Misuriamo l’umidità del suolo utilizzando i raggi cosmici

Gli ultimi anni hanno rappresentato una sfida per il settore agricolo. Il cambiamento climatico ha visto il verificarsi di eventi estremi con gravi danneggiamenti alle colture. A contribuire al deterioramento di una situazione già complessa, si è aggiunto l’incremento dei costi dell’energia elettrica, risorsa necessaria per il pompaggio irriguo.

Il modificarsi delle condizioni climatiche in tempi estremamente veloci spinge all’implementazione di tecnologie innovative, in grado di fornire informazioni più accurate e in tempo reale dello stato della produzione agricola in relazione con l’ambiente esterno.

L’irrigazione digitale e l’uso integrato delle ultime tecnologie per il controllo intelligente dell’acqua concorrono a ridurre lo spreco di acqua ottimizzandone l’utilizzo. Il mercato offre svariate proposte di dispositivi hardware e software e di algoritmi in grado di portare risparmi idrici mantenendo e aumentando la produttività agricola.

L’elaborazione di questi consigli irrigui nasce da informazioni misurate, quali sensori installati nel suolo o dati satellitari, oltre a software e algoritmi per l’interpretazione dei dati e l’elaborazione di consigli irrigui, fino all’hardware che controlla i sistemi di irrigazione. Non ultime vengono integrate le informazioni delle previsioni meteorologiche. Con queste informazioni tecnici e agronomi offrono agli operatori agricoli, strategie di gestione e consigli irrigui.

Misurazioni attendibili

Misurare l’umidità del suolo in maniera corretta è sempre stato un aspetto complesso anche perchè strettamente correlato alla natura etrerogena del terreno nonché ai limiti delle tecnologie disponibili e agli svariati metodi utilizzabili.Tuttavia un’adeguata conoscenza di tale paramentro è di fondamentale importanza per poter monitorare e mantenere il terreno e le coltivazioni in uno stato di salute ottimale.

In questo contesto FinApp, che è nata come spinoff del Dipartimento di Fisica dell’Università di Padova nel 2019, ha messo a frutto le conoscenze scientifiche applicandole all’ambito agricolo, con l’obiettivo di aiutare gli agricoltori nell’uso consapevole dell’acqua. È stata infatti ideata una sonda che utilizza i raggi cosmici naturalmente presenti nell’aria e più precisamente la tecnologia Crns (Cosmic Ray Neutron Sensing) per misurare l’umidità del suolo, con un unico strumento leggero e compatto, senza fili, e autoalimentato.

Tecnologia Crns

Per quanto poco nota fuori dall’ambito accademico la tecnologia Crns è ampiamente validata dalla comunità scientifica con le prime pubblicazioni risalenti a oltre 15 anni fa circa. L’affidabilità di questa metodologia per la misura dell’umidità del suolo è riconosciuta dal Wmo (World Meteorological Organization) che la elenca tra i metodi ufficialmente accettati, mentre la Fao si spinge oltre, definendola la migliore attualmente disponibile per praticare la smart agricolture, resiliente al cambiamento climatico.

Scarica il documento della Iaea sull'adattamento al climate change

Finapp ha utilizzato una tecnologia innovativa ma già solida e validata, introducendo radicali migliorie all’hardware in grado di leggere i neutroni cosmici. Il risultato è una sonda leggera di 4 kg, compatta, 35x25x15 cm, in grado di fornire valori di umidità del suolo validati in tempo reale, (unico dispositivo sul mercato capace di misurare sia i neutroni veloci che quelli lenti con un unico strumento).

Inoltre, la sonda è totalmente autonoma dal punto di vista energetico, non è in contatto col terreno, essendo installata tipicamente 2 m sopra il suolo, non richiede calibrazioni iniziali e non richiede manutenzione, non avendo parti consumabili o in movimento. L’insieme di queste innovazioni hanno permesso a Finapp di operare un reale trasferimento tecnologico dal mondo della ricerca a quello dell’agricoltura.

