Новая технология МФТИ поможет оценивать риски обрушений зданий и дорог из-за состояния почвы

Учёные Московского физико-технического института вместе с коллегами из Почвенного института имени Докучаева РАН разработали физико-математический метод анализа структуры почвы.

Он позволяет создавать детальные цифровые карты изменений, которые происходят в грунте при циклах увлажнения и высыхания, сообщает Наука Mail

Почва — это сложная система, пронизанная сетью микроскопических пор. Именно от них зависит, как грунт удерживает воду, насыщается воздухом, сохраняет минералы и поддерживает плодородие. Но структура почвы постоянно меняется: после дождя или полива поры могут расширяться, сжиматься и образовывать трещины. Раньше учёные ориентировались в основном на общую плотность и пористость, что давало лишь общую картину и не позволяло увидеть тонкие изменения.

Исследователи Центра вычислительной физики МФТИ предложили более детальный подход. Сначала они совмещают трёхмерные снимки одного и того же образца, полученные в разные моменты — при естественной влажности, после насыщения водой и после высыхания. Затем изображения обрабатываются несколькими математическими методами одновременно. Результаты опубликованы в журнале Soil and Tillage Research.

Как пояснил старший научный сотрудник Центра Кирилл Герке, корреляционные функции показывают общую статистику почвы, поросетевые модели демонстрируют, как разные участки сообщаются друг с другом и насколько свободно могут перемещаться вода и питательные вещества, а персистентная гомология описывает изменения формы и связности пор в цифровом виде.

Для проверки метода исследователи проанализировали 150 трёхмерных изображений пятнадцати образцов чернозёма, полученных с помощью рентгеновской микротомографии. Впервые учёные смогли количественно оценить гистерезисное поведение структуры почвы — насколько сильно её 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 в нескольких сферах. В сельском хозяйстве она поможет подбирать режимы полива без потери плодородия. В строительстве — заранее оценивать риски деформации грунта при возведении домов, дорог и трубопроводов, что напрямую связано с безопасностью и долговечностью сооружений. Экологи смогут использовать технологию для ранней диагностики деградации земель. Следующий этап — адаптация метода для разных типов почв и создание практических рекомендаций для аграриев, строителей и экологов.