Meer dan 500 jaar geleden, Leonardo da Vinci schetste wat hij "la turbolenza, " chaotische wervelingen op stromend water vergelijken met krullend mensenhaar. Het blijkt dat die patronen talloze verschijnselen beïnvloeden, van de weerstand op de vleugels van een vliegtuig en de vorming van de rode vlek van Jupiter tot het ritselen van boombladeren.

Nieuwe bevindingen worden vrijdag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap voeg er nog een toe aan de lijst:de uitroeiing van een alomtegenwoordige meststofverontreinigende stof uit stromen.

"We kunnen nu een turbulentie 'snelheidslimiet' berekenen voor nitraatverwijdering in elke stroom, " zei hoofdauteur Stanley Grant, een professor in civiele en milieutechniek aan de Universiteit van Californië, Irvine. "Dat betekent dat we specifieke richtlijnen kunnen geven voor het afstemmen van herstelinspanningen om de verwijdering ervan te maximaliseren en de ecosystemen stroomafwaarts te beschermen."

Wetenschappers weten al lang dat met nitraat beladen meststoffen van boerderijen en stadsstraten in wateren terechtkomen, soms creëren ze gigantische "dode zones" honderden kilometers stroomafwaarts. De heersende opvatting is dat hongerige algen en bacteriën in het bodemsediment bepalen hoe snel nitraat kan worden verwijderd.

Maar een internationaal team van onderzoekers dacht dat natuurkunde ook een rol zou kunnen spelen. Het karnen van water dient als een soort roltrap, wervelende moleculen van de verontreinigende stof naar beneden naar stroombeddingen in een patroon dat een verticale versie is van Leonardo's lang geleden schetsen.

De wetenschappers wilden weten hoe die actie de eliminatie van de verontreiniging beïnvloedt. Ze berekenden de maximale snelheid - of snelheidslimiet - waarbij turbulentie nitraat naar het sediment verplaatst en vergeleken deze met eerder gepubliceerde metingen van nitraatverwijdering in 72 stromen in de Verenigde Staten.

"Het antwoord hangt af van hoe vervuild de stroom is, " zei co-auteur Perran Cook, een universitair hoofddocent scheikunde aan de Monash University in Australië. "In ongerepte stromen, de snelheid waarmee turbulentie het nitraat transporteert, bepaalt hoe snel het wordt verwijderd. In vervuilde stromen, de heersende opvatting is juist:processen in het sediment winnen de dag." In een schone stroom, het nitraat wordt verwijderd wanneer de algen en bacteriën in het sediment het opnemen, of, nog beter, omzetten in een onschadelijke gasverbinding.

"Het is een gigantisch geschenk. Stromen verwijderen veel van het nitraat dat we naar ze gooien, dus er is veel belangstelling geweest om te begrijpen hoe dit proces werkt en hoe het efficiënter kan worden gemaakt, " zei co-auteur Fulvio Boano, een universitair hoofddocent hydrauliek aan de Italiaanse Politecnico di Torino.

Maar het proces kan overweldigd raken wanneer te veel van de verontreiniging in een waterweg wordt gepompt, waardoor nitraat naar de kustwateren kan stromen. Eenmaal daar, het kan de algengroei stimuleren, zuurstof uitputten, en leiden tot de vorming van gigantische kale gebieden stroomafwaarts, zoals het gebied ter grootte van Connecticut bij de Mississippi-rivierdelta in de Golf van Mexico.

De onderzoeksresultaten hebben belangrijke implicaties voor het beheersen van nitraatvervuiling nabij de bron, voordat het naar gevoelige ecosystemen stroomt.

"Dezelfde berekeningen kunnen worden opgenomen in stroomnetwerkmodellen, waarmee onderzoekers de effecten van nitraatverontreiniging op lokale, continentale en zelfs mondiale schaal, " zei co-auteur Morvarid Azizian, een postdoctoraal onderzoeker in civiele en milieutechniek aan de UCI.

"Dat is een foto waar zelfs Leonardo trots op zou zijn, ’ voegde Grant eraan toe.