Er zijn meer dan 1 miljoen rivierbekkens uitgehouwen in de topografie van de Verenigde Staten, elk van hen verzamelt regenwater om de rivieren die er doorheen snijden te voeden. Sommige bassins zijn zo klein als individuele stromen, terwijl andere bijna het halve continent beslaan, omvattende, bijvoorbeeld, het hele netwerk van de Mississippi-rivier.

Stroomgebieden variëren ook in vorm, die, zoals MIT-wetenschappers nu melden, wordt sterk beïnvloed door het klimaat waarin ze zich vormen. Het team ontdekte dat in droge gebieden van het land, stroomgebieden krijgen een lange en dunne contour, ongeacht hun grootte. In meer vochtige omgevingen, stroomgebieden variëren:grotere stroomgebieden, op de schaal van honderden kilometers, zijn lang en dun, terwijl kleinere bassins, enkele kilometers overspannen, zijn opvallend kort en gedrongen.

Het verschil, ze vonden, komt neer op de lokale beschikbaarheid van grondwater. In het algemeen, stroomgebieden worden gevormd door regenval, die het land erodeert als het in een rivier of beek afwatert. In vochtige omgevingen, een groot deel van de regenval sijpelt in de aarde, het creëren van een watertafel, of een lokaal grondwaterreservoir. Als dat grondwater weer naar buiten sijpelt, het kan ook in een bassin snijden, verder eroderen en verschuiven van zijn vorm.

De onderzoekers ontdekten dat kleinere bassins die worden gevormd in vochtige klimaten sterk worden gevormd door het lokale grondwater, die werkt om korter uit te snijden, bredere bassins. Voor veel grotere bassins die een groter geografisch gebied bestrijken, de beschikbaarheid van grondwater kan minder consistent zijn, en speelt daarom minder een rol in de vorm van een bassin.

De resultaten, vandaag gepubliceerd in de Proceedings van de Royal Society A , kan onderzoekers helpen oude klimaten te identificeren waarin oorspronkelijk bekkens werden gevormd, zowel op aarde als daarbuiten.

"Dit is de eerste keer dat de vorm van riviernetwerken is gerelateerd aan het klimaat, " zegt Daniël Rothman, hoogleraar geofysica aan het MIT's Department of Earth, Sfeervol, en Planetaire Wetenschappen, en co-directeur van het Lorentz Center van MIT. "Op deze manier werken kan wetenschappers helpen om het soort klimaat af te leiden dat aanwezig was toen riviernetwerken aanvankelijk werden ingesneden."

Rothmans co-auteurs zijn eerste auteur en voormalig afgestudeerde student Robert Yi, voormalig gaststudent Álvaro Arredondo, afgestudeerde student Eric Stansifer, en voormalig postdoc Hansjörg Seybold van ETH Zürich.

Een klimaatverbinding

In eerder werk gepubliceerd in 2012, Rothman en zijn collega's identificeerden een verrassend universeel verband tussen grondwater en de manier waarop rivieren splijten, of tak. Het team formuleerde een wiskundig model om te ontdekken dat, in regio's waar erosie voornamelijk wordt veroorzaakt door het insijpelen van grondwater, rivieren vertakken zich in een gemeenschappelijke hoek van 72 graden. Bij vervolgwerkzaamheden ze ontdekten dat deze gemeenschappelijke vertakkingshoek stand hield in vochtige omgevingen, maar in drogere streken, rivieren hadden de neiging om te splijten onder kleinere hoeken van ongeveer 45 graden.

"Riviernetwerken vormen deze prachtige vertakte structuren, en eerder werk heeft geholpen bij het verklaren van de hoeken waaronder rivieren samenkomen om deze structuren te vormen, " Zegt Yi. "Maar elke rivier is ook nauw verbonden met een stroomgebied, dat is het stuk land waarvan het regenwater afvoert. Dus we vermoedden dat de vormen van bains een aantal vergelijkbare geometrische curiositeiten zouden kunnen bevatten."

