Почва представляет собой сложную систему, пронизанную сетью микроскопических пор. Именно от них зависит, как грунт удерживает воду, насыщается воздухом, сохраняет минералы и поддерживает плодородие. Однако структура почвы постоянно меняется: после дождя или полива поры могут расширяться, сжиматься и образовывать новые трещины.
До сих пор ученые чаще всего ориентировались на общую плотность и пористость почвы. Но такой подход показывал лишь общую картину и не позволял увидеть тонкие изменения.
Исследователи Центра вычислительной физики МФТИ предложили более детальный подход. Сначала ученые совмещают трехмерные снимки одного и того же образца, полученные в разные моменты — при естественной влажности, после насыщения водой и после высыхания. Затем изображения одновременно обрабатываются несколькими математическими методами. Результаты исследования опубликованы в журнале Soil and Tillage Research.
Корреляционные функции показывают общую статистику почвы: как поры и плотные частицы чередуются и на каком расстоянии находятся. Поросетевые модели показывают, как разные участки почвы сообщаются друг с другом и насколько свободно могут перемещаться внутри почвы вода и питательные вещества. И, наконец, персистентная гомология описывает изменения формы и связности пор в цифровом виде.
После обработки система создает цифровую карту, показывающую, насколько сильно изменилась структура почвы за весь цикл увлажнения и высыхания. Для проверки метода исследователи проанализировали 150 трехмерных изображений пятнадцати образцов чернозема разных типов. Их изучали с помощью рентгеновской микротомографии — технологии, позволяющей буквально заглянуть внутрь почвы.
Впервые ученые смогли количественно оценить так называемое гистерезисное поведение структуры почвы — насколько сильно ее состояние меняется после полного цикла намокания и высыхания. Оказалось, что необратимые изменения напрямую зависят от содержания органического углерода и соотношения глины и песка.
Разработка может найти применение сразу в нескольких сферах. В сельском хозяйстве она позволит подбирать режимы полива без потери плодородия. В строительстве — заранее оценивать риски деформации грунта при возведении домов, дорог и трубопроводов. Экологи же смогут использовать технологию для ранней диагностики деградации земель. Следующим этапом станет адаптация метода для различных типов почв и создание практических рекомендаций для аграриев, строителей и экологов.
Ранее физики НИУ ВШЭ объяснили природу спиральных рукавов вихрей.
