Странные путешествия: Необычный путь явлений переноса в трещиноватых материалах
Транспортные явления в сильно гетерогенных средах могут радикально отличаться от таковых в однородных средах, что представляет большой фундаментальный и практический интерес. Аномальный транспорт наблюдается в физике полупроводников, плазмы, астрофизике, биологии и других областях. Он играет особенно важную роль в гидрогеологии, поскольку может определять скорость миграции и степень дисперсии загрязняющих веществ в подземных водах с опасных объектов.
Специальный раздел "Неклассический транспорт" ноябрьского выпуска 2008 года журнала Vadose Zone Journal включает серию из четырех статей, посвященных транспортным явлениям в гетерогенных средах в контексте геологического захоронения радиоактивных отходов. Гостевые редакторы Леонид Большов и Петр Кондратенко (Институт проблем безопасного развития атомной энергетики РАН) и Карстен Прусс (Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли) собрали статьи, представляющие результаты совместных исследований, выполненных в ИБРАЭ РАН и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли в Калифорнии. Работа поддержана Министерством энергетики США (USDOE).
Исследуемые проблемы охватывают широкий диапазон пространственных и временных масштабов и решались с использованием современных методов теоретической и вычислительной физики, таких как скейлинговый анализ и диаграммные техники, ранее применявшиеся в теории критических явлений. Особое внимание уделено концентрационным "хвостам". Этот вопрос исключительно важен для оценки надежности захоронения радиоактивных отходов, поскольку в зависимости от структуры "хвостов" концентрации на больших расстояниях от источника могут различаться на многие порядки величины.
Первая статья раздела представляет обзор полевых и лабораторных наблюдений, демонстрирующих неклассическое поведение потока и переноса в геологических средах, с акцентом на фрактальную геометрию естественных сетей трещин и наличие ловушек для загрязнителей. Вторая статья посвящена анализу диффузии в гетерогенных средах с резко контрастными свойствами; авторы показывают, что с течением времени могут реализовываться три различных режима переноса. В третьей статье показано, что режим переноса растворенного вещества определяется конкуренцией двух механизмов: случайной адвекции через сеть трещин и улавливания, вызванного резко контрастными свойствами среды. В четвертой статье авторы разрабатывают модель аномальной диффузии для моделирования переноса растворенного вещества в сильно гетерогенных средах, и новая модель демонстрирует разумное соответствие экспериментальным данным по такому переносу.