Циклы промерзания-оттаивания значительно влияют на динамику структуры порового пространства почвы как напрямую, так и через косвенные процессы. Предыдущие исследования демонстрировали различные наблюдения и интерпретации в отношении качественных и количественных изменений структуры почвы, вызванных этими циклами. В этой работе были проведены эксперименты по промерзанию-оттаиванию с тремя различными образцами искусственной почвы. Образцы были томографированы в исходном состоянии, а также после 1, 5, 10 и 20 циклов замораживания-оттаивания. Для обработки полученных данных мы применили два новых, но принципиально важных метода: 1) специально разработанную технику регистрации изображений, которая позволяет точно сопоставить одни и те же 3D области интереса в различных сканах; 2) набор дескрипторов структуры почвы с высоким информационным содержанием, включающих как морфологическую, так и топологическую информацию – корреляционные функции, и параметры поросетевой модели: число Эйлера и связность. Регистрация изображений в структуре почвы позволили выполнить наиболее корректную сегментацию изображений на твёрдую фазу и поры с выделением зерен.
В отличие от большинства предыдущих исследований, в нашем случае мы не наблюдали устойчивого и почти монотонного изменения структурных метрик. Вместо этого была зафиксирована своего рода хаотичная динамика структурных показателей между циклами промерзания и оттаивания. С помощью векторных дескрипторов нам удалось показать, что экспериментальные точки могут быть размещены на гипотетической кривой колебательных изменений в структуре почвы, что позволило выдвинуть гипотезу о том, что искусственные почвы, а возможно и природные почвы после определенного количества циклов, подвержены периодической динамике структуры. Почвы испытывают наибольшее структурно-разрушающее воздействие в результате циклов замораживания/оттаивания сразу после первого цикла, тогда как в последующих циклах наблюдается как процесс дезагрегации, так и агрегации — оба процесса отчётливо прослеживаются на томографических изображениях. В работе обсуждается необходимость дальнейших исследований для подтверждения или опровержения данной гипотезы, а также приводятся объяснения, почему структура в таких экспериментах должна описываться с помощью нового класса векторных метрик с высоким информационным содержанием, включающего в себя большинство классических структурных характеристик почвы.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 23-74-00061 «Исследование структуры почв и распределения химических элементов на наномасштабе с помощью технологии FIB-SEM: от наноструктуры к почвенным функциям».