Более 500 лет назад Леонардо да Винчи нарисовал то, что он назвал «турболенца», сравнив хаотические водовороты на поверхности текущей воды с вьющимися человеческими волосами. Оказывается, эти закономерности влияют на множество явлений, от сопротивления крыльев самолета и образования красного пятна Юпитера до шелеста листьев деревьев.
Новые результаты, которые будут опубликованы в пятницу в журнале Science, добавят к списку еще одно: искоренение повсеместно распространенного загрязнителя удобрений из ручьев.
«Теперь мы можем рассчитать «предел скорости» турбулентности для удаления нитратов в любом потоке», - сказал ведущий автор Стэнли Грант, профессор гражданской и экологической инженерии Калифорнийского университета в Ирвине. «Это означает, что мы можем предоставить конкретные рекомендации о том, как адаптировать усилия по восстановлению, чтобы максимально удалить его и защитить экосистемы ниже по течению».
Ученым давно известно, что нитратные удобрения стекают с ферм и городских улиц в водоемы, иногда создавая гигантские «мертвые зоны» в сотнях миль вниз по течению. Преобладало мнение, что голодные водоросли и бактерии в донных отложениях контролируют скорость удаления нитратов.
Но международная группа исследователей подумала, что физика тоже может сыграть свою роль. Вспенивающаяся вода служит своего рода эскалатором, закручивая молекулы загрязняющих веществ вниз к руслам ручьев по схеме, которая является вертикальной версией давних набросков Леонардо.
Ученые хотели знать, как это действие влияет на удаление загрязнителя. Они рассчитали максимальную скорость - или ограничение скорости, - при которой турбулентность перемещает нитраты в отложения, и сравнили ее с ранее опубликованными данными об удалении нитратов в 72 реках в Соединенных Штатах.
«Ответ зависит от того, насколько загрязнена река», - сказал соавтор Перран Кук, доцент кафедры химии Университета Монаш в Австралии. «В нетронутых ручьях скорость, с которой турбулентность переносит нитраты, определяет, насколько быстро они удаляются. В загрязненных ручьях преобладает правильное мнение: процессы в отложениях побеждают». В чистом потоке нитрат удаляется, когда водоросли и бактерии в осадке поглощают его или, что еще лучше, превращают его в безвредное газовое соединение.
«Это гигантский подарок. Реки удаляют большую часть нитратов, которые мы в них бросаем, поэтому было очень интересно понять, как работает этот процесс и как его можно сделать более эффективным», - сказал соавтор. автор Фульвио Боано, адъюнкт-профессор гидравлики Туринского политехнического университета Италии.
Но процесс может быть нарушен, когда слишком много загрязняющих веществ попадает в водный путь, позволяя нитратам течь в прибрежные воды. Оказавшись там, он может стимулировать рост водорослей, истощать кислород и приводить к образованию гигантских бесплодных территорий ниже по течению, таких как район размером с Коннектикут у дельты реки Миссисипи в Мексиканском заливе..
Результаты исследования имеют важное значение для управления загрязнением нитратами вблизи источника, прежде чем они попадут в чувствительные экосистемы.
«Те же расчеты могут быть включены в модели сети водотоков, что позволит исследователям лучше количественно оценить воздействие загрязнения нитратами в локальном, континентальном и даже глобальном масштабах», - сказал соавтор Морварид Азизян, докторант в гражданская и экологическая инженерия в UCI.
«Этим изображением мог бы гордиться даже Леонардо», - добавил Грант.
Финансирование работы было предоставлено Национальным научным фондом и Управлением президентских исследовательских программ и инициатив Университета Калифорнии.