tropicais (densidades variando de 0,135 a 1,180 g.cm -3 ), utilizando a mesma técnica, e encontraram uma relação linear entre os coeficientes lineares de atenuação e as densidades. Neste trabalho, determinou-se o coeficiente de atenuação de massa em madeiras e folhas presentes numa floresta, visando estudos da atenuação apresentada por uma cobertura vegetal densa à radiação natural emitida pela superfície (K, U e Th). O efeito de blindagem de uma floresta à radiação gama vem sendo questionado há bastante tempo. Kogan et al (1971), já propunha uma variação que chegava a 40%. Poucos resultados existem sobre o assunto em floresta tropical úmida. Podemos citar, em nosso país, os trabalhos de Travassos (1981), Figueiredo & Travassos (1992) e Travassos & Pires (1994), utilizando modelagens matemáticas e o de Pereira & Nordemann (1983), de caráter experimental. Tendo-se uma média dos coeficientes de atenuação dos diversos componentes de uma vegetação, é possível aplicar estes valores a um modelo matemático do sistema, e então determinar, teoricamente, a atenuação apresentada pela cobertura vegetal. Os resultados permitirão a correção dos dados de aerogamaespectrometria. II - PRINCÍPIOS FÍSICOS Na interação da radiação gama com a matéria, fótons interagem com elétrons, núcleos e campos elétricos, sendo absorvidos e espalhados. Estas interações resultam na atenuação do feixe de fótons incidente I(x). Uma fração di(x)/i(x) atenuada é diretamente proporcional à largura do material x, onde a constante de proporcionalidade k referese ao coeficiente de atenuação linear: di(x)/i(x) = -kdx (1) Há vários processos de interação com a matéria, onde efeito Compton, efeito fotoelétrico e produção de pares são os principais. O coeficiente de atenuação linear k, para uma dada energia e um material específico, é a soma de coeficientes individuais, sendo que cada um representa um processo de atenuação: k = k c + k E + k P +... (2) onde k c, k E e k P representam o efeito Compton, efeito fotoelétrico e produção de pares, respectivamente. Cada um destes coeficientes dá a probabilidade de ocorrência da interação individual, e a soma representa a probabilidade total de atenuação com uma energia específica durante a transmissão através do material. O coeficiente de atenuação de massa µ [cm 2.g --1 ], é o coeficiente de atenuação linear k dividido pela densidade ρ, e depende das propriedades químicas do material absorvedor.

2 Comparando-se medidas de coeficientes de atenuação de massa de vários materiais, constata-se que estes variam mais para as baixas energias (60 a 600 kev), onde os coeficientes diminuem com a mesma; para altas energias (acima de 600 kev), tornam-se constantes e indiferenciáveis em diferentes materiais (Bhandal & Singh, 1993). Com o 241 Am, é possível fazer-se uma diferenciação entre os vários tipos de madeiras pelo coeficiente de atenuação de massa. Lei de Beer-Lambert. O coeficiente de atenuação de massa é calculado pela Fórmula de Beer-Lambert: ( ) I( x) = I( 0 )exp µρx Invertendo e aplicando ln em ambos os lados: I( x) I exp( x) ln ( 0 = µρ ) = µρ x (4) I( 0) I( x) (3) µ = ln Portanto: ( I( 0) / I( x) ) ρx onde µ é o coeficiente de atenuação de massa [cm 2.g -1 ], I(0) é a intensidade do feixe incidente, I(x) é a intensidade emergente atenuada pela amostra, ρ é a sua densidade [g.cm -3 ] e x é a espessura [cm]. III - MATERIAIS Para a determinação do coeficiente de atenuação de massa utilizou-se o equipamento apresentado na figura 1, com as seguintes características: (5) Figura 1. Esquema do equipamento utilizado - distância fonte-detector 6,30 cm; - comprimento do trilho 100 cm; - diâmetro da blindagem = 16 cm; - altura da blindagem = 40 cm. - energia do gama = 59,5 kev; - atividade atual = 100 mci; - volume efeitvo: * diâmetro efetivo = 7,5 mm; * altura efetiva = 3,0 mm; * área transversal = 7,1 mm 2. - Gamaespectrômetro acoplado a um detetor de Na(ITl); - Fonte de Amerício 241; - 39 blocos de distintas madeiras de, aproximadamente, 16x12x2 cm, pertencentes ao mostruário do CENA; - 21 pequenos blocos (2x2x10 cm) das madeiras Ipê e Mogno; - Folhas de espécies de árvores nativas: Trichilia cf. elegans A. Juss., Dendropanax cuneata (Maria Mole), Copaifera langsdorffii Desf. (Copaíba), Ezenbeckia febrifuga, Chrysophyllum gonocarpum (Caxeta). Estes espécies estão presentes na região do Quadrilátero Ferrífero (MG), na qual se fará uma avaliação sobre a absorção da camada de vegetação.

