Как излучение терагерцевого диапазона выявляет поврежденные злаки?

Группа исследователей из Университета Аделаиды (Австралия) проверила на практике недавно выдвинутую гипотезу о том, что здоровые и подмороженные ткани растений по разному реагируют на сверхвысокочастотное излучение. Для этого был использован терагерцевый излучатель и уникальная система визуализации получаемого сигнала. И результаты исследования показали, что терагерцевый метод вполне эффективен.

В качестве подопытной культуры, на которой проверялась работоспособность новой технологии, был выбран ячмень. Его посевы были обследованы учеными и инженерами из сельскохозяйственной отрасли на предмет повреждений от мороза. Важная особенность предложенной методики в том, что она предполагает использование неразрушающих методов, – в ее основе лежит технология визуализации, основанная на терагерцевых волнах.

Как отметил профессор Джейсон Эйбл, возглавляющий проект, ежегодный ущерб от заморозков, наносимый австралийскому сельскому хозяйству, оценивается примерно в 360 млн долларов прямых и косвенных потерь.

«Чтобы свести к минимуму потенциальные экономические потери, очень важно, чтобы решения фермеров о том, обрезать ли урожай на сено или продолжать сбор урожая зерна, принимались как можно быстрее после заморозков. Однако если проводить анализ отдельных зерен, то на это потребуется много времени и ресурсов. Кроме того, такие методы исследования, как правило, связаны с разрушением исследуемого образца. Мы же предлагаем более быстрый, простой, доступный и, что особо важно, бережный метод исследования».

Такие популярные злаковые культуры, как ячмень и пшеница, по-разному реагируют на негативные воздействия отрицательных температур. Характер и выраженность реакции в значительной степени зависит от от таких факторов, как сила заморозка, генетические особенности конкретных растений и используемые методы защиты и управления посадками. Как показывает практика, разница температуры воздуха в 1 градус может повысить восприимчивость пшеницы к морозом с 10% до 90%.

При поддержке Научно-исследовательского института Уэйта, входящего в состав Университета Аделаиды, и государственной исследовательской корпорации  Grains Research and Development Corporation команда Джейсона Эйбла смогла получить наглядные практические подтверждения того, что система визуализации, основанная на терагерцевом излучении, может быть использована для сканирования ячменных и пшеничных колосьев на предмет выявления повреждений от мороза.

Терагерцевая визуализация как профилактический инструмент

Волны терагерцового диапазона имеют длину, лежащую между микроволновым и инфракрасным излучением. Они способны безболезненно для растения проникать через его внешнюю оболочку и выявлять структурные изменения в зернах. Сравнивая полученные результаты с эталонными образцами, можно в практически автоматическом режиме выявлять подмороженные колосья.

«Те из них, которые подверглись воздействию заморозков, могут не проявлять симптомов подморожения в течение длительного времени», – говорит профессор Эйбл. – «Предлагаемая же нами система дает возможность выявлять такие повреждения задолго до того, как их можно будет обнаружить визуально». Это потенциально может облегчить управление посадками, повысить точность планирования будущего урожая и в целом повышать эффективность деятельности фермеров.

Команда исследователей, которую возглавляет профессор Эйбл, установила, что изображения, сформированные терагерцевыми волнами, способны показывать различия между зернами, пострадавшими от морозов и не попавшими под воздействие отрицательных температур. Причем работоспособность технологии была проверена в ходе целой серии тестов. Кроме того, она потенциально может использоваться для диагностики количества и положения зерен в колосе.

«Теоретически эта технология может быть конвертирована в практический инструмент для полевого использования, который мог бы применяться фермерами и агрономами для более эффективного управления урожаем зерновых и минимизации потерь из-за заморозков», – говорит профессор Эйбл. – «Более того, уже в нынешнем виде эта технология может быть использована селекционерами для более быстрого, точного и подкрепленного объективными данными принятия решений об перспективах использования тех или иных посадок. В результате это дает возможность более рационально использовать каждый гектар».