В расположенном в подмосковной Дубне Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) ученые разрабатывают мобильное устройство для определения содержания углерода в почве. Прототип прибора на основе метода меченых нейтронов был представлен на экспозиции, приуроченной к открытию первого на Северном Кавказе карбонового полигона Way Carbon.
Карбоновые полигоны Минобрнауки России — это специальные площадки, создаваемые в различных регионах и климатических зонах страны для отработки технологий контроля баланса климатически активных газов и управления секвестрационным потенциалом (способности к поглощению углеродных соединений) различных экосистем. Подробнее о карбоновых полигонах, их назначении и исследованиях, которые ученые планируют вести с их помощью, мы писали здесь.
Одним из важнейших резервуаров углерода является почва. Накопление углерода в почве — это жизненно важная функция, возникающая в результате взаимодействия экологических процессов. Почвенное органическое вещество состоит из почвенных микробов, бактерий и грибов и разлагающегося материала из когда-то живых организмов, таких как растительные и животные ткани, и представляет собой ключевой компонент почвы, влияющий на ее физические, химические и биологические свойства.
Истощение запасов почвенного органического вещества способно приводить к крупномасштабным воздействиям на целые экосистемы и даже на всю планету. Например, уничтожение тропических лесов, в которых находилось значительное количество углерода, хранящегося в наземных экосистемах, вносит значительный вклад в рост уровня содержания углекислого газа в атмосфере, что в свою очередь ведет к изменению глобального климата.
Метод меченых нейтронов (ММН) — на сегодняшний день единственная технология неинвазивного (без нарушения слоя почвы, извлечения образца и транспортировки его в лабораторию) объемного полевого контроля содержания углерода в почве.
Принцип метода базируется на особенностях процессов, происходящих в компактном «нейтронном генераторе». В нем происходит реакция слияния дейтерия с тритием с образованием α-частицы и нейтрона. Нейтрон и α-частица имеют строго определенную кинетическую энергию и разлетаются в диаметрально противоположные стороны. Регистрируя направление и момент вылета α-частицы, можно определить направление и момент вылета нейтрона (α-частица является «меткой» нейтрона). Подробнее с методом и возможностями его применения можно познакомиться в публикации доктора физико-математических наук Михаила Сапожникова.
ММН дает возможность получать информацию об элементном составе большого объема вещества, при этом определяя распределение элементов как по площади исследуемого образца, так и по глубине. Масса типичной пробы для анализа ММН составляет несколько кг. В отличие от рентгеновских методов, которые дают сведения об элементном составе нескольких миллиметров поверхности пробы, ММН предоставляет данные о концентрации элементов, усредненной по всему объему пробы толщиной в несколько десятков сантиметров.
Ожидается, что на этом принципе будет создан прибор, допускающий мобильную/полевую реализацию. Анализ содержания углерода в слоях почвы, над которыми устанавливается или движется сравнительно небольшой (перевозимый легковым автоприцепом или гольф-каром) прибор, будет происходить непосредственно в полевых условиях, без доставки проб в лабораторию.
Однако именно с неинвазивностью и с получением информации о содержании углерода сразу в значительном объеме почвы на определенной глубине связана и основная трудность. Метод совершенно непохож на используемые сегодня, и необходима проработка методических основ и сценариев его применения, а также подходов к интерпретации результатов.
Эти задачи, а также вопросы приборной реализации ММН участники коллаборации TANGRA из ОИЯИ (лабораторий нейтронной физики, ядерных проблем, физики высоких энергий и радиационной биологии) и ряда партнерских научных центров и будут решать в тесном взаимодействии со специалистами карбоновых полигонов.