Механика растрескивания почвы

Угловой момент

В жаркий день всегда приятно сидя на берегу озера налить стакан пива или прохладной газировки. Пузырьки струйками поднимаются со дна стакана, по грунтовой тропинке пробежала ящерица, вода пустынна и неподвижна словно парковка у магазина воскресным утром. Все кажется простым и понятным.

Но если присмотреться, пузырьки в стакане ведут себя странно. Если наливать осторожно и не шевелить стакан, можно заметить как они возникают на дне из одних и тех же точек, а после, не меняя траектории, поднимаются к поверхности словно серебристые спицы. Почва тоже растрескалась особым образом: на первый взгляд хаотично, но мозг продолжает выискивать в паутине трещин закономерность. А что в толще воды происходит — вообще скрыто от взора.

Тут более практичные читатели наверняка заскучают. «Это всего лишь конвекция и ячейки Бенара, известные с начала прошлого века, подтвержденные опытами Мэла и Шмидта-Сондерса в конце тридцатых годов и подробно исследованные физиком Шишкиным в сорок седьмом».

Детерминированный хаос действительно стал привычным в нашей жизни. Растрескивание почвы — явление хоть и важное, но настолько очевидное, что отечественные почвоведы им почти не занимаются. Впрочем, хаос их тоже слабо интересует. Чаще всего описывают контракционный механизм возникновения трещин. Высыхая, почва уменьшается в объеме, образуя случайную, но более-менее равномерную сеть пустот. Какое отношение к этому имеют ячейки Бенара до сих пор толком не ясно. Тем более сложен вопрос о роли в образовании трещин переноса газов.

Конечно же, значение контракции умалять нельзя. Но даже допустив возможность конвективного процесса мы непременно откроем важный вопрос теоретического и практического почвоведения. В течении какого периода на нетронутых почвах сеть трещин сохраняет неизменную структуру? Была ли на этом месте трещина в прошлом и позапрошлом году? А десять лет назад? А век?

Можно даже поставить простой опыт, сравнив угол падения трещин на склоне с наклоном поверхности. Звучит примитивно, но при должной выборке материала на пять докторских диссертаций наберется.

Почвоведы работают с разрезами и прикопками. Но что если не рыть очередную могилу, а подобно археологам снимать кисточкой слой за слоем? Не могу вспомнить ни одной монографии, учебника или статьи где был бы сказан очевидный факт: то, что называется горизонтальной структурой почвы на самом деле является интерпретацией вертикальной почвенной структуры на плоскость поверхности.

Вот так годами копаешь, описываешь и думаешь, что ничего нового уже не встретишь. А потом за секунду понимаешь: полтора десятка лет ты запускал в ручейке кораблик, не замечая океана в который впадает этот ручеек. Надо было-то всего: пива на озере выпить и на ситуацию под другим углом посмотреть.

Агрегаты почвы

Что может быть скучнее выкопанной земли? Про такие вещи даже сказать нечего. Разве кто упомянет размер кучи, да редкий знаток указав на темный цвет произнесет слово «чернозем». Если встряхнуть почву на лопате, она распадется на отдельные куски. Одни называют их агрегатами, другие отдельностями, третьи структурными элементами.

Отечественные почвоведы выделяют двадцать одну форму таких кусков, объединяя их в три типа: комковатый, столбчатый и пластинчатый. Какой именно у вас под ногами — зависит от условий формирования и развития почвы. Если быть точнее — от химического состава материнской породы, температуры, осадков, флоры, фауны и других факторов. За дюжину тысяч лет (от Валдайского оледенения) они сформировали почву как уникальное образование: ее нельзя получить просто смешав исходные компоненты.

Почва — это не содержимое мешков, которые продают цветочные отделы в супермаркетах. И даже не место под картошку на даче. Это океан со своими акулами, планктоном и водомерками. На глубине постоянно происходят сложные малопонятные процессы. Взять те же почвенные агрегаты: в основе их формирования лежит теория ДЛФО о коагуляции как результате межмолекулярного и электростатического взаимодействия.

Полтора века назад голландец Ван-дер-Ваальс догадался о существовании электростатической (без образования ковалентных пар) связи между молекулами. В тридцатых его мысль развил Фриц Лондон, описав один из трех типов Ван-дер-Ваальсовых сил — дисперсионное приятжение. В коллоидной системе (среднее между раствором и взвесью) всегда существует броуновское движение. Когда частицы в таком движении слишком близко приближаются друг к другу, между ними возникает сила притяжения Ван-дер-Ваальса-Лондона и электростатическая сила отталкивания. Если электростатическая сила больше — частицы оттолкнутся друг от друга. Если больше сила притяжения Ван-дер-Ваальса-Лондона — частицы слипнутся. Это и есть ДЛФО — теория Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека. В зависимости от баланса электростатических и Ван-дер-Ваальсовских сил образуется тот или иной вид почвенных агрегатов.

Согласно модели Планта-Фенга-МакГилла, агрегаты распадаются примерно за месяц. Достоверность модели сомнительна, но лежат они действительно долго, сохраняя форму даже после высыхания почвы. Распадаются строго по степенному закону, который К.Ю. Хан с соавторами принимают за экспоненциальный (строго говоря это верно, но лишь в частном случае). Каждый может в этом убедиться разложив агрегаты в порядке уменьшения размера.

Здесь напрашивается разговор о размерности Хаусдорфа-Безиковича. Или о моделях Бингама-Шведова, Барджеса, Пойтинга-Томпсона. Или о теории перколяции. Но стоит ли так долго обсуждать кучу выкопанной земли?