Improving stationary and mobile cosmic ray neutron soil moisture measurements

Abstract

Cosmic ray neutron sensors (CRNS) measure the epithermal neutron intensity (~0.5 eV – 100 keV) above the ground, which inversely depends on the amount of hydrogen in 130 to 240 m radius and soil depths of 15 to 83 cm. In terrestrial environments and in the absence of snow, most hydrogen is usually stored as soil water. Therefore, soil moisture content can be measured with CRNS, which is possible stationary and in mobile mode. However, soil moisture content measurements with CRNS are susceptible to a variety of errors. For this thesis the statistical measurement uncertainty, which depends on the number of neutrons counted, was inverstigated. To this end, a new approach was introduced for the propagation of the uncertainty from raw epithermal neutron counts in soil moisture content measurements with CRNS, based on a 3^rd order Taylor expansion approach. The new approach was validated using theoretic examples and experimental measurements with a focus on mobile CRNS measurements. Another key error is the influence of additional hydrogen in the environment, e.g., biomass. Earlier studies have shown that biomass can be measured by additionally considering thermal neutron intensity (= 0.5 eV) in the ratio of thermal-to-epithermal neutrons (<em>N_r</em>). For this thesis, the area of influence (i.e., the footprint) of thermal neutrons was investigated. It was found that thermal neutrons have a horizontal footprint between 43 and 48 m and that the vertical footprint ranges between 10 and 65 cm soil depth, both dependent on soil moisture content. In addition, analytical expressions were fitted to the distant- and depth-dependent thermal neutron intensities. Finally, four approaches for the correction of the error introduced by time-varying biomass on soil moisture content measurements with CRNS were compared based on three experiments with different crops. The best results were obtained when site-specific functions based on in-situ measured biomass or thermal neutron intensity were used for correction. Correction with <em>N_r</em> improved the soil moisture content measurement to a lesser extent. The use of a generic approach for correction did not generally improve the soil moisture content measurement. In addition, it was found that <em>N_r</em> is not generally suited for the meausurements of biomass. On the contrary, thermal neutron intensity allowed for the measurement of biomass for all three crops. Overall, it was concluded that for accurate stationary and mobile measurements of soil moisture content with CRNS, errors introduced by uncertain neutron counts and by hydrogen stored in biomass must be considered. In addition, it was shown that the local and plant specific calibration of the thermal neutron intensity allows for the measurement of biomass.

Sensoren zur Messung von kosmischen Neutronen (CRNS) messen die epithermische Neutronenintensität (~0,5 eV - 100 keV) über dem Boden, die umgekehrt von der Wasserstoffmenge in einem Radius von 130 bis 240 m und einer Bodentiefe von 15 bis 83 cm abhängt. In terrestrischen Umgebungen und ohne Schnee ist der meiste Wasserstoff normalerweise als Bodenwasser gespeichert. Daher kann der Bodenfeuchtegehalt mit CRNS gemessen werden, was sowohl stationär als auch mobil möglich ist. Allerdings sind Messungen des Bodenfeuchtegehalts mit CRNS anfällig für eine Vielzahl von Fehlern. In dieser Arbeit wurde die statistische Messunsicherheit, die von der Anzahl der gezählten Neutronen abhängt, untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein neuer Ansatz für die Fortpflanzung der Unsicherheit von rohen epithermischen Neutronenzählungen bei Bodenfeuchtemessungen mit CRNS eingeführt, der auf einem Taylor-Expansionsansatz dritter Ordnung basiert. Der neue Ansatz wurde anhand theoretischer Beispiele und experimenteller Messungen validiert, wobei der Schwerpunkt auf mobilen CRNS-Messungen lag. Ein weiterer wichtiger Fehler ist der Einfluss von zusätzlichem Wasserstoff in der Umgebung, z. B. Biomasse. Frühere Studien haben gezeigt, dass Biomasse gemessen werden kann, wenn zusätzlich die Intensität thermischer Neutronen (= 0,5 eV) im Verhältnis von thermischen zu epithermischen Neutronen (<em>N_r</em>) berücksichtigt wird. Für diese Arbeit wurde der Einflussbereich (d.h. der Footprint) thermischer Neutronen untersucht. Es wurde festgestellt, dass der horizontale Footprint thermischer Neutronen zwischen 43 und 48 m und der vertikale Footprint zwischen 10 und 65 cm Bodentiefe liegt, beides in Abhängigkeit vom Bodenfeuchtegehalt. Darüber hinaus wurde die von der Entfernung und Bodentiefe abhängige Intensität der thermischen Neutronen analytisch beschrieben Zuletzt wurden vier Ansätze zur Korrektur des Fehlers, der durch die zeitlich variierende Biomasse bei der Messung des Bodenfeuchtegehalts mit CRNS entsteht, anhand von drei Experimenten mit verschiedenen Kulturen verglichen. Die besten Ergebnisse wurden erzielt, wenn standortspezifische Funktionen auf der Grundlage der vor Ort gemessenen Biomasse oder die thermische Neutronenintensität für die Korrektur verwendet wurden. Die Korrektur mit <em>N_r</em> verbesserte die Messung des Bodenfeuchtegehalts in geringerem Maße. Ein generischer Korrekturansatz führte nicht generell zu besseren Bodenfeuchtegehaltsmessungen mit CRNS. Darüber hinaus wurde die Möglichkeit von Biomassemessungen mit <em>N_r</em> untersucht, was jedoch nur bei einer der Kulturpflanzen möglich war. Mit der thermischen Neutronenintensität hingegen konnte die Biomass aller drei Kulturpflanzen gemessen werden. Zusammenfassend kann geschlussfolgert werden, dass für genaue stationäre und mobile Messungen des Bodenfeuchtegehalts mit CRNS Fehler aufgrund unsicherer Neutronenzählraten und des in Biomasse gespeicherten Wasserstoff berücksichtigt werden müssen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die lokal und pflanzenspezifisch kalibrierte Intensität thermischer Neutronen die Messung von Biomasse ermöglicht.