Ci sono più di 1 milione di bacini fluviali scavati nella topografia degli Stati Uniti, ciascuno raccogliendo l'acqua piovana per alimentare i fiumi che li attraversano. Alcuni bacini sono piccoli come singoli corsi d'acqua, mentre altri coprono quasi la metà del continente, che comprende, ad esempio, tutta la rete fluviale del Mississippi.

Anche i bacini fluviali variano per forma, quale, come ora riferiscono gli scienziati del MIT, è fortemente influenzato dal clima in cui si formano. Il team ha scoperto che nelle regioni aride del paese, i bacini fluviali assumono un profilo lungo e sottile, indipendentemente dalle loro dimensioni. In ambienti più umidi, i bacini fluviali variano:bacini più grandi, sulla scala di centinaia di chilometri, sono lunghi e sottili, mentre i bacini più piccoli, per pochi chilometri, sono notevolmente corti e tozzi.

La differenza, hanno trovato, si riduce alla disponibilità locale di acque sotterranee. Generalmente, i bacini fluviali sono modellati dalle precipitazioni, che erode la terra mentre defluisce in un fiume o in un ruscello. In ambienti umidi, una grande frazione di pioggia penetra nella Terra, creazione di una falda freatica, o un serbatoio locale di acque sotterranee. Quando quella falda acquifera torna indietro, si può anche tagliare in una bacinella, erodendo e modificando ulteriormente la sua forma.

I ricercatori hanno scoperto che i bacini più piccoli che si formano in climi umidi sono fortemente modellati dalle acque sotterranee locali, che agisce per ritagliare più corto, bacini più ampi. Per bacini molto più grandi che coprono un'area geografica più estesa, la disponibilità di acque sotterranee può essere meno consistente, e quindi svolge un ruolo minore nella forma di un bacino.

I risultati, pubblicato oggi su Atti della Royal Society A , può aiutare i ricercatori a identificare i climi antichi in cui si sono formati originariamente i bacini, sia sulla Terra che oltre.

"Questa è la prima volta in cui la forma delle reti fluviali è stata messa in relazione con il clima, "dice Daniel Rothman, professore di geofisica presso il Dipartimento della Terra del MIT, Atmosferico, e Scienze Planetarie, e co-direttore del Lorentz Center del MIT. "Lavori come questo possono aiutare gli scienziati a dedurre il tipo di clima che era presente quando le reti fluviali sono state inizialmente incise".

I coautori di Rothman sono il primo autore ed ex studente laureato Robert Yi, l'ex dottorando in visita Álvaro Arredondo, studente laureato Eric Stansifer, e l'ex postdoc Hansjörg Seybold dell'ETH di Zurigo.

Una connessione climatica

In un precedente lavoro pubblicato nel 2012, Rothman e i suoi colleghi hanno identificato una connessione sorprendentemente universale tra le acque sotterranee e il modo in cui i fiumi si dividono, o ramo. Il team ha formulato un modello matematico per scoprire che, nelle regioni in cui l'erosione è causata principalmente dall'infiltrazione di acque sotterranee, i fiumi si diramano con un angolo comune di 72 gradi. Nel lavoro di follow-up, hanno scoperto che questo angolo di ramificazione comune reggeva in ambienti umidi, ma nelle regioni più secche, i fiumi tendevano a dividersi ad angoli più stretti di circa 45 gradi.

"Le reti fluviali formano queste bellissime strutture ramificate, e il lavoro precedente ha aiutato a spiegare gli angoli in cui i fiumi si uniscono per formare queste strutture, " Yi dice. "Ma ogni fiume è anche intimamente connesso a un bacino, che è l'area di terreno da cui drena l'acqua piovana. Quindi sospettavamo che le forme delle vasche potessero contenere alcune simili curiosità geometriche".

Il team ha cercato di trovare un modello universale simile sotto forma di bacini fluviali. Per fare questo, hanno avuto accesso a set di dati contenenti mappe dettagliate di tutti i fiumi e bacini negli Stati Uniti contigui - più di 1 milione in totale - insieme a set di dati contenenti due parametri climatici per ogni regione del paese:tasso di precipitazioni e potenziale evapotraspirazione, o la velocità con cui l'acqua superficiale evaporerebbe se fosse presente.

