Hvordan adskiller silt og sand sig, når det går med strømmen?

Floden kan rase eller forsigtigt rulle, men til sidst vil sandet og dyndet få sin gang.

Rice University Earth-forskere og deres kolleger har defineret et overraskende brudpunkt, hvor kornstørrelsen af ​​flodleje sediment udøver ekstraordinær kontrol over, hvor meget materiale der vil blive transporteret nedstrøms, nærende deltaer og kystlinjer.

Nyt arbejde ledet af Rice kystgeolog Jeff Nittrouer og postdoc-forsker Hongbo Ma bringer årtiers eksperimenter og feltobservationer i fokus ved at vise, at sand og silt pludselig skifter fra et transportmiddel til et andet.

Kort sagt, nogle sedimentkorn større end omkring 150 mikron (betragtes som fint sand) bevæger sig langs flodlejet, og nogle er suspenderet i strømmen. Finere korn løftes helt op i det strømmende vand og bevæger sig meget hurtigere mod mundingen af ​​en flod. der, de kan hurtigt ændre landskabet og generere deltaer, mens de forsyner kystlinjer med sediment.

Forskerne var overraskede over at finde ud af, at kornstørrelsen dominerer transportmåden, uanset hvor hurtigt floden flyder, ifølge deres rapport i Proceedings of the National Academy of Sciences , som vandt årets "Best Paper Award" fra International Association of Chinese Youth in Water Science.

"De fleste mennesker ser på silt og sand og siger, at disse ting er meget tæt på hinanden, " sagde Nittrouer. "Men virkeligheden er, at der er fine skalaforskelle mellem de to, der tilbyder enorme ændringer i mængden af ​​flyttet materiale. Vi betragter ofte verden som et lineært sted, men hvis du ændrer kornstørrelsen med kun en lille brøkdel, du ændrer pludselig mængden af ​​transporteret materiale 10- til 20-dobbelt."

Relativt groft materiale er forbundet med store klitter, der gør flodlejer ru og giver friktion, der begrænser mængden af ​​tilgængelig energi til at flytte sediment, han sagde.

Men silt og meget fint sand, transporteres via suspension, bygge lang, lave klitter, der reducerer energiforbruget ved friktion og letter høje sedimenttransporthastigheder. "Direkte suspension gør det muligt at udnytte mere af flowets energi til at transportere det sedimentære materiale, " sagde Nittrouer.

Sedimentflux ændrer kystlinjer, deltaer og selve flodernes løb. "Vores evne til at forudsige, hvordan finkornet sediment bevæger sig i forskellige miljøer, har været meget begrænset, " sagde Ma. "Vi satte os grundlæggende for at forenkle hele systemet."

Han sagde, at tidligere algoritmer leverede patchwork-løsninger, der gjaldt enten store sandpartikler eller silt, men som ikke tog højde for, hvad der blev antaget at være en gradvis overgang fra det ene transportmiddel til det andet. "Vi var overraskede over at finde ud af, at der ikke er nogen kontinuerlig overgang mellem dem, " sagde han. "Det viser sig, at på et vist tidspunkt, de går pludselig over til en anden tilstand."

Ma byggede den universelle transportalgoritme efter at have overvejet næsten 2, 000 sæt sedimenttransportdata fra flere årtiers publiceret forskning, sammen med hans teams egne observationer, især gennem en National Science Foundation-støttet undersøgelse af Kinas Gule Flod (alias Huanghe-floden).

"Hongbo har i det væsentlige taget en stor database og brugt den til at jorde en ny algoritme, der giver mulighed for et spektrum af kornstørrelser, " sagde Nittrouer. "Det giver os mulighed for at forudsige, hvor meget og hvor sand eller silt skal bevæge sig under påvirkning af givne miljøer og grænseforhold.

"Det har meget betydning for, hvordan vi forstår bevægelsen af ​​materiale på Jorden, som eksemplificeret ved finkornede floder som Den Gule Flod, " han sagde.

Den Gule Flod er kendt for at sende omkring en milliard tons sediment hvert år mod havet. Rislaboratoriet har allerede brugt sin nye algoritme til at forudsige ændringer i Yellow River-deltaet, hvis resultater vises i et nyligt papir ledet af kandidatstuderende Andrew Moodie, også medforfatter til det nye studie.

Nittrouer foreslog, at algoritmen kunne have bred anvendelse på Jorden og videre.

"Hvis vi ønsker at forstå, hvor meget materiale der bevæger sig på en planet som Mars eller strukturen af ​​det system, der transporterede det materiale - kanaldimensionerne, sengen dannes i kanalerne - vi kan bruge omvendt modellering til at bestemme, hvordan transportforholdene var før i tiden, " sagde han. "Det hænger tæt sammen med de miljøforhold, der var til stede i den pågældende region på et givet tidspunkt."

Han bemærkede, at den overraskende grænse kan afspejle endnu større kræfter, der arbejder i naturen. "Du kan presse naturen så længe, ​​og så når du krydser en tærskel, store skift begynder at ske, " sagde han. "Folk forsøger at finde ud af, hvor disse tærskler findes i form af klimaforstyrrelser og klimaændringer.

"Så dette er et påviselig eksempel på en tærskel i naturen, en lille forandring, der kan provokere store, " han sagde.