Совместные усилия специалистов МФТИ и Почвенного института имени Докучаева РАН позволили представить принципиально новый научный инструмент — уникальную физико-математическую методику анализа почвенной структуры. Этот подход предоставляет возможность создавать сверхточные цифровые карты изменений почвы при различных режимах увлажнения и высыхания, что особенно важно для повышения урожайности, планирования поливов, а также при возведении зданий, транспортных артерий и инженерных коммуникаций. Благодаря новым разработкам стало возможным вычислять потенциальные риски для стройобъектов с максимальной точностью.
Почва: сложная живая система
Почва — это удивительно сложная и живая экосистема, состоящая из беспредельно разветвленной сети микроскопических пор. Именно поровая структура определяет способность почвы аккумулировать влагу, пропускать воздух, сберегать полезные элементы и обеспечивать плодородие растений. Под воздействием окружающей среды поры непрерывно видоизменяются — при намокании они раскрываются, после высыхания сужаются, могут формироваться новые микротрещины. Малейшие сдвиги в структуре затрагивают эффективность использования земельных ресурсов.
Задача: перейти от общих оценок к точным измерениям
Долгое время изучение состояния почвы базировалось на простых показателях плотности и пористости. Однако этого было недостаточно для полноценного анализа происходящих изменений внутри многослойной системы. Требовался новый подход, способный в деталях фиксировать динамические процессы на микроскопическом уровне.
Трехмерное моделирование открывает скрытые закономерности
Учёные Центра вычислительной физики МФТИ предложили революционный способ анализа: с помощью современных трёхмерных изображений и комплексных математических алгоритмов исследователи теперь в состоянии поэтапно отслеживать даже самые малозаметные перемены структуры почвы на протяжении многочисленных циклов увлажнения и сушки. Для полноты картины отснятые в разные моменты времени изображения одного и того же образца объединяют, совмещая их с помощью специальных программ.
Каждый снимок анализируется сразу тремя математическими методиками. Первым этапом служит расчет корреляционных функций — эта процедура позволяет выявить основные закономерности сочетания пор и твердых частиц, а также их пространственное распределение. Второй шаг — построение поросетевых моделей, определяющих, насколько эффективно вода и минеральные вещества передвигаются между различными участками. Третий этап — использование техники цифрового моделирования, которая помогает оценить изменения формы и связности пор на протяжении времени.
Уникальная информативная карта изменений
Результаты математического анализа образуют гигантский массив числовых данных. Разработчики приводят этот массив к единой системе координат и определяют промежутки между состояниями почвы на разных стадиях цикла. Получаемая в итоге цифровая карта чётко отображает малейшие перемены: становится возможным не только увидеть, где произошли изменения, но и оценить их масштаб с высокой точностью.
Применяя предложенный метод, учёные исследовали более 150 трёхмерных снимков проб чернозёма, полученных из почв, имеющих разное происхождение и характеристики. Эксперименты сопровождались рентгеновской микротомографией, что позволило наблюдать процессы от естественной влажности до полного насыщения водой и последующего полного высыхания. Удалось впервые численно оценить обратимость и необратимость структурных изменений: теперь учёные могут объективно измерить, насколько почва после цикла сохраняет свои свойства или теряет их.
Ценность метода для аграрной, строительной и экологической сфер
Преимущества нового подхода очевидны во множестве областей. В аграрном секторе появляется возможность идеально выбирать режимы орошения, чтобы почва дольше оставалась плодородной и устойчива к негативным воздействиям. В строительстве представители отрасли теперь располагают инструментом для точного расчёта устойчивости грунтов, выявления скрытых рисков и снижения вероятности деформаций при сооружении дорог, домов и инженерных коммуникаций. Для экологической сферы открываются перспективы быстрого и недорогого мониторинга состояния почв, что позволит предупреждать эрозию и своевременно принимать меры по охране окружающей среды.
Будущее технологии
Коллектив планирует дальнейшее развитие своей разработки — методика будет адаптироваться под разные типы почв, а также разрабатываться масштабирование от микроструктурных особенностей до анализа целых почвенных горизонтов. В будущем результатом работы станут практические рекомендации для фермеров, специалистов в строительстве и экологов, а также появятся современные стандарты оценки качества и прочности земель. Это закладывает основы для устойчивого землепользования и долгосрочного эффективного развития многих отраслей.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ
Источник фото: ru.123rf.com
Источник: scientificrussia.ru
