Высокоточное многомерное оценивание солнечной радиации для научной охраны объектов архитектурного наследия

Почему солнечный свет важен для древнего камня

Древние храмы, высеченные в скале, и барельефы на утесах могут казаться вне времени, но тот же самый солнечный свет, который позволяет нам их видеть, постепенно разрушает их. В этом исследовании показано, как свет и тепло солнца падают очень неравномерно по большим участкам наследия на склонах, создавая скрытые «горячие точки» механического напряжения внутри камня. Карта этих невидимых паттернов с высоким разрешением позволяет авторам точно определить, какие части ценных памятников находятся в наибольшем риске, чтобы ограниченные ресурсы консервации можно было направить туда, где они действительно нужны.

Видеть утес как сложный ландшафт

Исследователи сосредоточились на крупных гротах‑храмах, где тысячи резных изображений высечены в крутых скальных стенах. Эти объекты круглый год подвергаются действию солнца, ветра и влажности, но их поверхности отнюдь не плоские: есть пещеры, выступы, колонны и нависы, а также соседние холмы и деревья, отбрасывающие меняющиеся тени. Ранние работы либо подробно изучали крошечные участки, либо охватывали целые регионы с грубой геометрией. Эта работа сочетает оба подхода, рассматривая утес как сложный 3D‑ландшафт и выясняя, как солнечный свет фактически падает на каждую его часть в течение года.

Построение цифрового двойника света и камня

Для этого команда создала детализированный цифровой двойник Лунмэньских гротов в Китае. Они устанавливали камеры на дронах, чтобы снять весь утес с многих ракурсов, затем использовали компьютерное зрение для построения трёхмерной модели с учётом деталей размером всего в несколько сантиметров. Местные метеостанции фиксировали солнечное излучение, температуру, влажность и ветер покадрово. Затем был сформирован «виртуальный небосвод», воспроизводящий траекторию и силу как прямого солнечного света, так и рассеянного неба на разных временных масштабах: годовые суммарные значения, ежемесячные средние и даже отдельные часы вокруг солнцестояний и равноденствий. Сочетая этот небосвод с 3D‑моделью утёса, они могли смоделировать, как горы, форма пещер и растительность блокируют или перенаправляют солнечный свет.

Неравномерный свет, меняющиеся сезоны

Моделирование показывает, что прямой солнечный свет — главный фактор вариации по поверхности утёса. Юго‑ и западно‑ориентированные участки получают значительно больше суммарного света, чем другие направления, но даже в пределах одного сектора некоторые поверхности впитывают в несколько раз больше энергии, чем соседние затенённые ниши. На месячных и почасовых масштабах картина становится ещё более сложной. Зимой, когда солнце ниже, определённые западные участки получают интенсивное обеденное освещение, тогда как летом большие зоны подолгу находятся под высоким излучением. Деревья могут резко снизить уровень света в одних секторах, создавая прохладные «островки» рядом с яркими, жаркими пятнами всего в нескольких метрах друг от друга.

От солнечного света к внутренним напряжениям

Солнечный свет нагревает камень не равномерно — он создаёт крутые температурные градиенты между выступающими элементами и затенёнными полостями. Команда перевела свои высокоточные карты излучения в оценки термических напряжений внутри породы, сочетая их с известными физическими характеристиками материалов. Было обнаружено, что кромки и выступающие поверхности могут испытывать напряжения в 400–500 килопаскалей в летние дни после полудня, тогда как соседние затемнённые участки испытывают примерно в пять раз меньше. Эти резкие контрасты могут возникать на очень коротких расстояниях и в узком временном окне, особенно между 13:00 и 15:00 в самые яркие дни, что способствует зарождению и росту мелких трещин при каждом суточном цикле нагрева и остывания.

Помощь в разумной защите хрупких сокровищ

Объединяя точную геометрию, реальные метеоданные и физически обоснованные модели, эта методика превращает солнечный свет в измеримый фактор риска для каменного наследия. Консерваторы теперь могут видеть не просто какие стороны утёса подвержены солнцу, а точно какие ниши, кромки и статуи испытывают наибольшее долгосрочное термическое напряжение. Эти сведения могут направлять целенаправленные меры — такие как локальное затенение, выборочная усилительная консервация или улучшенные защитные покрытия — вместо опоры на общие эмпирические правила. Тот же подход можно распространить на городские улицы и фасады зданий, помогая обществам управлять как культурными памятниками, так и современными строениями в мире, который становится теплее и ярче.

Цитирование: Ni, P., Zhang, D., Bi, W. et al. High-resolution, multidimensional solar radiation evaluation for the scientific protection of built heritage sites. Commun Eng 5, 55 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00606-7

Ключевые слова: сохранение культурного наследия, солнечная радиация, выветривание камня, 3D моделирование окружающей среды, термическое напряжение