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Avaliação da macroporosidade e da densidade de partículas do solo através da microtomografia de raios-x

Macroporosity and soil particle density evaluation using x-ray microtomography

Resumos

A Ciência do Solo procura compreender e modelar os fenômenos ocorridos no solo, principalmente na zona não saturada. Como o entendimento de muitos desses fenômenos exige determinações em escalas que permitam incorporar aos modelos a variabilidade de poros e agregados, desenvolveu-se, na Embrapa Instrumentação Agropecuária, um tomógrafo de raios-X, de resolução micrométrica, com o objetivo de se obterem imagens, de forma não-destrutiva, de amostras de solo, com resolução espacial igual ou inferior a 100 μm. Foi possível projetar e construir um equipamento, de alta resolução, com baixo custo, comparativamente aos equipamentos comerciais disponíveis, cujos preços são proibitivos para aplicações em solo. Obtiveram-se imagens de amostras de solos com estrutura deformada, compostos por agregados de 212 a 250 μm, nos quais foram identificados poros medindo 100 μm ou menos. Poros dessas dimensões foram visualizados, também, em tomografias de amostras compostas de grãos de areia de 1 mm e capilares de vidro com diâmetros internos de 100, 200 e 300 μm. Tomografias de amostras não deformadas de solos evidenciaram, além de poros de 200 a 800 μm, partículas de alta densidade não-detectáveis com a tomografia de resolução milimétrica.

tomografia; microtomografia; solo; raio-X; agricultura; meios porosos


Soil Science deals with the understanding and modelling of the phenomena occurring in soils, mainly those related to the non-saturated zone. Since understanding most of those phenomena requires determination of parameters in scales allowing the incorporation of pore and aggregate variability to the models, a microscopic scale X-ray tomograph was built at Embrapa Agriculture Instrumentation. The aim was to generate non-destructive images of soil samples, within at least 100 ∝m spatial resolution. It was possible to design and construct a low cost equipment as compared to commercially available scanners, whose prices are prohibitive to soil studies. Tomographs of disturbed soils showing 212 to 250 ∝m aggregates were obtained. Pores with 100 μm size or less were observed. Pores with the same size could be detected in tomographs of samples containing 1 mm sand grains and capillaries with internal diameter of 100, 200 and 300 ∝m. Tomographs of undisturbed soil samples are also shown with pores ranging from 200 to 800 ∝m and high density particles.

tomography; microtomography; soil; X-ray; agriculture; porous media


SEÇÃO I - FÍSICA DO SOLO

Avaliação da macroporosidade e da densidade de partículas do solo através da microtomografia de raios-x(1 (1 ) Parte da Tese de Doutorado do primeiro autor. Projeto financiado pela Embrapa/Instrumentação Agropecuária (Projeto 12.0.94.093) e pela FAPESP (Processo 90/3773-7). Escola de Engenharia de São Carlos - Centro de Recursos Hídricos e Ecologia Aplicada - USP. )

Macroporosity and soil particle density evaluation using x-ray microtomography

A. Macedo; S. Crestana

Pesquisador da Embrapa Instrumentação Agropecuária. Rua XV de Novembro, 1452, Caixa Postal 741. CEP 13560-970 São Carlos (SP). E-mail: alvaro@cnpdia.embrapa.br

RESUMO

A Ciência do Solo procura compreender e modelar os fenômenos ocorridos no solo, principalmente na zona não saturada. Como o entendimento de muitos desses fenômenos exige determinações em escalas que permitam incorporar aos modelos a variabilidade de poros e agregados, desenvolveu-se, na Embrapa Instrumentação Agropecuária, um tomógrafo de raios-X, de resolução micrométrica, com o objetivo de se obterem imagens, de forma não-destrutiva, de amostras de solo, com resolução espacial igual ou inferior a 100 μm. Foi possível projetar e construir um equipamento, de alta resolução, com baixo custo, comparativamente aos equipamentos comerciais disponíveis, cujos preços são proibitivos para aplicações em solo. Obtiveram-se imagens de amostras de solos com estrutura deformada, compostos por agregados de 212 a 250 μm, nos quais foram identificados poros medindo 100 μm ou menos. Poros dessas dimensões foram visualizados, também, em tomografias de amostras compostas de grãos de areia de 1 mm e capilares de vidro com diâmetros internos de 100, 200 e 300 μm. Tomografias de amostras não deformadas de solos evidenciaram, além de poros de 200 a 800 μm, partículas de alta densidade não-detectáveis com a tomografia de resolução milimétrica.

