Exploring lower atmosphere and topsoil with gamma-ray spectroscopy

La radioattività è un fenomeno naturale che può essere trovato ovunque e che può avere origine dalle parti remote dell’universo, dall’atmosfera, dalla Terra e persino dal nostro corpo. Consiste della stabilizzazione di un nucleo attraverso l’emissione di particelle ed energia. I fotoni gamma hanno un potere di penetrazione più alto rispetto alle altre radiazioni comuni, caratteristica che li rende ideale per effettuare rilevamento da remoto o di prossimità e investigare le sorgenti di radioattività cosmiche, atmosferiche e terrestri. Usando questa peculiarità della spettroscopia gamma durante il mio dottorato ho studiato i raggi cosmici e il 222Rn nella bassa atmosfera, il 214Pb nell’acqua piovana e il contenuto d’acqua nel suolo superiore. I risultati di questa ricerca sono contenuti in 6 pubblicazioni, 5 già pubblicate e 1 sottomessa a riviste scientifiche peer-reviewed. Ci sono molte motivazioni scientifiche per questa ricerca. Il monitoraggio del 222Rn ha applicazioni negli studi dell’inquinamento e del mixing diurno nella bassa atmosfera e l’attività del 214Pb indotta dalla pioggia rappresenta una fonte di background per detector in-situ di monitoraggio non-stop. Inoltre la misura in tempo reale non distruttiva del contenuto d’acqua nel suolo con la spettroscopia gamma può essere usata nel campo dell’agricoltura di precisione e può migliorare i programmi di irrigazione. Con lo scopo di studiare i raggi cosmici e il 222Rn atmosferico, ho analizzato 4 voli specifici sopra il mare (che scherma le radiazioni terrestri). La somma dei rate dei conteggi nell’intervallo [3-7] MeV ha permesso di calibrare il detector per la spettroscopia gamma airborne per la dose efficace dai raggi cosmici sulla popolazione umana. La concentrazione di 222Rn atmosferico è stata modellizzata con una distribuzione verticale a due strati. La concentrazione di 222Rn atmosferico è stata stimata essere (0.96 ± 0.07) Bq/m3 fino a un’altezza di (1318 ± 22) m. Un esperimento in-situ di spettroscopia gamma di prossimità durato 7 mesi è stato effettuato installando un detector NaI(Tl) di 1L e una stazione meteorologica in un campo agricolo. Questo esperimento ha permesso di acquisire continuamente e contemporaneamente l’attività gamma ambientale l’ammontare di pioggia caduta. Un aumento di attività gamma di 214Pb e 214Bi è stato osservato dal momento che questi emettitori gamma sono raccolti dagli aerosol atmosferici. Ho sviluppato un modello che descrive l’evoluzione temporale dell’attività gamma del 214Pb in corrispondenza degli episodi di pioggia. Questo modello dimostra la capacità della spettroscopia gamma di discriminare l’acqua piovana dalle irrigazioni e di stimare l’abbondanza di 214Pb nell’acqua piovana in funzione dell’intensità della pioggia. Il modello di attività gamma del 214Pb indotta dalla pioggia ricostruisce perfettamente il rate di conteggi nell’intervallo temporale dell’episodio di pioggia. C’è una proporzionalità inversa tra il contenuto d’acqua nel suolo e il segnale gamma del 40K che può essere sfruttata per stimare il contenuto d’acqua nel suolo superiore in un’area di circa 0.2 ettari in tempo reale per tutto il periodo di presa dati, a patto che una correzione non costante dovuta alla presenza di vegetazione in crescita sia tenuta in considerazione. I contenuti d’acqua stimati dalla spettroscopia gamma e dalle misure gravimetriche sono in accordo eccellente, compatibile al livello di 1σ.

Radioactivity is a natural phenomenon that can be found everywhere and that can origin from the far-away Universe, from the atmosphere, from Earth and even from our body. It consists in the stabilization of nucleus through the emission of particles and energy. Gammas photons have higher penetration power respect to the other common radiations, characteristics that makes them ideal to perform proximal and remote sensing and investigating cosmic, atmospheric and terrestrial sources of radioactivity. Using this peculiarity of gamma spectroscopy during my PhD I studied cosmic rays and 222Rn in lower atmosphere, the 214Pb in rainwater and the water content in topsoil. The results of this research are contained in 6 publications, 5 already published and 1 submitted to scientific peer-reviewed journals. There are several scientific motivations for this research. 222Rn monitoring has application in pollution studies and in the study of the diurnal mixing in lower atmosphere and 214Pb rain induced activity represents a source of background for in-situ non-stop monitoring detector. Moreover, the real-time and non-disruptive measurement of soil water content with gamma-ray spectroscopy can be exploited in the field of precision agriculture and improve the irrigation programs. With the purpose to study the cosmic rays and atmospheric 222Rn, I analyzed 4 specific flights over the sea (which shields the terrestrial radiation). An integration of the count rates in the [3-7] MeV range allowed to calibrate the airborne gamma-ray spectroscopy detector for the cosmic effective dose to the human population. The atmospheric 222Rn concentration is modelized with a two-layers vertical distribution. The 222Rn concentration in atmosphere has been estimated to (0.96 ± 0.07) Bq/m3 up to (1318 ± 22) m. A 7-months in-situ proximal gamma-ray spectroscopy experiment has been performed by installing a 1L NaI(Tl) detector and a meteorological station in an agricultural test field. This experiment permitted to acquire continuously and simultaneously environmental gamma activity and the rain amount time series. A rain-induced 214Pb and 214Bi gamma activity increase has been observed since these gamma emitters are collected by aerosol. I developed a model describing the temporal evolution of the 214Pb gamma activity in correspondence with rainfalls. Such a model demonstrates the capability of gamma-ray spectroscopy to discriminate irrigated from precipitated water and to estimate the 214Pb abundance in rainwater in function with rain intensity. The 214Pb gamma rain-induced activity model reconstruct perfectly the experimental count rate over the rain episode period. There is an inverse proportionality between soil moisture and the 40K gamma signal that could be exploited for assessing the water content in topsoil of an area of 0.2 ha in real-time for the whole data-taking period, provided that a non-constant correction due to the presence of growing vegetation is taken into account. The soil water contents from gamma and gravimetric measurements are in excellent agreement, compatible at 1σ level.