Перспективы цифрового двойника почвы: инновационный вклад ученых
Фото: naked-science.ru
Команда исследователей из Центра вычислительной физики МФТИ, Института физики Земли РАН, Университета короля Абдаллы, МГУ, Лейбниц-центра ZALF, Института почвоведения имени В.В. Докучаева и CSIRO разработала цифровую платформу, кардинально меняющую методы анализа и прогнозирования состояния почвы. Новый подход способствует формированию прогрессивных решений для предотвращения наводнений и засух, а также позволяет учитывать влияние климатических изменений на водный баланс территорий.
Современные разработки основываются на создании так называемого цифрового двойника почвы — виртуальной модели, позволяющей детально исследовать внутренние структуры, прогнозировать водный режим и поведение почвы в разных природных сценариях. Именно этот инструмент способствует точному управлению сельскохозяйственными и экологическими процессами, снижению рисков эрозии грунта и деградации земельных ресурсов.
Прорыв в изучении: от лабораторных методов к моделированию
Традиционные методы исследования почвы требуют отбора проб и лабораторного анализа, что зачастую сопровождается разрушением структуры образцов и значительными временными затратами. Кроме того, классические методики не позволяют всесторонне оценить движение воды, в том числе боковые потоки, и не дают комплексных данных по фильтрационным свойствам среды.
Под руководством Кирилла Герке коллектив исследователей предложил совершить качественный скачок: использовать технологии рентгеновской микротомографии для получения трехмерных изображений поровой структуры почвы и последующего компьютерного моделирования движения воды. Такой подход дает возможность анализировать параметры гидравлической проводимости в виртуальном пространстве, не разрушая природных образцов. Это открывает путь к созданию «дизайнерских» почв с заданными характеристиками под нужды конкретных сельскохозяйственных культур и условий окружающей среды.
Новые горизонты: моделирование и эксперимент «рука об руку»
В ходе работы было исследовано три образца почвы Суздальского ополья. Испытания осуществлялись с помощью компьютерной рентгеновской микротомографии и трех различных методов гидравлического моделирования. Результаты виртуальных расчетов оказались сопоставимы с данными лабораторных исследований — подтверждая тем самым высокую достоверность и потенциал цифрового подхода.
При этом было отмечено, что значения гидравлической проводимости, рассчитанные на основе цифровых моделей, в 2-10 раз превышали результаты полевых испытаний. Авторы объясняют это специфическими свойствами томографических изображений и трудностями воссоздания одинаковых условий для вычислительного эксперимента и реального поля. Тем не менее, моделирование впервые позволило выявить анизотропию — направленную разницу в фильтрационных характеристиках почвы, что крайне сложно обнаружить стандартными методами.
Впереди — динамическое моделирование и интеграция процессов
Кирилл Герке отмечает, что в настоящее время используются преимущественно статические данные, получаемые при одном уровне влажности почвы. Между тем при изменении влажности меняется и структура, по которой перемещается вода. Для повышения прогностической силы цифрового двойника ученые ставят задачу объединить статические и динамические модели, чтобы отразить реальные процессы движения и фильтрации воды, а также эволюцию структуры почвенных пор с течением времени. Такая интеграция позволит впервые глубоко и достоверно описывать природные процессы непосредственно в условиях, максимально приближенных к действительности.
Преимущества и возможности цифрового двойника
Использование цифрового двойника почвы открывает фундаментально новые горизонты для науки и практики:
Точное прогнозирование возникновения наводнений и засух.
Определение оптимальных зон для сельского хозяйства на обширных территориях.
Разработка специализированных почв с нужными водными свойствами.
Быстрое моделирование сценариев замещения климата и последствий переувлажнения или высыхания.
Профилактика эрозии и рациональное землепользование.
Также важным выводом исследования стал факт, что без использования цифровых методов крайне сложно обнаружить такие особенности, как анизотропия фильтрации и влияние микроструктуры на крупномасштабные водные потоки.
Глобальный вклад и научное сотрудничество
Проведение данной работы стало возможным благодаря участию ведущих специалистов и совместным усилиям ученых из разных стран. Среди соавторов — Кирилл Герке, а также эксперты МФТИ, Института физики Земли РАН, Университета короля Абдаллы (Саудовская Аравия), Лейбниц-центра ZALF (Германия), Института почвоведения имени Докучаева и CSIRO (Австралия). Такой международный консорциум позволил вывести исследования на качественно новый уровень и обеспечить обмен лучшими мировыми практиками.
Результаты проекта легли в основу новых исследований по цифровым моделям природных объектов и заблаговременному прогнозированию экстремальных погодных событий и сценариев управления водными ресурсами. Перспективы внедрения этих технологий в аграрный и экологический менеджмент обещают повысить эффективность и устойчивость ведения хозяйства даже в условиях меняющегося климата.
Современные цифровые двойники почв открывают широкие возможности для науки, экономики и практики. Их развитие и совершенствование напрямую связано с успехами и энтузиазмом исследовательских коллективов из МФТИ, МГУ, ZALF, Института почвоведения имени Докучаева и других центров, уверенно ведущих мир к устойчивому будущему.
