Undersøgelse finder, at klimaet bestemmer former for vandløb

Der er mere end 1 million vandløbsbassiner hugget ind i topografien i USA, hver opsamler regnvand for at fodre de floder, der skærer igennem dem. Nogle bassiner er så små som individuelle vandløb, mens andre spænder over næsten halvdelen af ​​kontinentet, omfattende, for eksempel, hele Mississippi -flodnetværket.

Flodbassiner varierer også i form, hvilken, som MIT -forskere nu rapporterer, er stærkt påvirket af det klima, de dannes i. Holdet fandt ud af, at i tørre områder af landet, vandløbsoplande får en lang og tynd kontur, uanset deres størrelse. I mere fugtige miljøer, vandløbsoplande varierer:Større bassiner, på hundredvis af kilometer, er lange og tynde, mens mindre bassiner, strækker sig over et par kilometer, er mærkbart korte og squat.

Forskellen, de fandt, bunder i den lokale tilgængelighed af grundvand. Generelt, flodbassiner er formet af nedbør, som tærer på jorden, når den dræner ned i en flod eller å. I fugtige omgivelser, en stor brøkdel af nedbøren siver ind i Jorden, at lave et vandbord, eller et lokalt reservoir med grundvand. Når grundvandet siver ud igen, det kan også skæres i et bassin, yderligere eroderer og forskyder dens form.

Forskerne fandt ud af, at mindre bassiner, der dannes i fugtigt klima, er stærkt formet af det lokale grundvand, som virker til at skære kortere ud, bredere bassiner. For langt større bassiner, der dækker et mere ekspansivt geografisk område, tilgængeligheden af ​​grundvand kan være mindre konsekvent, og spiller derfor en mindre rolle i et bassines form.

Resultaterne, offentliggjort i dag i Proceedings of the Royal Society A , kan hjælpe forskere med at identificere gamle klimaer, hvor bassiner oprindeligt dannedes, både på Jorden og videre.

"Dette er første gang, hvor flodenetværks form har været relateret til klima, "siger Daniel Rothman, professor i geofysik i MIT's Department of Earth, Atmosfærisk, og planetariske videnskaber, og meddirektør for MIT's Lorentz Center. "Arbejde som dette kan hjælpe forskere med at udlede den slags klima, der var til stede, da flodnetværk oprindeligt blev indskåret."

Rothmans medforfattere er første forfatter og tidligere kandidatstuderende Robert Yi, tidligere besøgende kandidatstuderende Álvaro Arredondo, kandidatstuderende Eric Stansifer, og tidligere postdoc Hansjörg Seybold fra ETH Zürich.

En klimaforbindelse

I tidligere værker, der blev offentliggjort i 2012, Rothman og hans kolleger identificerede en overraskende universel forbindelse mellem grundvand og måden, hvor floder splittes, eller gren. Teamet formulerede en matematisk model for at opdage, at, i områder, hvor erosion hovedsageligt skyldes nedsivning af grundvand, floder forgrener sig i en fælles vinkel på 72 grader. I opfølgende arbejde, de fandt ud af, at denne fælles forgreningsvinkel holdt i fugtige miljøer, men i tørretumblerområder, floder havde en tendens til at splitte i smallere vinkler på omkring 45 grader.

"Flodnetværk danner disse smukke forgrenede strukturer, og tidligere arbejde har hjulpet med at forklare de vinkler, hvor floder går sammen for at danne disse strukturer, "Yi siger." Men hver flod er også tæt forbundet med et bassin, hvilket er det areal, det dræner regnvand fra. Så vi mistænkte, at formerne for bains kunne indeholde nogle lignende geometriske kuriositeter. "

Holdet satte sig for at finde et lignende universelt mønster i form af vandløb. At gøre dette, de fik adgang til datasæt, der indeholder detaljerede kort over alle floder og bassiner i de sammenhængende USA - mere end 1 million i alt - sammen med datasæt, der indeholder to klimatiske parametre for hver region i landet:nedbørshastighed og potentiel fordampning, eller den hastighed, hvormed overfladevand ville fordampe, hvis det var til stede.

Datasættene indeholdt skøn over hvert vandløbsbassins område, som forskerne kombinerede med længden af ​​hvert bassins flod til at beregne et bassins bredde. De noterede derefter for hvert bassin, et billedformat - forholdet mellem bassinets længde og bredde, hvilket giver en idé om et bassines overordnede form. De beregnede også hvert bassines tørhedsindeks - forholdet mellem den regionale nedbørshastighed og potentiel fordampning - hvilket angiver, om bassinet opholder sig i et fugtigt eller tørt miljø.

Da de afbildede hvert bassines billedformat i forhold til det lokale tørhedsindeks, de fandt en interessant tendens:Bassiner i tørre klimaer, uanset størrelse, tog lang tid, tynde former, ligesom store bassiner i fugtige miljøer. Imidlertid, mindre bassiner i lignende fugtige regioner så betydeligt bredere og kortere ud.

"Vi fandt ud af, at tørre bassiner nogenlunde holdt deres form med størrelse, men fugtige bassiner blev smallere, da de blev større, "Siger Yi." Det forvirrede os i lang tid. "

Svar i jorden

Forskerne mistænkte, at dikotomien mellem tørre og fugtige former stammer fra deres tidligere observationer af forgrenede floder:I fugtigt klima, grundvand spiller en ekstra rolle for nedbør i at skabe bredere grene af en flod, sammenlignet med i tørre klimaer. De begrundede, at grundvand kan spille en lignende rolle i at udvide et flodbassin.

For at kontrollere deres hypotese, de kiggede på karakteristika ved hvert bassines geologi, såsom de typer sten og jord, der ligger til grund for bassinet, og til hvilken dybde grundvand kan trænge ind. Generelt, de fandt ud af, at i tørre klimaer, ethvert regnvand, der sivede ned i jorden, ville drible dybt under overfladen, som væske, der løber gennem en Brillo -pude. Eventuelt resulterende reservoir, eller vandspejl, ville være for dybt til, at grundvandet kan komme tilbage til overfladen.

I modsætning, i mere fugtige miljøer, vand er mere tilbøjeligt til at mætte jorden, som postevand i blød med en fugtig svamp. I disse klimaer, vand ville sive ned i jorden, skabe store vandborde tæt på overfladen.

Holdet beregnede derefter, i hvilket omfang vandløbssteder svarede til steder, hvor der opstod grundvand. De fandt en større korrespondance, hvor der sivede mere grundvand ud omkring vandløbsoplande i fugtigt klima, kontra i tørre klimaer. Dette tyder på, at grundvand spiller en større rolle i udskæring af fugtige bassiner, skabe bredere, flere squat former, i modsætning til det længere, tyndere former af vandløb i tørt klima.

Denne grundvandseffekt kan især være udtalt ved mindre, flere lokale skalaer over flere kilometer. På meget større skalaer, dækker næsten det halve kontinent, gruppen fandt vandløb, selv i fugtige omgivelser, tog lang tid, tynde konturer, som kan tilskrives det faktum, at, over et så stort område, samspillet mellem grundvand og flodnetværks storstilede struktur er relativt svagt.

"Vores papir etablerer et nyt, storstilet forbindelse mellem hydrogeologi og geomorfologi, "Rothman siger." Det repræsenterer også en usædvanlig anvendelse af mønsterdannelses fysik. … Alt dette viser sig at være forbundet med fraktal geometri. Således finder vi i en vis forstand en overraskende sammenhæng mellem klima og flodnetværks fraktalgeometri. "