Проникновение в поверхность почвы с помощью радара
Георадар (GPR) — это не технология из научно-фантастического фильма, а инструмент почвоведов для быстрого и удобного измерения влажности грунта. Как и большинство технологий, он совершенствуется, и испытываются новые способы его применения. Джонатан Алджио, аспирант Университета Рутгерса, в своих исследованиях работает над улучшением георадара для различных целей, включая измерение влажности почвы.
«Это очень распространенный инструмент в исследованиях, сельском хозяйстве, инженерии и военном деле для обнаружения погребенных объектов и измерения содержания воды, — объясняет Алджио. — Одно из его главных преимуществ — высокая скорость. Например, есть инструмент с колесом, который позволяет радару проводить измерения во время движения по полю. Таким образом можно очень быстро собрать данные на большом поле или вдоль линии протяженностью в мили». Технология может использоваться для поиска подземных туннелей, коренных пород или трещин в металлических опорах моста. Для почвоведения вопросы варьируются: сколько воды у поверхности? Как она распределяется по полю? Содержание воды в приповерхностном слое влияет на климат, поэтому эти данные важны и для компьютерных климатических моделей.
Возможность измерять влажность почвы в поле позволяет фермерам оптимизировать использование воды, особенно в засушливых регионах с ее дефицитом. Исследование мелкого приповерхностного слоя помогает проверить эффективность ирригационных систем. «Георадар использует две антенны. Одна излучает сигнал, а другая принимает его, — говорит Алджио. — Этот сигнал похож на микроволновый или сотовый. Он распространяется во всех направлениях, но большая часть энергии направляется в землю. При встрече с погребенным объектом или изменением материала сигнал отражается на поверхность и улавливается приемной антенной». Ученый добавляет, что при большем содержании воды в почве волны движутся медленнее, а при меньшем — быстрее. На основе данных, собранных антеннами, можно оценить влажность грунта.
Уравнения и методы, которые исследователи используют для оценки содержания воды, бывают разными. Недавняя работа Алджио была посвящена тестированию наиболее эффективных из них. Уравнения анализируют ранний сигнал — первые радарные волны, которые возвращаются к приемной антенне после прохождения только верхнего слоя почвы. Сила этого сигнала меняется в зависимости от влажности поверхностного слоя. Его можно измерить даже в глинистых почвах, где радар обычно малоэффективен. Алджио и его команда сравнили два метода расчета значения для раннего сигнала, чтобы определить, какой из них лучше отслеживает изменения влажности почвы. Оба метода оказались успешными, что дает исследователям возможность быстро оценивать содержание воды на обширных полевых участках.
«Чтобы метод получил широкое распространение в промышленности, исследователи вроде нас должны доказать его эффективность вне всяких сомнений, — отмечает Алджио. — Мы пытаемся выяснить все детали: где, как и когда анализ раннего сигнала наиболее полезен. Это означает, что у пользователей георадара появится еще один инструмент для быстрого измерения содержания воды в подповерхностном слое». «Георадар — мой любимый геофизический инструмент, потому что с его помощью мы можем получить такую разнообразную информацию из недр, — добавляет он. — Если есть вопрос о подповерхностном слое, скорее всего, он сможет дать вам представление о том, что там происходит».