Topsy-turvy strømme er nøglen til at fjerne nitrat fra vandløb, undersøgelse finder

For mere end 500 år siden, Leonardo da Vinci skitserede, hvad han kaldte "la turbolenza, " at sammenligne kaotiske hvirvler oven på strømmende vand med krøllet menneskehår. Det viser sig, at disse mønstre påvirker utallige fænomener, fra træk på et flys vinger og dannelsen af ​​Jupiters røde plet til raslen af ​​træblade.

Nye resultater vil blive offentliggjort fredag ​​i tidsskriftet Videnskab tilføje en anden til listen:udryddelse af en gennemtrængende gødningsforurening fra vandløb.

"Vi kan nu beregne en turbulens 'hastighedsgrænse' for nitratfjernelse i enhver strøm, " sagde hovedforfatter Stanley Grant, professor i civil- og miljøteknik ved University of California, Irvine. "Det betyder, at vi kan give specifik vejledning om, hvordan man skræddersyer restaureringsindsatsen for at maksimere dets fjernelse og beskytte økosystemer nedstrøms."

Forskere har længe vidst, at nitratholdig gødning løber væk fra gårde og bygader til vandmasser, nogle gange skaber gigantiske "døde zoner" hundreder af miles nedstrøms. Den fremherskende opfattelse har været, at sultne alger og bakterier i bundsedimentet styrer, hvor hurtigt nitrat kan fjernes.

Men et internationalt hold af forskere mente, at fysik også kunne spille en rolle. Kølende vand fungerer som en slags rulletrappe, hvirvlende molekyler af det forurenende stof ned til vandløb i et mønster, der er en lodret version af Leonardos længe siden skitser.

Forskerne ønskede at vide, hvordan denne handling påvirker elimineringen af ​​forureningen. De beregnede den maksimale hastighed - eller hastighedsgrænse - ved hvilken turbulens flytter nitrat til sedimentet og sammenlignede det med tidligere offentliggjorte målinger af nitratfjernelse i 72 vandløb over hele USA.

"Svaret afhænger af, hvor forurenet vandløbet er, " sagde medforfatter Perran Cook, en lektor i kemi ved Monash University i Australien. "I uberørte vandløb, hastigheden, hvormed turbulens transporterer nitratet, styrer, hvor hurtigt det fjernes. I forurenede vandløb, den fremherskende opfattelse er korrekt:Processer i sedimentet vinder dagen." I en ren strøm, nitratet fjernes, når algerne og bakterierne i sedimentet opsuger det, eller, endnu bedre, omdanne det til en harmløs gasforbindelse.

"Det er en gigantisk gave. Vandløb fjerner meget af det nitrat, vi kaster efter dem, så der har været stor interesse for at forstå, hvordan denne proces fungerer, og hvordan den kan gøres mere effektiv, " sagde medforfatter Fulvio Boano, en lektor i hydraulik ved Italiens Politecnico di Torino.

Men processen kan blive overvældet, når for meget af forureningen pumpes ud i en vandvej, tillader nitrat at strømme til kystnære farvande. Når først der, det kan stimulere algevækst, opbruge ilt, og føre til dannelsen af ​​gigantiske golde områder nedstrøms, ligesom området på størrelse med Connecticut ud for Mississippi River Delta i den Mexicanske Golf.

Undersøgelsesresultaterne har vigtige konsekvenser for håndtering af nitratforurening nær kilden, før det flyder til følsomme økosystemer.

"De samme beregninger kan inkluderes i strømnetværksmodeller, hvilket ville give forskere mulighed for bedre at kvantificere virkningerne af nitratforurening på lokale, kontinentale og endda globale skalaer, " sagde medforfatter Morvarid Azizian, en postdoc i civil- og miljøteknik ved UCI.

"Det er et billede, der ville gøre selv Leonardo stolt, " tilføjede Grant.