Un nuovo modo per misurare l’acqua

Grazie ai raggi cosmici e più precisamente alla tecnologia CRNS, acronimo di “Cosmic Ray Neutron Sensing”, Finapp ha brevettato delle sonde di nuova generazione: possono misurare il contenuto d’acqua su larga scala, in profondità e in real time.

Nata come spinoff dell’Università di Padova, Finapp è un’azienda che ha messo a frutto le conoscenze di fisica nucleare applicata (da cui il nome) nell’ambito del monitoraggio ambientale. Finapp utilizza la tecnologia CRNS (“Cosmic Ray Neutron Sensing”) per misurare, con un unico strumento, l’umidità del suolo e la SWE (“Snow Water Equivalent”) su larga scala, ossia una decina d’ettari, e in profondità cioè circa 50 cm nel terreno e diversi metri nella neve.

Come funziona la tecnologia CRNS

I raggi cosmici 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 solo con le molecole d’acqua, e più precisamente con l’idrogeno in esse contenuto. I neutroni veloci a contatto con l’acqua presente nel terreno o nella neve vengono in parte assorbiti e in parte riflessi nuovamente in atmosfera, perdendo parte della loro energia e diventando così neutroni lenti. A un elevato conteggio di neutroni lenti corrisponde un basso contenuto d’acqua e viceversa. Poiché i neutroni veloci penetrano all’interno del terreno per molti centimetri (per metri in caso di neve), 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 vaste aree, circa 5 ettari al livello del mare e in condizioni standard, superando i 20 ettari in alta quota (l’aria più rarefatta permette ai neutroni lenti di viaggiare più a lungo). Il dato così ricavato va inteso come il dato medio, valido su tutta l’area sopra descritta.

Una sonda leggera e compatta

Per quanto poco nota fuori dall’ambito accademico, la tecnologia CRNS è ampiamente validata dalla comunità scientifica, con le prime pubblicazioni risalenti a una quindicina di anni fa. 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 le definisce la migliore attualmente disponibile per praticare la smart agricolture resiliente al cambiamento climatico.

Finapp ha quindi utilizzato una tecnologia innovativa ma già solida e validata, apportando migliorie, coperte da brevetto, all’hardware in grado di leggere i neutroni cosmici. Il risultato è una sonda leggera di 4 kg, compatta, capace di fornire valori di umidità del suolo e SWE validati in tempo reale, poiché può misurare sia i neutroni veloci sia quelli lenti con un unico strumento. Inoltre la sonda è totalmente autonoma dal punto di vista energetico grazie alla scheda elettronica a basso consumo, alimentata da un pannello solare da 20 W e una batteria tampone da 7 Ah. Installata tipicamente 2 m sopra il suolo, non è in contatto col terreno; non richiede calibrazioni iniziali e manutenzione, non avendo parti consumabili o in movimento.

Misurare l’umidità del terreno

Il contenuto d’acqua del terreno è fondamentale per elaborare le strategie irrigue in campo agricolo, è anche un indicatore di rischio incendi e offre informazioni di pre allertamento frane, e di pre localizzazione perdite nella distribuzione idrica. L’umidità del terreno dipende strettamente dalla sua tessitura. Nella maggior parte dei casi, l’eterogeneità della tessitura è tale per cui il valore dell’umidità del suolo può variare anche a brevissima distanza. Per questo motivo è essenziale avere un dato di umidità mediato su un’area sufficientemente ampia da considerare l’intero spettro dell’eterogeneità del terreno.

Altre tecnologie disponibili

A oggi, le tecnologie disponibili per misurare l’umidità del suolo si orientavano verso approcci invasivi su scala puntuale, in molti casi sonde TDR (“Time Domain Reflectometry”) ad approcci di telerilevamento satellitare. Questa sonde possono ottenere misurazioni accurate ad alta risoluzione temporale. Tuttavia i dati che forniscono sono rappresentativi per un campione di terreno con un raggio di pochi centimetri. Servirebbero decine e decine di sonde puntuali per ottenere un dato veramente rappresentativo su scala più ampia, ma comporterebbe alcuni svantaggi: costi di acquisto e manutenzione elevati; impossibilità di operare in campo dove sono installate le sonde; necessità di cento sonde puntuali per coprire l’area coperta da una sonda a CRNS; difficoltà nell’individuare aree statisticamente significative per l’installazione. La tecnologia di telerilevamento satellitare non è invasiva, copre vaste aree, ma presenta altre limitazioni: non può penetrare nel terreno, se non per un paio di cm; la frequenza di aggiornamento è dell’ordine di una settimana; la misurazione dell’umidità del suolo è disponibile solo su un terreno privo di alcun tipo di vegetazione, in quanto questa è in grado di bloccare completamente le microonde provenienti dal satellite; il cielo nuvoloso o la presenza di serre impediscono la stima dell’umidità del suolo. La tecnologia CRNS unita all’hardware di Finapp fornisce dati di umidità del suolo nuovi, colmando il divario fra la misura puntuale e il satellite. Con una sola sonda vengono forniti dati su larga scala (ettari), dati in profondità (mediamente 50 cm) e dati in tempo reale e continui.

Il contenuto d’acqua nella neve

Il contenuto d’acqua intrappolato nella neve viene rilasciato nella stagione estiva, ed è determinante per la gestione dei bacini idrici e per la produzione idroelettrica. In modo simile a quanto detto per l’umidità del suolo, anche i valori di SWE (il contenuto d’acqua nella neve) cambiano significativamente anche a brevi distanze, a causa dell’eterogeneità del manto nevoso soggetto al trasporto eolico, alla pendenza e alla diversa esposizione dei pendii e altro ancora. Attualmente, il metodo più diffuso per la misura della SWE consiste nell’installazione di uno “snow pillow”, una “bilancia” posizionata sul terreno privo di neve che peserà il manto nevoso sopra di essa. Questo approccio ha varie limitazioni: la misura è rappresentativa di un’area molto piccola; l’installazione richiede un terreno pianeggiante, cosa non scontata in montagna; la misura è affetta da errori significativi dovuti a fenomeni di ponte del manto nevoso; l’interfaccia tra strumento e neve richiede spesso l’uso di antigelo, non consentito nelle aree protette; lo strumento è pesante e ingombrante. Anche in questo caso, con una sola sonda Finapp invece si ottengono: dati su larga scala (20 ettari circa); dati in profondità (limite di saturazione a 600 mm o oltre 2.000 mm equivalenti); dati in tempo reale e continui. Avendo sia una misura areale che locale, il metodo CRNS di Finapp può fornire una stima affidabile della SWE in qualsiasi condizione.