De rivier kan razen of zachtjes rollen, maar uiteindelijk zullen het zand en het slib hun zin krijgen.

Rice University Aardwetenschappers en hun collega's hebben een verrassend breekpunt gedefinieerd waarop de korrelgrootte van rivierbeddingssediment buitengewone controle uitoefent over hoeveel materiaal stroomafwaarts zal worden getransporteerd, voedende delta's en kusten.

Nieuw werk onder leiding van Rice kustgeoloog Jeff Nittrouer en postdoctoraal onderzoeker Hongbo Ma brengt tientallen jaren van experimenten en veldobservaties in beeld door aan te tonen dat zand en slib plotseling van het ene transportmiddel naar het andere verschuiven.

Kortom, sommige sedimentkorrels groter dan ongeveer 150 micron (beschouwd als fijn zand) bewegen langs de rivierbedding en sommige blijven in de stroming hangen. Fijnere korrels worden volledig in het stromende water getild en bewegen veel sneller naar de monding van een rivier. Daar, ze kunnen het landschap snel veranderen en delta's genereren terwijl ze kustlijnen van sediment voorzien.

De onderzoekers waren verrast toen ze ontdekten dat korrelgrootte de manier van transport domineert, ongeacht hoe snel de rivier stroomt, volgens hun rapport in de Proceedings van de National Academy of Sciences , die dit jaar de "Best Paper Award" won van de International Association of Chinese Youth in Water Science.

"De meeste mensen kijken naar slib en zand en zeggen dat deze dingen erg dicht bij elkaar liggen, " zei Nittrouer. "Maar de realiteit is dat er kleine verschillen zijn tussen de twee die enorme veranderingen in de hoeveelheid verplaatst materiaal bieden. We beschouwen de wereld vaak als een lineaire plaats, maar als je de korrelgrootte met slechts een fractie verandert, je verandert plotseling het volume van het vervoerde materiaal met een factor 10 tot 20."

Relatief grof materiaal wordt geassocieerd met grote zandduinen die rivierbeddingen ruw maken en wrijving veroorzaken die de hoeveelheid energie beperkt die beschikbaar is om sediment te verplaatsen, hij zei.

Maar slib en heel fijn zand, vervoerd via suspensie, lang bouwen, lage duinen die het energieverbruik door wrijving verminderen en hoge sedimenttransportsnelheden vergemakkelijken. "Directe suspensie zorgt ervoor dat meer van de energie van de stroom kan worden gebruikt bij het transporteren van het sedimentaire materiaal, ' zei Nittrouer.

Sedimentstroom verandert kustlijnen, delta's en de loop van rivieren zelf. "Ons vermogen om te voorspellen hoe fijnkorrelig sediment in verschillende omgevingen beweegt, is zeer beperkt geweest, "Zei Ma. "We wilden eigenlijk het hele systeem vereenvoudigen."

Hij zei dat eerdere algoritmen patchwork-oplossingen boden die van toepassing waren op grote zanddeeltjes of slib, maar geen rekening hielden met wat werd verondersteld een geleidelijke overgang van het ene transportmiddel naar het andere te zijn. "We waren verrast om te ontdekken dat er geen continue overgang tussen hen is, "zei hij. "Het blijkt dat op een bepaald moment, ze gaan plotseling over naar een andere staat."

Ma bouwde het universele transportalgoritme na bijna 2 te hebben overwogen, 000 sets sedimenttransportgegevens van tientallen jaren gepubliceerd onderzoek, samen met de eigen observaties van zijn team, in het bijzonder door een door de National Science Foundation gesteunde studie van de Chinese Gele Rivier (ook bekend als de Huanghe-rivier).

"Hongbo heeft in wezen een grote database genomen en deze gebruikt om een ​​nieuw algoritme te aarden dat een spectrum van korrelgroottes mogelijk maakt, Nittrouer zei. "Het laat ons voorspellingen doen over hoeveel en waar zand of slib zich zou moeten verplaatsen onder invloed van bepaalde omgevingen en randvoorwaarden.

"Dat heeft veel invloed op hoe we de beweging van materiaal op aarde begrijpen, zoals geïllustreerd door fijnkorrelige rivieren zoals de Gele Rivier, " hij zei.

Het is bekend dat de Gele Rivier jaarlijks ongeveer een miljard ton sediment naar zee stuurt. Het Rice-lab heeft zijn nieuwe algoritme al gebruikt om veranderingen in de Gele Rivierdelta te voorspellen, waarvan de resultaten verschijnen in een recent artikel onder leiding van afgestudeerde student Andrew Moodie, ook een co-auteur van de nieuwe studie.

Nittrouer suggereerde dat het algoritme een brede toepassing zou kunnen hebben op aarde en daarbuiten.

"Als we willen begrijpen hoeveel materiaal er beweegt op een planeet als Mars of de structuur van het systeem dat dat materiaal heeft getransporteerd - de kanaalafmetingen, de bodemvormen in de kanalen - we kunnen inverse modellering gebruiken om te bepalen hoe de transportomstandigheden in het verleden waren, " zei hij. "Dat sluit nauw aan bij de omgevingsomstandigheden die op een bepaald moment in die regio aanwezig waren."

Hij merkte op dat de verrassende grens mogelijk nog grotere krachten weerspiegelt die in de natuur aan het werk zijn. "Je kunt de natuur zo lang pushen en dan, als je eenmaal een drempel overschrijdt, grote verschuivingen beginnen te gebeuren, " zei hij. "Mensen proberen erachter te komen waar deze drempels bestaan ​​in termen van klimaatverstoringen en klimaatverandering.

"Dit is dus een aantoonbaar voorbeeld van een drempel in de natuur, een kleine verandering die grote kan uitlokken, " hij zei.