Seasonal dynamics of topsoil water content in the Nucice experimental catchment (Czech Republic) studied with the CRNS (Cosmic Rays Neutron Sensing) technique

CRNS (Cosmic Rays Neutron Sensing) is a technology able to define soil moisture, mapping its presence at an intermediate scale, in the order of tens of hectares. This is due to its response to neutrons related to incident cosmic rays interacting with hydrogen, present in the water chemical composition. The CRNS station efficacy to map the soil moisture comes from a proper footprint definition and samples weighting process. The footprint radius ranged between 100 and 150 meters and the acquisition depths between 25 and 50 centimeters, with an exponential decrease with the distance. Decrease of the soil samples relative weight relates to increasing distance from CRNS. The experimental site was set in Nucice (Czech Republic) with the presence of a CRNS probe and probes in the soil. The aim of the thesis was to calibrate the CRNS performing three soil sampling acquisitions between February 2023 and June 2023. The station calibration is needed to rely on its soil moisture-neutron detection relation description. The neutron counts per hour detected by the CRNS, together with soil moisture considerations, were useful to define the Nucice field theoretical dry counting rate N0. Laboratory analyses were performed by drying the soil samples to define the soil moisture presence or by investigating their organic carbon content. First person soil samples acquisitions were performed also to download environmental average conditions data that change the soil moisture predictions, taken into consideration by defining some correction factors. After its calibration, CRNS turned out to be reliable in defining soil moisture patterns by plotting graphs throughout the seasons. This reliability can be a key to have better water use management in the agricultural field.

La tecnologia CRNS (Cosmic Rays Neutron Sensing) è una tecnologia in grado di definire la presenza di umidità nel suolo, mappandone la presenza a una scala intermedia, nell'ordine delle decine di ettari. Questa capacità è collegata alla sua risposta ai neutroni legati ai raggi cosmici incidenti che interagiscono con l'idrogeno, presente nella composizione chimica dell'acqua. L'efficacia della stazione CRNS nel mappare l'umidità del suolo deriva dalla definizione dell'impronta di influenza e dal processo di dare ai singoli campioni un loro peso relativo. Il raggio dell'impronta varia tra 100 e 150 metri e le profondità di acquisizione dei campioni tra 25 e 50 centimetri, che diminuisce esponenzialmente con la distanza. La diminuzione del peso relativo dei singoli campioni di suolo è legata all'aumento della loro distanza dal CRNS. Il sito sperimentale era situato a Nucice (Repubblica Ceca) con la presenza di una stazione CRNS e di sonde nel terreno. Lo scopo della tesi era quello di calibrare la CRNS eseguendo tre acquisizioni di campioni di suolo tra febbraio 2023 e giugno 2023. Calibrare la stazione CRNS era necessario per definire la relazione tra umidità del suolo e rilevamento di neutroni N. Il loro conteggio orario rilevato dal CRNS, insieme alle considerazioni sull'umidità del suolo, sono stati utili per definire il parametro N0 teorico relativo al campo di Nucice. Le analisi di laboratorio sono state eseguite sia per essiccare i campioni di terreno per definire la presenza di umidità nel suolo o per indagare il loro contenuto di carbonio organico. Sono state effettuate acquisizioni di campioni di suolo in prima persona anche per scaricare i dati relativi alle condizioni medie ambientali che modificano le previsioni di umidità del suolo, prese in considerazione attraverso la definizione di alcuni fattori di correzione. Dopo la calibrazione, il CRNS si è rivelato affidabile nel definire i modelli di umidità del suolo tracciando i grafici relativi durante le stagioni. Questa affidabilità può essere la chiave per una migliore gestione dell'uso dell'acqua in ambito agricolo.