Científicos han construido un modelo digital único para el análisis de suelo

Resultado de la combinación de dos escalas para obtener información detallada sobre la estructura del suelo. Imagen bidimensional que mide 6x6 cm y con una resolución de 15 micras. 
Kiril Guerke

Científicos rusos del Instituto de las Dinámicas de la Geosfera, Instituto de Física de la Tierra y el Instituto de Suelos de la Academia Rusa de Ciencias, y sus colegas de la Asociación Gubernamental Australiana de Investigaciones Científicas y Aplicadas propusieron un nuevo método de análisis estructural (complejo) del suelo: los científicos integraron imágenes de diferentes escalas en un solo modelo digital. El desarrollo y la implementación del nuevo método resolverá problemas tan importantes como el monitoreo de la degradación del suelo, el aumento de la fertilidad y el modelado del régimen hídrico. La investigación está respaldada por una subvención de la Fundación de Ciencia Rusa. Los resultados del trabajo fueron presentados en la revista Geoderma.

Al investigar la estructura de cualquier material, surge una contradicción entre el volumen y la resolución de la muestra bajo estudio: cuanto más grande es el objeto que los científicos quieren investigar, menor es el detalle con el que trabajan. Los científicos entendieron cómo incluir muchas imágenes diferentes, obtenidas a diferentes escalas por diferentes métodos, en un único modelo digital. Los investigadores tomaron imágenes bidimensionales de suelos rusos y, por primera vez, aplicaron en ellos el método de reconstrucción estocástica multiescala.

"Imagina que estás mirando una llave inglesa por un microscopio. Usted verá la rugosidad en su superficie, pero nunca entenderá qué cosa es. Este es el problema de la representatividad. Nosotros, idealmente, queremos ver tanto la llave como la rugosidad. Un problema similar surge ante los pedólogos", explicó el coautor del artículo Kiril Guerke.

Por ello, para analizar la estructura y las propiedades físicas de los materiales, es necesario unir la información obtenida a diferentes escalas en un solo modelo digital. Esto también es necesario para modelar propiedades físicas y procesos básicos que se producen simultáneamente a diferentes escalas.

Un problema de la pedología

Obtener un modelo digital multiescala de la estructura es un problema especialmente agudo en la pedología. Por su estructura el suelo es uno de los medios porosos naturales más complejos. Comprender la estructura de este tipo de objetos es vital, sino es imposible avanzar en el desarrollo agrícola y en las soluciones de los grandes retos de nuestro tiempo: la degradación del suelo y la necesidad de alimentar a una creciente población mundial. Precisamente es la estructura la que determina qué tan bien el suelo puede retener la humedad, qué microorganismos viven allí, cómo se procesan las sustancias orgánicas y minerales. Todos estos procesos determinan la fertilidad del suelo.

Existen muchos métodos para estudiar la estructura del suelo. El principal hoy en día es la tomografía de rayos X y la microscopía electrónica. Pero todos tienen un problema básico: cuanto más grande es la muestra, menor es la resolución. Los científicos entendieron cómo incluir muchas imágenes diferentes, obtenidas a diferentes escalas por diferentes métodos, en un único modelo digital. La clave de esto fue el método de reconstrucción estocástica multiescala.

Qué es la reconstrucción estocástica

Para la reconstrucción estocástica se emplea un aparato físico-matemático complejo para crear el modelo digital preciso de la estructura del objeto con datos de entrada incompletos, es decir, cuando sabemos solo una fracción de la información necesaria. Por ejemplo, es posible reconstruir una estructura de suelo tridimensional con una imagen bidimensional. Los autores han demostrado las ventajas y desventajas de este método aplicado a la tierra. También han trazado una serie de mejoras necesarias en el futuro para la transición a la tecnología propuesta como herramienta básica de los pedólogos. El aparato físico-matemático para las reconstrucciones estocásticas, desarrollado por Marina Karsanina y Kiril Guerke en los últimos años, con el apoyo de la Fundación Rusa de Ciencias, permite trabajar con cualquier estructura jerárquica compleja: nano y biomateriales, yacimientos de petróleo y gas, estructura de baterías, catalizadores, y muchos otros objetos importantes en la actividad humana.

Una representación general de la estructura del suelo es necesaria durante el estudio de las funciones básicas del suelo: hidrológica, función de soporte mecánico de las plantas, suministro de espacio de vida y refugio para los organismos del suelo, y en general, la función de fertilidad. Los modelos digitales agregados de la estructura del suelo de metro a nanómetro son básicos para predecir y gestionar estas funciones. Frente a un clima cambiante y las presiones antropogénicas cada vez mayores en el suelo, el desarrollo de nuevos métodos para monitorear la estructura del suelo es extremadamente urgente. Los métodos digitales multiescala abren nuevas oportunidades en esta área. Se sabe que la transformación natural y antropogénica del suelo puede afectar varios niveles de su organización estructural.

El análisis multiescala puede identificar los eslabones más débiles en la estructura jerárquica del suelo, monitorear su reacción a estímulos externos, pronosticar la capacidad de la estructura del suelo a la regeneración. La representación digital de la organización del suelo también es importante para las medidas de recuperación. De este modo, es posible controlar el comportamiento de las formaciones de sal durante el riego de los suelos, el control de los cambios en la estructura del suelo en las áreas recultivadas.

"Hemos construido un puente de los métodos físico-matemáticos a la ciencia del suelo y hemos resuelto un problema específico para los pedólogos", resume Kiril Guerke.

María Cervantes

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