Parametri irrigui

Finapp ha sviluppato una soluzione pensata per gli agricoltori. Grafici e tabelle dell’umidità del suolo misurata dalle sonde sono d’immediata lettura, facili da consultare da qualunque dispositivo con una connessione a internet. A questi si possono aggiungere i valori di precipitazione e irrigazione, per avere sempre sott’occhio tutti i parametri più importanti.

Grazie alle ridotte dimensioni e al bassissimo consumo elettrico che le permette di operare autonomamente, la sonda Finapp può essere installata o semplicemente trasportata su un mezzo agricolo o rover per l’agricoltura o un ranger per l’irrigazione. Integrando i dati gps con quelli di umidità del suolo, è possibile ottenere una mappa in tempo reale dell’umidità del suolo, con una risoluzione spaziale di 20 m circa.

Ottimizzazione della risorsa

Infine, Finapp offre un consiglio irriguo solido basato su informazioni reale misurate e consistenti, in grado di fornire agli agricoltori un’indicazione semplice ma rigorosa su quantità e tempistiche degli apporti irrigui.

Partendo dal dato di umidità del terreno, integrandolo con la conoscenza del suolo, della coltivazione e delle previsioni meteorologiche, è possibile ottimizzare l’uso della risorsa idrica, salvaguardando allo stesso tempo la redditività dell’azienda.

La tecnologia Crns a raggi cosmici

I raggi cosmici sono invisibili ma li riconosciamo quando guardiamo un’aurora boreale. Nascono nello spazio profondo e a contatto con l’atmosfera terrestre generano una cascata di particelle, tra cui i neutroni veloci. La particolarità di questi neutroni è quella d’interagire solamente con le molecole d’acqua e più precisamente con l‘idrogeno in esse contenuto e non vengono fermati da metallo, terreno, legno o altri materiali.

I neutroni veloci a contatto con l’acqua presente nel terreno vengono in parte assorbiti e in parti riflessi nuovamente in atmosfera, perdendo parte della loro energia, diventando così neutroni lenti. Dalla differenza nel conteggio dei neutroni veloci rispetto a quelli lenti, è possibile misurare il contenuto d’acqua: una elevata differenza implica un elevato contenuto d’acqua e viceversa.

Poiché i neutroni veloci penetrano all’interno del terreno per molti centimetri, il dato fornito è rappresentativo in profondità e non solo superficialmente. Allo stesso modo, dal momento che i neutroni lenti sono distribuiti spazialmente e si disperdono su grandi distanze nell’aria, è possibile monitorare il contenuto d’acqua su aree vaste, circa 5 ettari al livello del mare e in condizioni standard, fino ad oltre i 20 ettari. Il dato di contenuto di acqua nel suolo così ricavato sarà il dato medio, valido su tutta l’area sopra descritta.

Misurazione dell’umidità del terreno

L’umidità del suolo dipende strettamente dalla tessitura del terreno. L’eterogeneità della tessitura del terreno è tale per cui il valore dell’umidità del suolo può variare sensibilmente anche a brevissima distanza.

Per questo motivo è di fondamentale importanza avere un dato mediato su un’area sufficientemente ampia da considerare l’intero spettro dell’eterogeneità del terreno. Inoltre, è altrettanto importante conoscere l’umidità del suolo non solo a livello superficiale, ma anche in profondità, fino a dove tipicamente si trovano le radici delle colture.

Le sonde puntuali Tdr - Time Domain Reflectometry – forniscono dati precisi in molte situazioni operative, ma rappresentativi di un raggio di pochi cm. Servirebbero decine di sonde puntuali per poter ottenere un dato veramente rappresentativo su scala più ampia, ma questo si scontra con i costi di acquisto e gestione delle sonde.

Il dato satellitare copre aree troppo vaste ed è disponibile con qualche giorno di ritardo. Tuttavia, il limite maggiore è rappresentato dall’incapacità di penetrare all’interno del terreno. Gli indici di vegetazioni forniti dal satellite restituiscono lo stato di salute della pianta e non l’umidità del suolo.