APLICAÇÃO DA TÉCNICA DE ATENUAÇÃO DA RADIAÇÃO GAMA DO 241 AM EM SUBSTRATOS VEGETAIS

Transcrição

1 2005 International Nuclear Atlantic Conference - INAC 2005 Santos, SP, Brazil, August 28 to September 2, 2005 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA NUCLEAR - ABEN ISBN: APLICAÇÃO DA TÉCNICA DE ATENUAÇÃO DA RADIAÇÃO GAMA DO 241 AM EM SUBSTRATOS VEGETAIS Helder de Oliveira 1, Fabiana T. de Camargo 2, Jefferson Mortatti 1, Milton J. Bortoletto Junior 1 and Renato A. Lopes 1 1 Laboratório de Isótopos Estáveis Centro de Energia Nuclear na Agricultura Universidade de São Paulo Av. Centenário, Píracicaba, SP helder@cena.usp.br 2 Escola Superior de Agricultura "Luiz de Queiroz" Universidade de São Paulo Av. Pádua Dias, 11 CEP Piracicaba, SP fabianatcamargo@yahoo.com.br RESUMO O substrato exerce a função do solo, fornecendo à planta sustentação, nutrientes, água e oxigênio e pode ter distintas origens como animal, vegetal, mineral e artificial. Pesquisas sobre o tempo de irrigações nas diversas camadas do substrato são importantes na área de manejo de plantas em vasos para estudos da quantidade de água e nutrientes a serem adicionados, em benefício das exigências nutricionais e manutenção da cultura, bem como economia de água e insumos agrícolas, a fim de se obter plantas saudáveis e produtivas à menor custo. Portanto, no presente trabalho, teve-se como objetivo determinar gradientes de densidade nos substratos xaxim e fibra de coco em distintas condições de umidade, pelo método de atenuação de radiação gama do 241 Am. 1. INTRODUÇÃO O método de atenuação de radiação gama, no meio do qual se deseja inferir a densidade ou umidade, tem sido utilizada em estudos de diversos campos da ciência tais como: estimativa de produtividade florestal; comportamento sazonal de crescimento em diâmetro e altura de árvores; variações de clima em períodos passado e presente; avaliações para correções de curtas séries dos registros hidrológicos; determinação da densidade e umidade volumétrica de solo; análise granulométrica e distribuição de partículas em solos sob florestas e cana-deaçúcar [1-3]. Os substratos podem ter diversas origens, como animal (esteco e húmus), vegetal (bagaços, xaxim, fibra de coco e serragem), mineral (vermiculita e areia) e artificial (espuma fenólica, e isopor). Entre as características desejáveis nos substratos, pode ser citado o custo, disponibilidade, teor de nutrientes, aeração, retenção de umidade, economia de água e mãode-obra para a irrigação [4].

2 Em especial, a fibra de xaxim (Dicksonia sellowiana), encontrada na Mata Atlântica de São Paulo, Paraná e Santa Catarina e, matas serranas de Minas Gerais, devido à sua extração constante da samambaia-açu, vêm levando-a extinção em razão de sua intensa exploração comercial destinada à floricultura e jardinagem. Por este motivo o seu corte vem sendo proibido em vários municípios pelo Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e um novo substrato está sendo comercializado, o coxim, produto industrializado da fibra de coco (Cocus nucifera) [5,6]. Em substratos, torna-se importante obter informações a respeito do tempo entre irrigações em diversas camadas de um substrato em vasos porque podem fornecer importantes dados sobre o manejo e manutenção de uma cultura, além de trazer benefícios quanto às exigências nutricionais, economia de água e insumos agrícolas, para se obter plantas saudáveis e produtivas à menor custo. Portanto, o objetivo do presente trabalho foi utilizar-se do método de atenuação de radiação gama do 241 Am na determinação de gradientes de densidade nos substratos vegetais xaxim e fibra de coco, para averiguar a distribuição e o tempo de retenção de água em um contêiner apropriado. 2. METODOLOGIA 2.1. Densimetria Quando se estuda o deslocamento de um fluido através de um meio poroso qualquer, leva-se em conta que a atenuação da radiação dar-se-á pela massa de fluido do sistema particulado que estiver no caminho do feixe de fótons [1]. Pode-se dizer em termos físicos que a interação entre a radiação e um material, em especial um substrato, está relacionado ao balanço ar/água na mistura, no total de partículas sólidas e o arranjamento entre essas partículas [3]. No presente trabalho, adotaram-se os modelos teórico-experimentais utilizados em estudos desenvolvidos para a madeira que seguem o modelo da Beer-Lambert para a atenuação de um feixe mono-energético de radiação gama por um meio [1]. Desta maneira, determinou-se o gradiente de densidade dos substratos medindo-se a fração atenuada pelo sistema, distinguindo-se os meios existentes entre a fonte e o detector. A equação (1) representa forma simplificada os três componentes considerados: substrato, água e ar. I=I o exp[µs s ρ s θ s x+µ w ρ w θ w x+µ a ρ a θ a x(θ a 1)x] (1) sendo:µ s, µ w, µ a = coeficiente de atenuação do substrato, da água e do ar (cm 2 g -1 ); ρ s, ρ w, ρ a = densidade da substância substrato, da água e do ar (g cm -3 ); θ s, θ w, θ a = frações volumétricas do substrato, da água e do ar, determinadas, respectivamente, como a relação entre o volume de substrato, água e ar pelo volume total (substrato+água+ar) e x = espessura da amostra do substrato (cm). Em condições normais de temperatura e pressão, µ a = 0,03 cm 2 g -1. Para a energia de 60 kev ( 241 Am) e ρ a =1, g cm -3. Assim, desprezando-se µ a e considerando ρ w = 1,0 g cm -3, a equação (1) pode ser escrita como:

