Il ricercatore post-dottorato della Rice University Hongbo Ma trattiene la sabbia del fiume Mississippi, sinistra, e limo del Fiume Giallo cinese. Ma ha condotto uno studio che ha mostrato che la dimensione delle particelle controlla il modo in cui i sedimenti si muovono nei fiumi che scorrono cambia drasticamente quando i grani hanno una dimensione di circa 150 micron. Credito:Rice University
Il fiume può infuriare o rotolare dolcemente, ma alla fine la sabbia e il limo avranno la loro strada.
Gli scienziati della Rice University Earth e i loro colleghi hanno definito un sorprendente punto di rottura in corrispondenza del quale la dimensione dei grani dei sedimenti del letto del fiume esercita un controllo straordinario su quanto materiale verrà trasportato a valle, delta e coste nutrienti.
Il nuovo lavoro condotto dal geologo costiero della Rice Jeff Nittrouer e dal ricercatore post-dottorato Hongbo Ma mette a fuoco decenni di esperimenti e osservazioni sul campo, mostrando che sabbia e limo si spostano improvvisamente da un mezzo di trasporto all'altro.
In breve, alcuni granelli di sedimento più grandi di circa 150 micron (considerati sabbia fine) si muovono lungo l'alveo ed alcuni sono sospesi nella corrente. I grani più fini vengono completamente sollevati nell'acqua che scorre e si muovono molto più velocemente verso la foce di un fiume. Là, possono cambiare rapidamente il paesaggio e generare delta mentre riforniscono le coste di sedimenti.
I ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che la dimensione del grano domina il modo di trasporto indipendentemente dalla velocità con cui scorre il fiume, secondo il loro rapporto nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , che ha vinto il "Best Paper Award" di quest'anno dall'Associazione internazionale dei giovani cinesi nella scienza dell'acqua.
"La maggior parte delle persone guarda il limo e la sabbia e dice che queste cose sono terribilmente vicine l'una all'altra, " Ha detto Nittrouer. "Ma la realtà è che ci sono differenze su piccola scala tra i due che offrono enormi cambiamenti nella quantità di materiale spostato. Spesso consideriamo il mondo un luogo lineare, ma se cambi la granulometria solo di una piccola frazione, improvvisamente cambi il volume del materiale trasportato da 10 a 20 volte."
I ricercatori della Rice University Hongbo Ma, sinistra, e Jeffrey Nittrouer, un assistente professore di Terra, scienze ambientali e planetarie, ha condotto uno studio che ha riscontrato una brusca rottura nelle caratteristiche del meccanismo di trasporto di sabbia e limo nei letti dei fiumi. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Il materiale relativamente grossolano è associato a grandi dune di sabbia che rendono ruvidi i letti dei fiumi e forniscono un attrito che limita la quantità di energia disponibile per spostare i sedimenti, Egli ha detto.
Ma limo e sabbia finissima, trasportato tramite sospensione, costruire a lungo, dune basse che riducono l'energia consumata per attrito e facilitano elevate velocità di trasporto dei sedimenti. "La sospensione diretta consente di utilizzare più energia del flusso nel trasporto del materiale sedimentario, ", ha detto Nittrouer.
Il flusso di sedimenti altera le coste, delta e il corso dei fiumi stessi. "La nostra capacità di prevedere come si muovono i sedimenti a grana fine in ambienti diversi è stata molto limitata, "Ma ha detto. "Sostanzialmente abbiamo deciso di semplificare l'intero sistema."
Ha affermato che gli algoritmi precedenti fornivano soluzioni patchwork che si applicavano a grandi particelle di sabbia o limo, ma non tenevano conto di quella che si presumeva fosse una transizione graduale da un mezzo di trasporto all'altro. "Siamo rimasti sorpresi di scoprire che non c'è una transizione continua tra loro, " ha detto. "Si scopre che a un certo punto, passano improvvisamente in un altro stato".
Ma ha costruito l'algoritmo di trasporto universale dopo aver considerato quasi 2, 000 serie di dati sul trasporto di sedimenti da diversi decenni di ricerche pubblicate, insieme alle osservazioni della sua squadra, in particolare attraverso uno studio sostenuto dalla National Science Foundation sul fiume Giallo cinese (noto anche come fiume Huanghe).
"Hongbo ha essenzialmente preso un grande database e lo ha usato per mettere a terra un nuovo algoritmo che consente uno spettro di granulometrie, " Ha detto Nittrouer. "Ci permette di fare previsioni su quanto e dove sabbia o limo dovrebbero muoversi sotto l'influenza di determinati ambienti e condizioni al contorno.
Circa un miliardo di tonnellate di sedimenti fluiscono ogni anno nel delta del Fiume Giallo cinese. Il fiume è stato studiato da vicino dagli scienziati della Rice University e dai loro colleghi, che ha trovato un algoritmo di trasporto universale per spiegare che la dimensione delle particelle esercita un grande controllo su come si muove il sedimento, indipendentemente dalla portata del fiume. Credito:Wikipedia Commons
"Ciò ha molto a che fare con il modo in cui comprendiamo il movimento del materiale sulla Terra, come esemplificato da fiumi a grana fine come il Fiume Giallo, " Egli ha detto.
Il Fiume Giallo è noto per inviare circa un miliardo di tonnellate di sedimenti ogni anno verso il mare. Il laboratorio Rice ha già utilizzato il suo nuovo algoritmo per prevedere i cambiamenti nel delta del Fiume Giallo, i cui risultati appaiono in un recente articolo condotto dallo studente laureato Andrew Moodie, anche co-autore del nuovo studio.
Nittrouer ha suggerito che l'algoritmo potrebbe avere un'ampia applicazione sulla Terra e oltre.
"Se vogliamo capire quanto materiale si sta muovendo su un pianeta come Marte o la struttura del sistema che ha trasportato quel materiale, le dimensioni del canale, il letto si forma nei canali:possiamo usare la modellazione inversa per determinare come erano le condizioni di trasporto in passato, " ha detto. "Questo si lega intimamente alle condizioni ambientali che erano presenti all'interno di quella regione in un dato momento".
Ha notato che il confine sorprendente può riflettere forze ancora più grandi al lavoro in natura. "Puoi spingere la natura così a lungo e poi, una volta varcata qualche soglia, iniziano a verificarsi grandi cambiamenti, " ha detto. "La gente sta cercando di capire dove esistono queste soglie in termini di perturbazioni climatiche e cambiamenti climatici.
"Quindi questo è un esempio dimostrabile di una soglia in natura, un piccolo cambiamento che può provocarne di grandi, " Egli ha detto.
