Geometria fazy stałej i przestrzeni porów w rolniczych ośrodkach granularnych na przykładzie gleby mineralnej

rozkład wielkości ziaren, symulacja upakowania, mikrostruktura ziarna, modelowanie porów, rozkład wielkości porów, stereologia, retencja wilgoci

Materiały ziarniste stanowią surowiec bądź produkt finalny wielu gałęzi działalności gospodarczej. Do tej klasy ośrodków należy zaliczyć: materiały budowlane (piasek, cement, żwir) i ceramiczne (proszki, gliny i glinki), znaczną część produktów pochodzenia rolniczego (ziarna zbóż i produkty pochodne: mąka, kasza, a oprócz tego cukier itp.), jak również produkty przemysłu chemicznego (niektóre nawozy sztuczne, siarka, sól). Można do nich również zaliczyć odpady będące niepożądanym wynikiem przemysłowych procesów technologicznych: popioły, miał węglowy czy odpady poflotacyjne powstające przy produkcji np. siarki. Roczna produkcja wyżej wymienionych materiałów, w skali kraju, liczona jest w dziesiątkach milionów ton. Najważniejszym jednak, z gospodarczego i ekologicznego punktu widzenia, ośrodkiem wykazującym strukturę ziarnistą jest gleba. Szczególna jej właściwość, w porównaniu do wyżej wymienionych ośrodków polega przede wszystkim na tym, że stanowi ona układ ożywiony, a więc zmienny w czasie. Poza tym gleba jest ośrodkiem heterogenicznym i wielofazowym, ma swoją budowę morfologiczną będącą wynikiem procesów glebotwórczych. Skład granulometryczny jest podstawową charakterystyką każdego ośrodka ziarnistego, a więc i gleby również. Najważniejszą cechą tego rozkładu jest niezmienność. Zmiany uziarnienia, zachodzące w wyniku procesów glebotwórczych, są bardzo powolne i na ogół niezauważalne w okresie porównywalnym z długością ludzkiego życia. Poza nim i składem chemicznym fazy stałej, pozostałe właściwości zmieniają się zależnie od porowatości, wilgotności, koncentracji i składu soli mineralnych w roztworze glebowym, temperatury, zawartości materii organicznej, warunków tlenowych lub też dowolnej kombinacji tych czynników. W praktyce rolniczej i gleboznawstwie od bardzo dawna używane są takie pojęcia jak „gleba lekka", „gleba średnia", „gleba ciężka" czy „gleba ciepła". Już w 1681 roku pierwszy prawdopodobnie gleboznawca polski Wojciech Tylkowski (1629-1695) w traktacie De re Agraria Insignis tractatus oeconomis... sformułował 14 punktów „wiedzy o glebie" z których dziesiąty głosił: „Ciężka ziemia czarna, od spodu gliniasta, jest dobra i ciepła, lecz podatna na chwasty, powinna być później zasiewana". W potocznym rozumieniu np. termin „gleba ciężka" jest skrótową, przybliżoną, opartą na doświadczeniu, charakterystyką gleby. Charakterystyką nieprecyzyjną, ale wszechstronną. Termin ten odnosi się do gleby trudnej do uprawy, tzn. wymagającej maszyn o dużej mocy, o słabej przepuszczalności wodnej, dużej porowatości i pojemności wodnej, lecz o znacznej ilości wody niedostępnej dla roślin, o dużej pojemności sorbcyjnej, niekiedy oglejonej, a więc o słabej aeracji. Jednocześnie termin ten związany jest zawsze z glebą o dużej zawartości części ilastych. Analogicznie termin „gleba lekka" kojarzony jest z glebą o odwrotnych właściwościach, w której dominuje frakcja piasku. Można więc przyjąć, że od wielu wieków dostrzegano istnienie związku między właściwościami fizycznymi, fizykochemicznymi, mechanicznymi gleb mineralnych, a ich składem granulometrycznym. Rozwój metod obliczeniowych stworzył nowe możliwości również w zakresie badań sypkich ośrodków ziarnistych. Wydaje się że, przy pomocy komputerowej symulacji można badać nawet tak skomplikowane układy jak ośrodki glebowe.