3 I=I o exp[x(µ s ρ s θ s +µ w ρ w θ w )] (2) sendo: θ s = d s ρ s -1 ; A equação (2) pode ser utilizada para medir ρ s em uma situação em que θ seja conhecido por outro método, ou para determinar θ em um material para o qual ρ s é uma constante de valor conhecido. Desta forma, a variável µ s (coeficiente de atenuação de massa do substrato) foi determinada considerando a intensidade do feixe através do recipiente (acrílico) sem amostra e intensidade do feixe através do recipiente preenchido com partículas de substrato (seco a 105 o C). Como a umidade média foi determinada pelo método gravimétrico, a densidade do material (d m ) em função da água adsorvida foi definida pela equação (3), sendo µ s determinado experimentalmente. d m = (U/100 µ w ) / (ln (I 0 /I)/x d s µ s ) (3) 2.2. Material e Métodos Equipamentos O sistema utilizado foi composto por uma fonte de 241 Am, com atividade de 100 mci, encapsulada em blindagem e colimador de chumbo, com emissão de um feixe de radiação gama incidente em um detector de NaI(Tl) através de outro colimador, com abertura de 1 mm de raio, alinhado com o primeiro a uma distância de 28 cm. Os impulsos produzidos percorreram o pré-amplificador, amplificador e foram processados por um analisador multicanal, sendo que um controle de posição das amostras, analisador multicanal, e aquisição de dados, efetuou-se, automaticamente, por um microcomputador Determinação do coeficiente de massa das amostras Amostras dos substratos foram introduzidas e duas distintas massas e compactações em um cilindro com 3 cm de diâmetro, a uma pressão de 20 a 25 toneladas, por 10 minutos, formando pastilhas. Depois de envoltas em uma camada fina de filme transparente de PVC, foram expostas à incidência de radiação gama, obteve-se I (intensidade do feixe emergente) e I 0 (intensidade do feixe incidente), efetuando-se em 5 posições distintas por 1 minuto, com 3 repetições em cada ponto. Este procedimento foi repetido, resultando em 6 pares (ρ, x) e (I o, I). Depois de obtidos os valores de µ m, determinou-se o valor médio para cada substrato e a sua densidade média Coleta e preparo de amostras