3 IV - MÉTODO As amostras foram pesadas e tiveram suas dimensões medidas, com o intuito de se determinar volume e densidade. A medida do background foi sempre efetuada antes de se iniciar cada série de medida. Numa primeira etapa, foi medido o coeficiente de atenuação de massa dos 39 blocos. Face à impossibilidade de confecção de blocos de folhas dessa dimensão, optou-se por uma alteração no procedimento de laboratório. Em uma segunda etapa, foram utilizadas as 21 pequenas amostras de ipê e mogno, divididas em 3 grupos de 7: o primeiro foi moído e, do pó, fez-se pastilhas prensadas com diâmetro de 3 cm e alturas variadas, de no máximo 1 cm; o segundo foi seco em estufa até que se conseguisse a mínima umidade possível, sem que ocorresse alteração das propriedades da madeira e, o terceiro, foi mergulhado em água, a fim de se obter um alto teor de umidade Depois do método das pastilhas ter sido testado nas madeiras e tendo-se comprovado sua eficácia, passouse à etapa seguinte, que foi a confecção das pastilhas de folhas, após estas terem sido secas e moídas. Nos blocos grandes, foram realizadas 15 medidas de 30 segundos; quando a madeira não apresentava densidade muito homogênea (veios e variação de cor) era realizado um número maior de medidas na amostra. Nas 21 amostras pequenas, as medidas foram efetuadas em estado natural, para se comparar os resultados com os obtidos nas madeiras correpondentes, em blocos grandes. Eles foram dispostos sobre o trilho lado a lado e as medidas foram tomadas de 0,5 em 0,5 mm, ou seja, foi feito um perfil, de 3 medidas de 20 segundos, em cada ponto. O mesmo procedimento foi usado para o grupo das amostras secas. Infelizmente, problemas no equipamento impediram a medida no grupo das amostras úmidas. As pastilhas foram afixadas em um suporte adequado à geometria do equipamento; neste caso, a variação dos pontos foi manual. V - RESULTADOS E DISCUSSÃO A Tabela 1 mostra os resultados obtidos para as 39 espécies de madeira. Como pode ser observado, a densidade varia de 0,388 a 1,093 g.cm -3 e o coeficiente fica no intervalo de 0,181 a 0,191 cm 2.g -1. Nas figuras 2 e 3 pode-se observar que a espécie da madeira, bem como sua densidade, não têm muita influência no coeficiente de atenuação. No perfil realizado com as 21 amostras em sequência, o coeficiente apresentou uma média de 0,180 cm 2.g -1 para o ipê e 0,175 cm 2.g -1 para o mogno, valores estes mais baixos que os anteriores, das amostras grandes; tal fato é devido, supõe-se, à umidade mais baixa dos blocos grandes. Para o primeiro grupo (pastilhas de madeira), encontrou-se um coeficiente de 0,178 cm 2.g -1 para o ipê e 0,175 cm 2.g -1 para o mogno, ou seja, valores semelhantes aos anteriores (21 amostras), comprovando-se, assim, que este método seria eficiente para as folhas. O segundo grupo (amostras secas), apresentou um coeficiente de atenuação de massa médio de 0,192 cm 2.g -1 para o ipê e 0,193 cm 2.g -1 para o mogno (6% e 10 % mais alto que para a madeira natural, respectivamente), mostrando que a falta de água diminue a atenuação. Com as pastilhas de folhas foi encontrado um coeficiente de atenuação médio de 0,23 cm 2.g -1. Apesar de existirem 6 espécies diferentes de folhas, os resultados foram muito semelhantes. O valor do coeficiente foi alto devido a umidade das pastilhas ser baixa, valor este 19 % maior que o das pastilhas de madeira seca, mostrando, o que já era previsto, as folhas blindam menos a radiação que o tronco de uma árvore. VI - CONCLUSÕES A partir dos valores obtidos para os coeficientes de atenuação de massa para troncos e folhas de árvores, principais componentes de uma floresta, verificou-se que a atenuação é maior para os troncos e a umidade tem forte influência nos resultados. Portanto, como os elementos radioativos naturais K, U e Th têm alta energia, o coeficiente de atenuação para uma floresta não vai, aparentemente, variar muito devido ao tipo de vegetação existente, mas dependerá da espessura dos troncos e da umidade. Tais resultados permitirão a correção do efeito da atenuação da vegetação em dados obtidos por levantamentos aerogamaespectrométricos, em regiões de vegetação densa, onde o acesso terrestre, não raro, é bastante difícil. AGRADECIMENTOS Agradecemos aos Profs.Drs. Epaminondas Ferraz e Gilberto Amaral pelas sugestões e ajuda no processamento dos resultados.