Het team ging op zoek naar een soortgelijk universeel patroon in de vorm van stroomgebieden. Om dit te doen, ze hadden toegang tot datasets met gedetailleerde kaarten van alle rivieren en stroomgebieden in de aangrenzende Verenigde Staten - meer dan 1 miljoen in totaal - samen met datasets met twee klimatologische parameters voor elke regio in het land:neerslagsnelheid en potentiële verdamping, of de snelheid waarmee oppervlaktewater zou verdampen als het aanwezig zou zijn.

De datasets bevatten schattingen van het gebied van elk stroomgebied, die de onderzoekers combineerden met de lengte van de rivier van elk bekken om de breedte van een bekken te berekenen. Vervolgens noteerden ze voor elk bekken, een aspectverhouding -de verhouding tussen de lengte en de breedte van een bassin, die een idee geeft van de algehele vorm van een bassin. Ze berekenden ook de droogte-index van elk bekken - de verhouding tussen de regionale neerslagsnelheid en potentiële verdamping - die aangeeft of het bekken zich in een vochtige of droge omgeving bevindt.

Toen ze de aspectverhouding van elk bekken uitzetten tegen de lokale droogte-index, vonden ze een interessante trend:bassins in droge klimaten, ongeacht de grootte, duurde lang, dunne vormen, net als grote bassins in vochtige omgevingen. Echter, kleinere bassins in vergelijkbare vochtige gebieden leken aanzienlijk breder en korter.

"We ontdekten dat dorre bassins ruwweg hun vorm behouden met grootte, maar vochtige bassins werden smaller naarmate ze groter werden, ' Zegt Yi. 'Dat heeft ons lange tijd in de war gebracht.'

Antwoorden in de grond

De onderzoekers vermoedden dat de dichotomie tussen droge en vochtige vormen voortkwam uit hun eerdere observaties van vertakte rivieren:in vochtige klimaten, grondwater speelt een extra rol bij regenval bij het creëren van bredere takken van rivieren, vergeleken met in drogere klimaten. Ze redeneerden dat grondwater een vergelijkbare rol kan spelen bij de verbreding van het stroomgebied van een rivier.

Om hun hypothese te controleren, ze keken naar kenmerken van de geologie van elk bekken, zoals de soorten gesteente en grond die onder het bassin liggen, en de diepte tot waar grondwater zou kunnen doordringen. In het algemeen, ze ontdekten dat in drogere klimaten, elk regenwater dat in de grond sijpelt, zou diep onder het oppervlak druppelen, als vloeistof die door een Brillo-pad loopt. Elk resulterend reservoir, of watertafel, zou te diep zijn om het grondwater weer aan de oppervlakte te laten komen.

In tegenstelling tot, in vochtigere omgevingen, water heeft meer kans om de grond te verzadigen, zoals kraanwater dat een vochtige spons doorweekt. In deze klimaten, water zou in de grond sijpelen, het creëren van grote watertafels dicht bij het oppervlak.

Vervolgens berekende het team in hoeverre de beeklocaties overeenkwamen met de locaties waar grondwater naar boven kwam. Ze vonden een grotere overeenkomst waar er meer grondwater naar buiten sijpelde rond rivierbekkens in vochtige klimaten, versus in drogere klimaten. Dit suggereert dat grondwater een grotere rol speelt bij het uitgraven van vochtige bassins, breder creëren, meer gehurkte vormen, in tegenstelling tot de langere, dunnere vormen van stroomgebieden met een droog klimaat.

Dit grondwatereffect kan vooral uitgesproken zijn bij kleinere, meer lokale schalen over meerdere kilometers. Op veel grotere schaal, verspreid over bijna het halve continent, de groep vond stroomgebieden, zelfs in vochtige omgevingen, duurde lang, dunne contouren, wat kan worden toegeschreven aan het feit dat, over zo'n uitgestrekt gebied, de interactie tussen grondwater en de grootschalige structuur van riviernetwerken is relatief zwak.

"Onze krant stelt een nieuwe, grootschalige verbinding tussen hydrogeologie en geomorfologie, " zegt Rothman. "Het vertegenwoordigt ook een ongebruikelijke toepassing van de fysica van patroonvorming. … Dit alles blijkt verband te houden met fractale geometrie. Dus in zekere zin vinden we een verrassend verband tussen het klimaat en de fractale geometrie van riviernetwerken."