Цифровая карта трещин: новая технология оценит риски для домов и дорог

Ученые Московского физико-технического института совместно с коллегами из Почвенного института имени Докучаева РАН разработали новый метод анализа структуры почвы, который позволяет создавать детальные цифровые карты изменений грунта при циклах увлажнения и высыхания. Технология, как сообщает пресс-служба МФТИ в эксклюзивном материале Наука Mail, поможет строителям заранее оценивать риски деформации оснований зданий, дорог и трубопроводов.

Что скрывают микроскопические поры

Почва — это сложная система, пронизанная сетью мельчайших пор. Именно от них зависит, как грунт удерживает воду, насыщается воздухом, сохраняет минералы и поддерживает плодородие. Однако структура почвы не статична: после дождя или полива поры могут расширяться, сжиматься и образовывать новые трещины. Раньше ученые ориентировались в основном на общую плотность и пористость, но такой подход показывал лишь общую картину и не позволял увидеть тонкие изменения.

Как работает новая технология

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. Старший научный сотрудник Центра Кирилл Герке пояснил, что корреляционные функции показывают общую статистику почвы (как поры и плотные частицы чередуются), поросетевые модели демонстрируют, как разные участки сообщаются друг с другом, а персистентная гомология описывает изменения формы и связности пор в цифровом виде. Результаты исследования опубликованы в журнале Soil and Tillage Research.

Что удалось измерить впервые

После обработки система создает цифровую карту, показывающую, насколько сильно изменилась структура почвы за полный цикл увлажнения и высыхания. Для проверки метода исследователи проанализировали 150 трехмерных изображений пятнадцати образцов чернозема разных типов, полученных 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 сушки. Оказалось, что необратимые изменения напрямую зависят от содержания органического углерода и соотношения глины и песка.

Где пригодится разработка

Новая технология 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 метод для ранней диагностики деградации земель. Следующим этапом, по данным пресс-службы МФТИ, станет адаптация разработки для различных типов почв и создание практических рекомендаций для аграриев, строителей и экологов.

Ранее ученые установили, что испарительные камеры не спасают от перегрева процессоров.