4 TABELA 1. Amostras utilizadas e resultados obtidos amostras espessura (cm) densidade (g/cm 3 ) coef. de at. (cm 2 /g) desvio padrão 1 gonçalo alves 2,44 1,093 0,188 0,006 2 arueira 2,35 1,092 0,187 0,008 3 sucupira 2,46 1,050 0,183 0,006 4 guarantã 2,46 1,029 0,188 0,009 5 eucaliptus grd 1 2,28 0,987 0,186 0,009 6 ipê 2,44 0,948 0,186 0,003 7 canelão 2,32 0,940 0,186 0,004 9 castanheira 2,39 0,928 0,188 0, angico 2,45 0,911 0,187 0, jacarandá da bahia 2,35 0,907 0,187 0, cabreuva 2,33 0,900 0,185 0, guaiuvira 2,47 0,868 0,186 0, caviuna 2,39 0,862 0,187 0, amendoim 2,42 0,855 0,187 0, jacarandá paulista 2,33 0,855 0,187 0, louro 2,48 0,836 0,185 0, araruva 2,48 0,813 0,188 0, jatobá 2,44 0,799 0,189 0, pau marfim 2,83 0,767 0,187 0, óleo de copaíba 2,29 0,762 0,183 0, perobinha 2,33 0,762 0,183 0, peroba 2,36 0,760 0,185 0, cabreutinga 2,43 0,753 0,188 0, canela 2,46 0,732 0,183 0, imbuia 2,28 0,715 0,189 0, pau d'alho 2,30 0,669 0,191 0, mogno 2,52 0,669 0,188 0, jequitibá branco 2,35 0,653 0,187 0, guatambú 2,30 0,633 0,187 0, grevilha 2,58 0,607 0,189 0, cedro 2,30 0,583 0,186 0, pinho (araucária) 2,33 0,581 0,189 0, frejó 2,32 0,571 0,187 0, pinus caribea 2,62 0,561 0,191 0, cerejeira 2,46 0,559 0,187 0, jequitibá rosa 2,33 0,515 0,186 0, caxeta 2,49 0,483 0,189 0, timburi 2,30 0,388 0,188 0,010 média 2,41 0,774 0,187 desvio padrão 0,11 0,177 0,002

5 coeficiente de atenuação (cm2/g) 0,192 0,190 0,188 0,186 0,184 0,182 0,180 0, sequência de amostras Figura 2. Sequência de amostras pelo coeficiente de atenuação coeficiente de atenuação (cm2/g) 0,191 0,190 0,189 0,188 0,187 0,186 0,185 0,184 0,183 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 densidade (g/cm3) Figura 3. Densidade das amostras pelo coeficiente de atenuação REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] FERRAZ, E. S. B., Determinação da densidade de madeiras por atenuação de radiação gama de baixa energia, IPEF, Piracicaba (12): 61-68, [2] APPOLONI, C.R.; RIOS, E.A., Mass Attenuation Coefficients of Brazilian Soils in the Range kev, Appl. Radiat. Isot. 45(3): , [3] FERRAZ, E. S. B. and MANSELL, R. S., Determining Water Content and Bulk Density of Soil by Gamma Ray Attenuation Methods, University of Florida, Bulletin 807 (Technical), September [4] BRADLEY. D.A.; TAJUDDIN, A.A.; WAN SUDIN, C. W. A. C.; BAUK. S., Photon Attenuation Studies on Tropical Hardwoods, Appl. Radiat. Isot. 42(8): , [5] KOGAN, R.M., NAZAROV, I.M. & FRIDMAN, SH.D., Gamma Spectrometry of Natural Environments and Formations. IPST Jerusalem, 337p. [6] TRAVASSOS, J.M., Distorção do campo gama primário na camada atmosférica superficial causada pela biomassa aérea de uma floresta.rio de Janeiro, 287p., 1981 (Dissertação de Mestrado, UFRJ). [7] FIGUEIREDO, I. & TRAVASSOS, J.M., Avaliação da blindagem de uma floresta à radiação gama natural emitida pelo solo. Revista Brasileira de Geofísica, 10(1): 55-64, [8] TRAVASSOS, J.M. & PIRES, A.C.B., The screening effect of a Tropical Forest on airborne gamma-ray spectometry. Nucl. geophys. 8(5): , 1994.

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