В топографии Соединенных Штатов вырезано более 1 миллиона речных бассейнов, каждый из которых собирает дождевую воду для питания протекающих через них рек. Некоторые бассейны столь же малы, как отдельные ручьи, в то время как другие охватывают почти половину континента, охватывая, например, всю речную сеть Миссисипи.
Речные бассейны также различаются по форме, на которую, как теперь сообщают ученые Массачусетского технологического института, сильно влияет климат, в котором они формируются. Команда обнаружила, что в засушливых регионах страны бассейны рек имеют длинный и тонкий контур, независимо от их размера. В более влажной среде речные бассейны различаются: более крупные бассейны, в масштабе сотен километров, длинные и тонкие, в то время как меньшие бассейны, охватывающие несколько километров, заметно короткие и приземистые.
Разница, как они обнаружили, сводится к местной доступности грунтовых вод. Как правило, речные бассейны формируются дождевыми осадками, которые размывают землю, когда они стекают в реку или ручей. Во влажной среде большая часть осадков просачивается в землю, создавая уровень грунтовых вод или местный резервуар грунтовых вод. Когда эти грунтовые воды просачиваются обратно, они также могут врезаться в бассейн, еще больше разрушая и изменяя его форму.
Исследователи обнаружили, что меньшие бассейны, которые формируются во влажном климате, в значительной степени формируются местными грунтовыми водами, которые формируют более короткие и широкие бассейны. Для гораздо более крупных бассейнов, охватывающих более обширную географическую территорию, наличие подземных вод может быть менее постоянным и, следовательно, играть меньшую роль в форме бассейна.
Результаты, опубликованные сегодня в Proceedings of the Royal Society A, могут помочь исследователям определить древние климаты, в которых изначально формировались бассейны, как на Земле, так и за ее пределами.
«Это первый случай, когда форма речных сетей связана с климатом», - говорит Дэниел Ротман, профессор геофизики на факультете наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института и содиректор Центр Лоренца. «Подобная работа может помочь ученым сделать вывод о типе климата, который существовал, когда речные сети были первоначально вырезаны».
Соавторы Ротмана - первый автор и бывший аспирант Роберт Йи, бывший приглашенный аспирант Альваро Арредондо, аспирант Эрик Стансифер и бывший постдоктор Хансйорг Сейбольд из ETH Zurich.
Подключение к климату
В предыдущей работе, опубликованной в 2012 году, Ротман и его коллеги выявили удивительно универсальную связь между грунтовыми водами и тем, как реки разветвляются или разветвляются. Команда сформулировала математическую модель, чтобы обнаружить, что в регионах, где эрозия вызвана в основном просачиванием грунтовых вод, реки разветвляются под общим углом 72 градуса. В ходе последующей работы они обнаружили, что этот общий угол ветвления сохраняется во влажной среде, но в более засушливых регионах реки, как правило, разветвляются под более узкими углами около 45 градусов..
«Речные сети образуют эти красивые разветвленные структуры, и предыдущая работа помогла объяснить углы, под которыми реки соединяются вместе, образуя эти структуры», - говорит Йи. «Но каждая река также тесно связана с бассейном, то есть с участком земли, из которого она отводит дождевую воду. Поэтому мы подозревали, что формы бассейнов могут содержать некоторые подобные геометрические курьезы».
Команда решила найти подобный универсальный узор в форме речных бассейнов. Для этого они получили доступ к наборам данных, содержащим подробные карты всех рек и бассейнов на территории Соединенных Штатов - всего более 1 миллиона - вместе с наборами данных, содержащими два климатических параметра для каждого региона страны: количество осадков и потенциальную эвапотранспирацию, или скорость, с которой испарялась бы поверхностная вода, если бы она присутствовала.
Наборы данных содержали оценки площади каждого речного бассейна, которые исследователи объединили с длиной реки каждого бассейна для расчета ширины бассейна. Затем они отметили для каждого бассейна соотношение сторон - отношение длины бассейна к ширине, что дает представление об общей форме бассейна. Они также рассчитали индекс засушливости каждого бассейна - соотношение между региональной интенсивностью осадков и потенциальной эвапотранспирацией - который указывает, находится ли бассейн во влажной или сухой среде.
Когда они сопоставили соотношение сторон каждого бассейна с местным индексом засушливости, они обнаружили интересную тенденцию: бассейны в сухом климате, независимо от размера, приобретали длинные тонкие формы, как и большие бассейны во влажной среде. Однако меньшие бассейны в таких же влажных регионах выглядели значительно шире и короче.
«Мы обнаружили, что засушливые бассейны примерно сохраняют свою форму в зависимости от размера, но влажные бассейны становятся уже по мере того, как они становятся больше», - говорит Йи. «Это надолго сбило нас с толку».
Ответы в земле
Исследователи подозревали, что дихотомия между формами сухого и влажного типа проистекает из их предыдущих наблюдений за разветвлением рек: более сухой климат. Они пришли к выводу, что грунтовые воды могут играть аналогичную роль в расширении бассейна реки.
Чтобы проверить свою гипотезу, они рассмотрели характеристики геологии каждого бассейна, такие как типы горных пород и почвы, лежащие в основе бассейна, и глубину, на которую могут проникать грунтовые воды. В общем, они обнаружили, что в более сухом климате любая дождевая вода, просачивающаяся в землю, будет сочиться глубоко под поверхностью, как жидкость, протекающая через прокладку Brillo. Любой образовавшийся водоем или уровень грунтовых вод будет слишком глубоким, чтобы грунтовые воды могли подняться на поверхность.
Наоборот, в более влажной среде вода с большей вероятностью пропитает почву, как водопроводная вода пропитывает влажную губку. В этом климате вода будет просачиваться в землю, создавая большие грунтовые воды близко к поверхности.
Затем команда подсчитала, в какой степени расположение ручьев соответствует местам выхода грунтовых вод. Они обнаружили большее соответствие там, где вокруг речных бассейнов просачивалось больше грунтовых вод во влажном климате, чем в более сухом климате. Это говорит о том, что подземные воды играют более важную роль в формировании влажных бассейнов, создавая более широкие и приземистые формы, в отличие от более длинных и тонких речных бассейнов в сухом климате.
Это влияние грунтовых вод может быть особенно заметно в меньших, более локальных масштабах на протяжении нескольких километров. В гораздо большем масштабе, охватывающем почти половину континента, группа обнаружила, что речные бассейны даже во влажной среде приобретали длинные тонкие контуры, что можно объяснить тем фактом, что на такой обширной территории взаимодействие между грунтовыми водами и масштабная структура речных сетей относительно слаба.
«Наша статья устанавливает новую крупномасштабную связь между гидрогеологией и геоморфологией», - говорит Ротман.«Это также представляет собой необычное применение физики формирования узоров… Все это оказывается связанным с фрактальной геометрией. Таким образом, в некотором смысле мы обнаруживаем удивительную связь между климатом и фрактальной геометрией речных сетей».