4 As amostras de xaxim e fibra de coco foram provenientes da Fazenda Tropical Flores, por ela adquirida no mercado consumidor originadas de regiões produtoras. Inicialmente foram secas em estufa com circulação de ar a 105 o C e posteriormente condicionadas em barris de plástico adicionando-se água nas proporções de 0,5:1, 0,3:1 e 0,15:1 de matéria seca/água. Mantidas hermeticamente fechadas cerca de 20 dias, foram determinadas as umidades para cada situação, optando-se por trabalhar umidades próximas a 60% e 50% para o xaxim e fibra de coco, respectivamente. Alíquotas dos materiais na umidade desejada foram colocadas em um recipiente de acrílico transparente (Figura 1), com espessura média de 8,13 cm, fechado com filme transparente de PVC, de modo a evitar a perda de água do sistema. Foram marcados no recipiente de acrílico dezesseis pontos em quatro alturas conforme ilustra a Figura 1. Simulou-se uma irrigação, por gotejamento, como ocorre nos vasos em condições de campo, exceto pelo sistema fechado em condições laboratoriais e efetuaram-se duas irrigações por dia no centro do recipiente. Para o substrato xaxim e fibra de coco, efetuaram-se duas irrigações de 58 ml de água por 10 minutos de gotejo no centro do recipiente, nos tempos t 1 e t 3, perfazendo o volume total 116 ml de água no dia. p 2 p 3 p 4 p 1 p 4 h 1 h 1 h 2 h 3 h 4 Figura 1. Recipiente de acrílico e pontos utilizados para a determinação dos gradientes de densidade das amostras de xaxim e fibra de coco em função do tempo de escoamento da água. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os coeficientes de atenuação de massa obtidos experimentalmente para o xaxim, fibra de coco foram de 0,19698 e 0,19516 (cm 2 g -1 ), respectivamente. A densidade média obtida para o xaxim e fibra de coco foi de 1,08±0,011 e 0,92±0,038 g cm -3, respectivamente. Para a água o valor utilizado de 0,20496 (cm 2 g -1 ), foi extraído da literatura [12]. Os resultados das umidades médias de três repetições para as amostras de xaxim e fibra de coco, na relação de 0,15:1, entre água/amostra foram de 61 e 50%, respectivamente. Trabalhou-se com uma taxa de contagens da ordem de contagens por 8 segundos.

5 Na Tabela 1, encontram-se os resultados dos gradientes de densidade dos materiais xaxim e fibra de coco em distintas posições (p n, h n ) e tempos (t n ). Adotou-se para ambos os substratos que no t 0, sem irrigação, as variações do CV (%) foram devido à heterogeneidade do material, a compactação natural no recipiente e as interações entre partículas, ar e ação da gravidade no fluido nas umidades consideradas. Para o xaxim, observou-se que após a primeira irrigação nos tempos de t 1 a t 2 e pontos p 2 e p 3, entre h 2 e h 3 houve um caminho preferencial do líquido, e esse fato pode ser atribuído à posição do gotejador estar no centro do recipiente. Já para os pontos das duas extremidades p 1 e p 4, de h 1 a h 4, não houve significativa alteração no gradiente de densidade em t 1 e t 2. t 0 sem irrigação t 1 15 min após 1 a irrigação t min t 0 sem irrigação t 1 t = 75 min t 2 t = 135 min Tabela 1. Distribuição do gradiente de densidade em amostra de xaxim e fibra de coco em função da posição (p n e h n ) e tempo (t n ) antes e depois da irrigação. Amostra de xaxim p 1 p 2 p 3 p 4 p 1 p 2 p 3 p 4 h 1 0,79 1,17 0,99 1,01 h 1 0,80 1,17 1,12 0,97 h 2 0,69 1,30 1,00 0,79 t 3 h 2 0,79 0,39 0,45 0,62 h 3 0,78 1,24 1,12 0, min h 3 0,80 0,52 0,50 0,63 h 4 0,86 1,00 1,09 0,81 2 a irrigação h 4 0,81 0,92 0,80 0,71 C.V. a 9,0 11,1 6,3 12,7 C.V. 0,9 48,1 43,1 22,6 h 1 0,74 1,31 0,83 0,87 h 1 0,64 0,90 0,87 0,75 h 2 0,71 0,59 0,97 0,73 h 2 0,51 0,54 0,45 0,51 t h 3 0,84 0,69 1,01 0,77 4 h 3 0,67 0,53 0,41 0,52 h 4 0,83 1,06 0,79 0, min h 4 0,77 1,05 0,71 0,82 C.V. 8,2 36,0 11,6 8,4 C.V. 16,7 34,8 35,3 24,3 h h h 2 0,68 0,74 0,62 0,75 h 2 0,46 0,73 0,49 0,48 t h 3 0,73 0,65 0,62 0,72 5 h 3 0,56 0,63 0,47 0,52 h 4 0,88 1,02 0,83 0,73 23,25 h h 4 0,64 1,12 0,65 0,61 C.V. 11,4 27,2 22,9 12,8 C.V. 14,0 25,4 25,3 21,9 Amostra de fibra de coco p 1 p 2 p 3 p 4 p 1 p 2 p 3 p 4 h 1 1,07 1,20 1,19 1,03 h 1 0,95 1,23 1,11 1,11 h 2 0,99 1,15 1,39 1,12 t 3 h 2 1,00 1,01 1,14 1,00 h 3 1,19 1,15 1,28 1,17 t = 260 min h 3 0,95 1,30 1,10 0,92 h 4 1,20 1,13 1,33 1,33 h 4 0,85 1,29 1,13 1,11 C.V. 9,3 2,8 6,5 10,8 C.V. 18,6 16,7 1,7 9,1 h 1 1,05 1,05 1,87 1,35 h 1 1,37 1,38 1,29 1,18 t h 2 1,12 0,97 1,98 1,01 4 h 2 0,97 1,01 1,50 1,03 t = 330 min h 3 1,48 1,13 1,47 0,77 h 3 1,14 0,97 1,24 1,01 2 a irrigação h 4 0,80 1,60 1,53 1,38 h 4 0,85 1,25 1,21 1,26 C.V. 25,3 23,5 14,5 25,9 C.V. 20,9 17,0 10,1 10,8 h 1 1,22 1,51 1,47 1,31 h 1 0,94 1,10 1,47 1,54 h 2 0,96 0,96 1,07 1,10 t 5 h 2 0,81 0,93 1,27 1,15 h 3 1,48 1,37 1,26 1,02 t = 24,25 h h 3 0,90 1,20 0,92 0,96 h 4 1,04 1,40 1,30 0,97 h 4 1,13 1,10 1,26 1,26 C.V. 19,8 18,5 12,8 13,5 C.V. 25,2 10,3 18,3 19,7 a. C.V. (%) = coeficiente de variação (desvio padrão x 100 / média) Após a segunda irrigação (t 3 ), exceto para p 1 (h 1 a h 4 ) ocorreram significativas variações no C.V.(%) das coordenadas dos pontos p 2 (h 2 e h 3 ), e p 3 (h 2 a h 4 ) e menos significativas em p 4