Termos de indexação: tomografia, microtomografia, solo, raio-X, agricultura, meios porosos.

SUMMARY

Soil Science deals with the understanding and modelling of the phenomena occurring in soils, mainly those related to the non-saturated zone. Since understanding most of those phenomena requires determination of parameters in scales allowing the incorporation of pore and aggregate variability to the models, a microscopic scale X-ray tomograph was built at Embrapa Agriculture Instrumentation. The aim was to generate non-destructive images of soil samples, within at least 100 ∝m spatial resolution. It was possible to design and construct a low cost equipment as compared to commercially available scanners, whose prices are prohibitive to soil studies. Tomographs of disturbed soils showing 212 to 250 ∝m aggregates were obtained. Pores with 100 μm size or less were observed. Pores with the same size could be detected in tomographs of samples containing 1 mm sand grains and capillaries with internal diameter of 100, 200 and 300 ∝m. Tomographs of undisturbed soil samples are also shown with pores ranging from 200 to 800 ∝m and high density particles.

Index terms: tomography, microtomography, soil, X-ray, agriculture, porous media.

Texto completo disponível apenas em PDF.

Full text available only in PDF format.

AGRADECIMENTOS

À Embrapa/Instrumentação Agropecuária (Projeto nº12.0.94.093) e à FAPESP (Processo 90/3773-7), pela infra-estrutura e pelo suporte financeiro.

Ao Centro de Recursos Hídricos e Ecologia Aplicada da USP/Escola de Engenharia de São Carlos, onde foi desenvolvida a tese de doutorado.

Aos Assessores Científicos da Revista Brasileira de Ciência do Solo, pelos comentários que muito contribuíram para a melhoria deste trabalho.

