德国科学家利用宇宙射线测量农田土壤湿度

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如果你想在干旱时有效地灌溉农田，你必须知道它本来有多湿，德国研究人员为此开发了一种利用太空辐射的湿度测量技术。

一架无人机飞越波茨坦附近带有中子测量站的试验场
资料来源：波茨坦大学
2022 年春天，德国几乎没有下雨，农民们已经担心夏季干旱可能会降低作物产量。人工灌溉田地是一种解决方案，然而，这既复杂又昂贵，而且并不那么容易。
灌溉时必须深入了解当前农业用地的含水情况，要保证含水量刚刚好，不能多也不能少，这就需要能够实时确定土壤湿度的测量系统。
有一种方法是在田间大面积埋设传感器，以便使用它们创建土壤中水分的当前情况图像，但是这种方法复杂而昂贵。因此，来自德国几所大学和研究中心的科学家近年来开发了一种方法，可以测量大面积土壤水分，并且在实践中非常容易使用。
人们很可能不会想到，这种方法竟然是利用宇宙射线！该项目由德国研究基金会资助，名为“Cosmic Sense”。该项目的核心技术是利用超新星爆炸产生的宇宙射线，主要由高能质子组成。当这些带正电的粒子撞击地球大气层时，它们会引发一系列反应。来自太空的质子轰击也会产生电中性中子，这对于测量土壤水分很重要。其中很大一部分到达地面。
中子很容易被氢原子核捕获。并且由于已知氢 (H) 是水 (H 2 O) 的一种成分，因此水是中子的良好吸收剂。由于这一特性，水可以在核设施中用作中子捕集器。
就田地而言，这意味着潮湿的土壤比干燥的土壤吸收更多的中子。如果撞击地面的中子没有被氢原子核吞噬，它们就会像网球一样从地面反弹。
如果您现在将探测器放置在农业区上方的桅杆上，用于测量从土壤反射的中子，那么中子辐射的强度就是土壤中水分的量度。地面越干燥，探测器记录的中子就越多。它越湿，测得的中子强度越低。
由于反射的中子以各种不同的角度从地面飞回，单个探测器的“视野”就很大。科学家们已经确定，探测器可以分析直径达 400 米的圆形区域内的水分。以这种方式获得的数据可以立即用于灌溉系统的最佳控制。
“Cosmic Sense” 项目于 2022 年 5 月再延长三年。波茨坦大学的环境科学家 Sascha Oswald 教授也是该项目的发言人，他制定了以下目标之一：“我们希望更好地区分土壤和植物中的不同的储水，并从多个重叠测量中得出数学模型。”
中子探测器的进一步开发和优化仍在研究人员的待办事项清单上。然而，特别令人兴奋的是土壤水分的选择性测量与来自遥感的大规模数据的结合。
这一方面可以是悬停在陆地上空的飞艇或飞行无人机的中子测量，另一方面从卫星获得的测量数据进行系统比较可能会带来新的见解。也许到那时，仅使用地球轨道的测量数据，就可以获得有关特定领域中水量的精确信息。
中子测量不仅可以为农业提供重要信息，还可以为防洪提供重要信息。在预期的大雨事件之前进行适当的湿度监测可以显示土壤已经如此潮湿以至于不再可能接受雨水渗入，这样的区域将有很大的洪涝风险。

研究人员在阿尔卑斯山安装了一个中子测量装置。它用来测量积雪的厚度
资料来源：波茨坦大学
该测量方法未来还将在阿尔卑斯山进行测试，以便用它来测量雪层的厚度。因斯布鲁克大学的科学家现在也参与了该项目。