6 (h 2 e h 3 ). Essa distribuição pode ser atribuída a forças de adsorção entre o fluido e as paredes das partículas do substrato. Porém, do ponto de vista agronômico, foi importante constatar que fluxo de água atingiu a camada h 4 na primeira irrigação no ponto p 3 em 3,25 h, e após a segunda irrigação demorou 1,5 h para alcançar a mesma camada h 4. Pode-se afirmar que houve maior rapidez na dispersão do fluxo, no sentido vertical, em p 2 e p 3 e nas condições experimentais do presente estudo, não foi detectada percolação de água após as irrigações. Para as amostras de fibra de coco, o acompanhamento das variações de fluxo de água no tempo e no espaço, foi possível averiguar uma abrupta variação no gradiente de densidade após a primeira irrigação ocorrida em t 1 em todas as coordenadas de p n e h n, embora a posição de gotejamento estar no centro do recipiente. As forças de adsorção entre o fluido e as paredes das partículas do substrato, umidade, granulometria e compactação podem ser a causa desta difusão da água nos sentidos de p n e h n. Na segunda irrigação em t 4, houve percolação de 45 ml de água, ou seja, perderam-se 77,6% de água após cinco minutos da adição de água no substrato. Depois de decorrido um tempo longo t 5 das irrigações, pode-se ter uma idéia da distribuição do fluido, em relação ao tempo inicial t 0 em ambos os substratos e concluir pelos resultados que o substrato xaxim possuiu maior capacidade de retenção de água do que a fibra de coco; a fibra de coco apresentou distribuição mais uniforme de umidade do que o xaxim e que a metodologia aplicada no presente trabalho apresentou-se promissora para estudos de gradientes de densidade em substratos a serem utilizadas em culturas cultivadas em vasos. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPESP e ao CNPq pelo auxílio financeiro concedido. REFERÊNCIAS 1. AGUIAR, O. Determinação de gradientes de umidade em madeira por atenuação de radiação gama do 241 Am. Piracicaba, p. Dissertação (Mestrado), Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz (ESALQ), Universidade de São Paulo (USP). 2. ELIAS, E.A. Aperfeiçoamentos no uso da técnica de atenuação da radiação gama na ciência do solo. Piracicaba, p. Dissertação (Mestrado), Centro de Energia Nuclear na Agricultura (CENA), USP. 3. OLIVEIRA, J.C.M. Atenuação de raios gama na análise granulométrica de amostras de terra, Piracicaba, p. Tese (Doutorado), CENA, USP. 4. TAVEIRA, J.A. Substratos Cuidados na escolha do tipo mais adequado. Boletim Ibraflor Infomativo, nº13, Dez MARQUES, R.W.C. Avaliação da sazonalidade do mercado de flores e plantas ornamentais no Estado de São Paulo. Piracicaba, p. Dissertação (Mestrado), ESALQ, USP. 6. BEZERRA, F.C.; BEZERRA, G.S.S. Efeito do substrato na formação de mudas de meloeiro (Cucumis melo). Embrapa Agroindústria Tropical, n o 78, p.1-3, Dez 2000.