Непосредственно перед ливнем Коди Росс может сбежать на участок сельскохозяйственных исследований в рамках своей дипломной работы. Ему нужно добавить немного красителя в инъекционный колодец. Смысл? Чтобы оценить путь, по которому вода следует с поля во время и после ливня.
Росс, участник Программы исследования систем водосбора в Университете Манитобы, измеряет поток воды в части почвы, называемой вадозной зоной. Хотя название может напомнить вам страшные эпизоды «Сумеречной зоны», зона аэрации - это просто насыщенный уровень почвы прямо под поверхностью. Глубина может быть от нескольких сантиметров до метра. А в зоне аэрации в почве происходят важные процессы.
Вадозная зона сложна. В нем частицы песка огромны по сравнению с частицами глины, что влияет на течение воды. Вот почему на пляже можно увидеть, как вода быстро просачивается сквозь песок. Здоровые почвы также содержат большое количество органического вещества от разлагающихся растений или насекомых. Наконец, существуют крошечные поры, заполненные воздухом или запасенной водой. Корни растений прорастают в почву, собирая воду и питательные вещества. Там внизу живут микроскопические микробы, а также более крупные животные, такие как дождевые черви и нематоды.
Работа Росса важна, потому что то, как вода движется поверх, сквозь и вокруг всех этих частиц почвы, органического вещества, пор, микробов и корней, имеет значение. Это то, что производители хотели бы знать, особенно в местах, где осадки выпадают нечасто. Район юго-восточных канадских прерий, где проводит исследования Росс, имеет сезонно засушливую среду.
«Изучение движения воды помогает нам лучше понять наличие воды во времена дефицита (засухи) и изобилия (наводнения)», - говорит Росс. «Это также помогает нам понять, как наши действия влияют на наличие и качество водных ресурсов». Это, в свою очередь, может повлиять на политические решения.
Предыдущая работа по перемещению воды в зоне аэрации проводилась в холмистой местности в США или в западных канадских прериях. Точно так же, как вы не можете ожидать, что один эпизод Сумеречной зоны будет таким же, как другой, вы не можете ожидать, что почва в одном регионе будет вести себя так же, как и в другом. Даже на одном и том же поле фермы могут быть различия в зависимости от количества органического вещества, состава почвенных частиц и других особенностей. Почвы юго-восточных канадских прерий по сравнению с западными содержат больше органического вещества. Это увеличение органического вещества помогает почве удерживать влагу летом и осенью. Это влияет на дренажный потенциал. Органические вещества также влияют на то, как долго земля остается замороженной зимой и весной.
Существенны и различия в рельефе местности. Представьте, что вы катаетесь на санках по склону холма в Вермонте… а теперь представьте, что вы пытаетесь покататься на санях по равнинным участкам юго-восточных канадских прерий. Гравитация тут не сильно поможет. То же самое верно и для воды.
На движение воды в почве также влияют ее химические свойства. Глинистые частицы почвы на самом деле имеют отрицательный заряд. Это означает, что почвы с более высоким содержанием глины могут удерживать воду лучше, чем песчаные почвы. Органические вещества также могут поглощать и выделять воду.
Росс использовал математические формулы других исследователей и разработал некоторые свои собственные, чтобы предсказать движение воды во время ливней и во время таяния снега. Краситель, который он вводил в колодцы, помог ему определить, была ли вода, которую он собрал из водоемов, «новой» после дождя или «старой» из предыдущего хранилища.
«Исследования, посвященные возрасту воды, имеют важное значение для многих приложений», - говорит Росс. «Мы хотим знать, поступает ли вода в ручей прямо с поля или идет по альтернативному пути. Изменяет ли этот альтернативный маршрут качество воды? Замедляет ли он доставку в канал?» Все эти вопросы могут привести к полезным инструментам прогнозирования.
«Как и в большинстве дисциплин, использование математики имеет огромную пользу», - говорит Росс. «Мы использовали математические выражения, чтобы помочь нам понять, как вода движется в почве. Возможность использовать математические модели таким образом очень эффективна. Часто это дешевле, чем физические наблюдения, особенно в обстоятельствах, когда исследования сосредоточены на больших или недоступных регионах."
Исследование Росса показало, что, в отличие от других районов, здесь было значительное количество старой воды, перетекавшей в ручьи. «Предыдущее исследование, проведенное в прериях, показало, что новая вода является более доминирующей», - говорит Росс. «В нашем исследовании этого не было».
Хотя вы не можете контролировать, будет ли у вас засуха или наводнение, изучение движения воды в почве очень важно. «Лучшее понимание того, как вода перемещается по ландшафту, дает возможность принимать решения по управлению водными ресурсами», - говорит Росс. «Понимание относительного вклада старых и новых источников воды может повлиять на управленческие решения, связанные с наводнениями и качеством воды».
Будущие исследования, основанные на работе Росса, могут быть сосредоточены на других местах, чтобы увидеть, насколько распространены находки Росса. «Исследования, посвященные тому, как землепользование и изменение климата влияют на движение воды в почве в юго-восточной части канадских прерий, были бы полезны», - добавляет Росс.