I set di dati contenevano stime dell'area di ciascun bacino idrografico, che i ricercatori hanno combinato con la lunghezza del fiume di ciascun bacino per calcolare la larghezza di un bacino. Hanno poi annotato per ogni bacino, un rapporto di aspetto:il rapporto tra la lunghezza e la larghezza di un bacino, che dà un'idea della forma complessiva di un lavabo. Hanno anche calcolato l'indice di aridità di ciascun bacino, il rapporto tra il tasso di precipitazione regionale e la potenziale evapotraspirazione, che indica se il bacino risiede in un ambiente umido o secco.

Quando hanno tracciato il rapporto di aspetto di ciascun bacino rispetto all'indice di aridità locale, hanno trovato una tendenza interessante:bacini in climi secchi, indipendentemente dalle dimensioni, durò a lungo, forme sottili, così come i grandi bacini in ambienti umidi. Però, i bacini più piccoli in regioni altrettanto umide sembravano significativamente più ampi e più corti.

"Abbiamo scoperto che i bacini aridi mantenevano approssimativamente la loro forma con le dimensioni, ma i bacini umidi si restringevano man mano che si allargavano, "Dice Yi. "Questo ci ha confuso per molto tempo."

Risposte nel terreno

I ricercatori sospettavano che la dicotomia tra forme di tipo secco e umido derivasse dalle loro precedenti osservazioni di fiumi ramificati:nei climi umidi, le acque sotterranee svolgono un ruolo aggiuntivo rispetto alle precipitazioni nella creazione di rami più ampi di un fiume, rispetto ai climi più secchi. Hanno ragionato che le acque sotterranee possono svolgere un ruolo simile nell'allargare il bacino di un fiume.

Per verificare la loro ipotesi, hanno esaminato le caratteristiche della geologia di ciascun bacino, quali i tipi di roccia e di terreno sottostanti il ​​bacino, e la profondità alla quale le acque sotterranee potrebbero penetrare. Generalmente, hanno scoperto che nei climi più secchi, l'acqua piovana che filtrava nel terreno gocciolava in profondità sotto la superficie, come un liquido che scorre attraverso un tampone Brillo. Qualsiasi serbatoio risultante, o falda freatica, sarebbe troppo profondo per consentire alle acque sotterranee di risalire in superficie.

In contrasto, in ambienti più umidi, l'acqua ha maggiori probabilità di saturare il terreno, come l'acqua del rubinetto che bagna una spugna umida. In questi climi, l'acqua penetrerebbe nel terreno, creando grandi falde acquifere vicino alla superficie.

Il team ha quindi calcolato la misura in cui le posizioni dei corsi d'acqua corrispondevano alle posizioni in cui sono emerse le acque sotterranee. Hanno trovato una corrispondenza maggiore dove c'era più acqua sotterranea che filtrava intorno ai bacini fluviali in climi umidi, rispetto ai climi più secchi. Ciò suggerisce che le acque sotterranee svolgono un ruolo più importante nella creazione di bacini umidi, creando più ampio, forme più tozze, in contrasto con il più lungo, forme più sottili di bacini fluviali a clima secco.

Questo effetto delle acque sotterranee può essere particolarmente pronunciato a piccoli, scale più locali su diversi chilometri. A scale molto più grandi, che abbraccia quasi metà del continente, il gruppo ha trovato bacini fluviali, anche in ambienti umidi, durò a lungo, contorni sottili, che può essere attribuito al fatto che, su un territorio così vasto, l'interazione tra le acque sotterranee e la struttura su larga scala delle reti fluviali è relativamente debole.

"Il nostro documento stabilisce un nuovo, collegamento su larga scala tra idrogeologia e geomorfologia, " Dice Rothman. "Rappresenta anche un'applicazione insolita della fisica della formazione del modello. … Tutto questo risulta essere connesso con la geometria frattale. Quindi, in un certo senso, stiamo trovando una sorprendente connessione tra il clima e la geometria frattale delle reti fluviali".