Cosmic-ray neutron sensing and its applications to soil and land surface hydrology

Neutronen aus kosmischer Strahlung und deren Anwendung für Boden- und Landoberflächen-Hydrologie

  • Water scarcity, adaption on climate change, and risk assessment of droughts and floods are critical topics for science and society these days. Monitoring and modeling of the hydrological cycle are a prerequisite to understand and predict the consequences for weather and agriculture. As soil water storage plays a key role for partitioning of water fluxes between the atmosphere, biosphere, and lithosphere, measurement techniques are required to estimate soil moisture states from small to large scales. The method of cosmic-ray neutron sensing (CRNS) promises to close the gap between point-scale and remote-sensing observations, as its footprint was reported to be 30 ha. However, the methodology is rather young and requires highly interdisciplinary research to understand and interpret the response of neutrons to soil moisture. In this work, the signal of nine detectors has been systematically compared, and correction approaches have been revised to account for meteorological and geomagnetic variations. Neutron transport simulations haveWater scarcity, adaption on climate change, and risk assessment of droughts and floods are critical topics for science and society these days. Monitoring and modeling of the hydrological cycle are a prerequisite to understand and predict the consequences for weather and agriculture. As soil water storage plays a key role for partitioning of water fluxes between the atmosphere, biosphere, and lithosphere, measurement techniques are required to estimate soil moisture states from small to large scales. The method of cosmic-ray neutron sensing (CRNS) promises to close the gap between point-scale and remote-sensing observations, as its footprint was reported to be 30 ha. However, the methodology is rather young and requires highly interdisciplinary research to understand and interpret the response of neutrons to soil moisture. In this work, the signal of nine detectors has been systematically compared, and correction approaches have been revised to account for meteorological and geomagnetic variations. Neutron transport simulations have been consulted to precisely characterize the sensitive footprint area, which turned out to be 6--18 ha, highly local, and temporally dynamic. These results have been experimentally confirmed by the significant influence of water bodies and dry roads. Furthermore, mobile measurements on agricultural fields and across different land use types were able to accurately capture the various soil moisture states. It has been further demonstrated that the corresponding spatial and temporal neutron data can be beneficial for mesoscale hydrological modeling. Finally, first tests with a gyrocopter have proven the concept of airborne neutron sensing, where increased footprints are able to overcome local effects. This dissertation not only bridges the gap between scales of soil moisture measurements. It also establishes a close connection between the two worlds of observers and modelers, and further aims to combine the disciplines of particle physics, geophysics, and soil hydrology to thoroughly explore the potential and limits of the CRNS method.show moreshow less
  • Wasserknappheit, Anpassung an Klimaveränderungen, und Gefahrenabschätzungen von Dürren und Fluten sind heutzutage dringende Themen für Forschung und Gesellschaft. Vorallem um die Auswirkungen auf Wetter und Landwirtschaft zu verstehen und vorherzusagen, ist es wichtig, den Wasserkreislauf der Erde zu beobachten und zu simulieren. In diesem System spielt Bodenfeuchte eine Schlüsselrolle, welche den Wasseraustausch zwischen Boden, Luft, und Pflanzen bestimmt. Daher sind ausgeklügelte Messtechnologien erforderlich, welche Bodenfeuchte von kleinen Ackerschlägen bis hin zu großen Gebieten erfassen können. Die neuartige Methode, Neutronen aus kosmischer Strahlung zu messen (CRNS), ist eine vielversprechende Technologie um die Lücke zwischen Punktmessungen und Fernerkundungen zu schließen, da der Einflussbereich des Sensors bei ca. 30 ha liegen soll. Allerdings ist intensive interdisziplinäre Forschung nötig, um die Beziehung zwischen Neutronen und Bodefeuchte zu verstehen. In dieser Arbeit wurden erstmals verschiedeneWasserknappheit, Anpassung an Klimaveränderungen, und Gefahrenabschätzungen von Dürren und Fluten sind heutzutage dringende Themen für Forschung und Gesellschaft. Vorallem um die Auswirkungen auf Wetter und Landwirtschaft zu verstehen und vorherzusagen, ist es wichtig, den Wasserkreislauf der Erde zu beobachten und zu simulieren. In diesem System spielt Bodenfeuchte eine Schlüsselrolle, welche den Wasseraustausch zwischen Boden, Luft, und Pflanzen bestimmt. Daher sind ausgeklügelte Messtechnologien erforderlich, welche Bodenfeuchte von kleinen Ackerschlägen bis hin zu großen Gebieten erfassen können. Die neuartige Methode, Neutronen aus kosmischer Strahlung zu messen (CRNS), ist eine vielversprechende Technologie um die Lücke zwischen Punktmessungen und Fernerkundungen zu schließen, da der Einflussbereich des Sensors bei ca. 30 ha liegen soll. Allerdings ist intensive interdisziplinäre Forschung nötig, um die Beziehung zwischen Neutronen und Bodefeuchte zu verstehen. In dieser Arbeit wurden erstmals verschiedene Sensoren systematisch miteinander verglichen, und die bisherigen Korrekturen für meteorologische und geomagnetische Einflüsse näher untersucht. Darüber hinaus wurden Simulationen der Neutronenphysik herangezogen, um den Einflussbereich des Sensors genauestens zu charakterisieren. Demnach ist der Sensor je nach Umgebungsfeuchte hauptsächlich in der Fläche von ca. 6--18 ha, sowie besonders im Nahbereich, sensitiv. Diese Resultate konnten durch Experimente nahe Gewässern und Straßen bestätigt werden. Dennoch ist die Methode nachwievor sehr gut in der Lage, die Bodenfeuchte in Ackerflächen, Grasland und auch Wäldern zu erfassen. Zudem wurde gezeigt, dass sich die räumlichen und zeitlichen Neutronen-Daten gut für die hydrologische Modellierung eignen. Abschließend wurde eine neue Möglichkeit untersucht, um Neutronen aus der Luft mit einem Traghubschrauber in noch größeren Gebieten zu messen. Diese Dissertation untersucht die CRNS-Methode auf verschiedenen Skalen, und verknüpft dabei Beobachtung mit Modellierung. Außerdem verbindet diese Arbeit die verschiedenen Disziplinen der Teilchenphysik, Geophysik, und Bodenhydrologie, um das Potential und die Grenzen der Methode ganzheitlich zu beurteilen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Martin SchrönORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-395433
ISBN:978-3-8439-3139-7
Subtitle (English):on neutron physics, method development, and soil moisture estimation across scales
Publisher:Verlag Dr. Hut GmbH
Place of publication:München
Advisor:Sascha E. Oswald
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of first Publication:2017
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2017/02/22
Release Date:2017/05/11
Tag:Bodenfeuchte; Hydrologie; Neutronen; Wasser-Monitoring; kosmische Strahlung
cosmic rays; hydrology; neutrons; soil moisture; water monitoring
Pagenumber:223
RVK - Regensburg Classification:UT 2850, UT 6150, ZC 13510
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
PACS Classification:80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY / 89.00.00 Other areas of applied and interdisciplinary physics / 89.20.-a Interdisciplinary applications of physics
90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 92.00.00 Hydrospheric and atmospheric geophysics / 92.90.+x Other topics in hydrospheric and atmospheric geophysics (restricted to new topics in section 92)
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