LITERATURA CITADA

Recebido para publicação em maio de 1998

Aprovado em maio de 1999

  • CESAREO, R.; CRESTANA, S. & MASCARENHAS, S. Nuclear techniques in soil science. Trends in Agricultural Sciences: Soil Sci., 1:27-46, 1993.
  • CESAREO, R.; APPOLONI, C.R.; BRUNETTI, A.; CASTELLANO, A.; CRUVINEL, P.E.; MASCARENHAS, S.; ASSIS, J.T. & GIGANTE, G.E. Industrial applications of tomography and microtomography. In: INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON COMPUTERIZED TOMOGRAPHY FOR INDUSTRIAL APPLICATIONS, Berlin., 1994. Proceedings. Berlin, 1994. p.295-302.
  • CRESTANA, S.; MASCARENHAS, S. & POZZI-MUCELLI, R.S. Static and dynamic three-dimensional studies of water in soil using computerized tomographic scanning. Soil Sci., 140:326-332, 1985.
  • CRESTANA, S.; CRUVINEL, P.E.; VAZ, C.M.P.; CESAREO, R.; MASCARENHAS, R. & REICHARDT, K. Calibração e uso de um tomógrafo computadorizado em ciência do solo. R. Bras. Ci. Solo, 16:161-167, 1992.
  • CRESTANA, S. Técnicas recentes de determinação de características do solo. In: REUNIÃO BRASILEIRA DE MANEJO E CONSERVAÇÃO DO SOLO E DA ÁGUA, 10., Florianópolis, 1994. Resumos. Florianópolis, Sociedade Brasileira de Ciência do Solo, 1994. p.86-97.
  • CRESTANA, S.; CRUVINEL, P.E.; MASCARENHAS, S.; BISCEGLI, C.I.; MARTIN-NETO, L. & COLNAGO, L.A., eds. Instrumentação agropecuária: contribuições no limiar do novo século. Brasília, Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, 1996. 291p.
  • CRESTANA, S. & NIELSEN, D.R. Investigações não-destrutivas de sistemas porosos multifásicos através de micro-tomografia de raios-X, gama e ressonância magnética nuclear (RMN). In: ENCONTRO NACIONAL SOBRE ESCOAMENTO EM MEIOS POROSOS-ENEMP, 18., Nova Friburgo, 1990. Anais. Nova Friburgo, Colégio Anchieta, 1990. p.699-710.
  • CRESTANA, S. & VAZ, C.M.P. A instrumentação como uma ferramenta na pesquisa em conservação e manejo dos solos. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA DO SOLO, 26., Rio de Janeiro, 1997. Resumos. Rio de Janeiro, 1997. CD-ROM.
  • CRUVINEL, P.E.; CESAREO, R.; CRESTANA, S. & MASCARENHAS, S. X-ray and gamma-ray computerized minitomograph scanner for soil science. IEEE Trans. Instr. Meas., 39:745-750, 1990.
  • EMPRESA BRASILEIRA DE PESQUISA AGROPECUÁRIA - EMBRAPA. Centro Nacional de Pesquisa de Solo. Manual de métodos de análise de solos. 2.ed. Rio de Janeiro, 1997. 212p.
  • FLANNERY, B.P.; DECKMAN, H.W.; ROBERGE, W.G. & D'AMICO, K.L. Three-dimensional X-ray microtomography. Science, 237:1439-1444, 1987.
  • HAINSWORTH, J.M. & AYLMORE, L.A.G. The use of computer-assisted tomography to determine spatial distribution of soil water content. Aust. J. Soil Res., 21:1435, 1983.
  • KUTÍLEK, M. & NIELSEN, D.R. Soil hidrology. Cremlingen-Destedt, Catena Verlag, 1994. 370p.
  • MACEDO, A.; CRUVINEL, P.E.; INAMASU, R.Y.; JORGE, L.A.C.; NAIME, J.M.; TORRE-NETO, A.; VAZ, C. M. P. & CRESTANA, S. Micrometric X-ray CT Scanner dedicated to soil investigation. In: IEEE INTERNATIONAL MULTICONFERENCE ON CIRCUITS, SYSTEMS, COMMUNICATIONS AND COMPUTERS, 3., Atenas, 1999. (Trabalho completo aceito)
  • MILLER, E.E. & MILLER, R.D. Theory of capillary flow: I. Experimental information. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 19:271-275, 1955a.
  • MILLER, E.E. & MILLER, R.D. Theory of capillary flow: I. Practical implications. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 19:267-271, 1955b.
  • NAIME, J.M.; CRUVINEL, P.E. & CRESTANA, S. Tomógrafo portátil dedicado à pesquisa agropecuária. São Carlos, EMBRAPA-CNPDIA, 1996. 4p. (EMBRAPA-CNPDIA, Comunicado Técnico, 11)
  • NAIME, J.M.; CRUVINEL, P.E.; CRESTANA, S.; CONCIANI, W. & SOARES, M.M. Portable CAT scanner applied to collapsible soil studies. In: GAZZINELLI, R.; MOREIRA, R.L. & RODRIGUES, W.N., eds. PHYSICS AND INDUSTRIAL DEVELOPMENT: BRIDGING THE GAP - INTERNATIONAL CONFERENCE, 2., Belo Horizonte, 1997. Proceedings. Singapore, World Scientific, 1997. p.327-331.
  • PETROVIC, A.M.; SIEBERT, J.E. & RIEKE, P.E. Soil bulk density analysis in three dimensions by computed tomographic scanning. Soil Sci. Soc. Am. J., 46:445-449, 1982.
  • ROSENFELD, A. & KAK, A.C. Reconstruction. In: ROSENFELD, A. & KAK, A.C. Digital picture processing. 2.ed. San Diego, Academic Press, 1982. v.1. p.353-430. (Computer Science and Applied Mathematics)
  • VAZ, C.M.P.; CRESTANA, S. & REICHARDT, K. Tomografia computadorizada na avaliação da compactação de solos. R. Bras. Ci. Solo, 16:153-1159, 1992.
  • (1
    ) Parte da Tese de Doutorado do primeiro autor. Projeto financiado pela Embrapa/Instrumentação Agropecuária (Projeto 12.0.94.093) e pela FAPESP (Processo 90/3773-7). Escola de Engenharia de São Carlos - Centro de Recursos Hídricos e Ecologia Aplicada - USP.
  • Datas de Publicação

    • Publicação nesta coleção
      07 Out 2014
    • Data do Fascículo
      Dez 1999

    Histórico

    • Recebido
      Maio 1998
    • Aceito
      Maio 1999
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