We weten minder over de grond onder onze voeten dan over het oppervlak van Mars, maar nieuw onderzoek door Boulder-geowetenschappers van de Universiteit van Colorado werpt licht op deze verborgen wereld, van bergkammen tot valleibodems en laat zien hoe regen het deel van onze planeet vormt dat net buiten ons zicht ligt.

De aarde staat in de volksmond bekend als de "derde rots van de zon, " toch is hard gesteente zeldzaam aan het grondoppervlak. Wetenschappers hebben de vegetatie genoemd, bodem- en waterhoudend puin dat het rotsachtige binnenland van de aarde aan het zicht onttrekt van de 'kritieke zone'. De naam eert het feit dat deze zone tegelijkertijd essentieel is voor het leven en wordt gevormd door levende organismen. Het karakter van de kritieke zone, met name de diepte, bepaalt hoe grondwater wordt opgeslagen en in stromen wordt vrijgegeven.

Grondwater levert de watervoorraden die de levensader zijn van landbouw en industrie in het land, en inderdaad over de hele wereld. Maar grondwater zelf is niet passief. Het reageert met de rots langs zijn pad, en door dit te doen, wordt het gesteente zowel chemisch getransformeerd als opgeloste mineralen en voedingsstoffen opgenomen.

De onderzoekers werden geïnspireerd om de fundamentele verschillen tussen twee door de National Science Foundation ondersteunde Critical Zone Observatories (CZO's) te bestuderen. In de Boulder Creek CZO in de Colorado Front Range, vers gesteente is te vinden onder een dunne laag grond en gebroken gesteente dat de hellingen gelijkmatig bedekt. In de Calhoun CZO in de Piemonte van South Carolina, vers gesteente ligt ver onder het oppervlak, en de kritieke zone golft dik onder bergkammen en wordt dunner onder valleibodems. En de bodems van Colorado zijn grijsbruin en rotsachtig, in tegenstelling tot de rode klei van South Carolina.

De CU Boulder-onderzoekers probeerden te begrijpen waarom deze levensondersteunende en watervasthoudende deken van grond en de onderliggende verweerde rots zo sterk van plaats tot plaats verschillen. Co-auteurs waren onder meer Distinguished Professor Robert S. Anderson van de afdeling Geologische Wetenschappen van CU Boulder, President's Teaching Scholar Professor Harihar Rajaram van CU Boulder's Department of Civil, Milieu, en bouwkunde, en professor Suzanne P. Anderson van de afdeling Geografie van CU Boulder.

"Ons doel was om een ​​model te maken om uit te leggen waarom deze verschillen optreden, ' zei Suzanne Anderson.

De onderzoekers concentreerden zich op een van de meest voor de hand liggende verschillen tussen de twee locaties:het weer. Ze bouwden een numeriek model om te testen of de veel grotere regenval in het zuidoosten de grote verschillen in de diepte van de verwering zou kunnen verklaren. In het model, regenwater wordt gevolgd terwijl het door het landschap sijpelt, en zorgt ervoor dat gesteentemineralen verweren (of transformeren) in klei. Omdat verweringsprocessen traag zijn, het was noodzakelijk om ook bodemvorming en erosie mee te nemen.

"Verwering van gesteente is misschien wel het belangrijkste geologische proces, omdat het de grond produceert waarvan we voor ons bestaan ​​afhankelijk zijn, " zegt Richard Yuretich, directeur van het NSF Critical Zone Observatories-programma, die het onderzoek financierde.

De resultaten, vandaag gepubliceerd in een speciale uitgave van het tijdschrift Hydrologische processen gewijd aan de rol van water in de kritieke zone, laten zien dat zich onder droge omstandigheden een ondiepe kritieke zone van het Colorado-type vormt, terwijl een dikke, golvende kritieke zone van het type South Carolina vormt zich in natte omstandigheden.

Met andere woorden, het model slaagt erin de ingrijpende verschillen in deze landschappen te verklaren. De connectiviteit van het systeem boeide het onderzoeksteam.

"Het is fascinerend hoe eenvoudige patronen in de dikte van de kritieke zone reageren op het klimaat, aan erosie, en ongetwijfeld naar processen die we nog niet hebben overwogen, " zei Suzanne Anderson, die ook een fellow is van CU Boulder's Institute of Arctic and Alpine Research (INSTAAR). "Door deze verweringpatronen te kunnen voorspellen, kunnen we dingen begrijpen waar we om geven, van watervoorziening tot het in stand houden van gezonde bodems."

"De bodemhulpbronnen zijn kostbaar, " zei Robert Anderson, ook een INSTAAR fellow. "Een van de aspecten van het landschap die we moesten omarmen bij deze modellering, is dat het duizenden jaren duurt om de grond die we hebben te genereren. Als het wordt weggeschraapt of misbruikt, het zal niet worden vervangen in menselijke tijdschalen. Mismanagement betekent dat je het nooit meer terugkrijgt."

"Maar voor mij", hij zei, "het is interessant genoeg, en bevredigend genoeg, om uit te leggen waarom je een kuil van 20 voet diep kunt graven met een schop in South Carolina, en moeten hun toevlucht nemen tot een pikhouweel binnen 2 voet in Colorado. Het draait allemaal om het weer."