För mer än 500 år sedan, Leonardo da Vinci skissade vad han kallade "la turbolenza, " att jämföra kaotiska virvlar ovanpå strömmande vatten med lockigt människohår. Det visar sig att dessa mönster påverkar otaliga fenomen, från draget på ett flygplans vingar och bildandet av Jupiters röda fläck till prasslet av trädlöv.

Nya resultat kommer att publiceras i tidskriften på fredag Vetenskap lägg till ytterligare en till listan:utrotning av en genomträngande förorening av gödningsmedel från vattendrag.

"Vi kan nu beräkna en turbulens"hastighetsgräns" för nitratavlägsnande i vilken ström som helst, " sa huvudförfattaren Stanley Grant, professor i civil- och miljöteknik vid University of California, Irvine. "Det betyder att vi kan ge specifik vägledning om hur man skräddarsyr restaureringsinsatser för att maximera borttagningen och skydda ekosystemen nedströms."

Forskare har länge vetat att nitrathaltiga gödselmedel rinner av från gårdar och stadsgator till vattendrag, ibland skapar gigantiska "döda zoner" hundratals mil nedströms. Den rådande uppfattningen har varit att hungriga alger och bakterier i bottensedimentet styr hur snabbt nitrat kan avlägsnas.

Men ett internationellt team av forskare trodde att fysiken också kunde spela en roll. Kärnande vatten fungerar som en sorts rulltrappa, virvlande molekyler av föroreningen ner till bäckar i ett mönster som är en vertikal version av Leonardos skisser för länge sedan.

Forskarna ville veta hur den åtgärden påverkar elimineringen av föroreningen. De beräknade den maximala hastigheten - eller hastighetsgränsen - vid vilken turbulens flyttar nitrat till sedimentet och jämförde det med tidigare publicerade mätningar av nitratavlägsnande i 72 strömmar över hela USA.

"Svaret beror på hur förorenad strömmen är, " sa medförfattaren Perran Cook, en docent i kemi vid Monash University i Australien. "I orörda bäckar, hastigheten med vilken turbulens transporterar nitratet styr hur snabbt det tas bort. I förorenade vattendrag, den rådande uppfattningen är korrekt:Processer i sedimentet vinner dagen." I en ren ström, nitratet tas bort när algerna och bakterierna i sedimentet suger upp det, eller, ännu bättre, omvandla den till en ofarlig gasförening.

"Det är en gigantisk gåva. Bäckar tar bort mycket av nitratet vi kastar på dem, så det har funnits ett stort intresse för att förstå hur denna process fungerar och hur den kan göras mer effektiv, " sa medförfattaren Fulvio Boano, en docent i hydraulik vid Italiens Politecnico di Torino.

Men processen kan bli överväldigad när för mycket av föroreningen pumpas ut i en vattenväg, låter nitrat flöda till kustvatten. Väl där, det kan stimulera algtillväxt, tömma syre, och leda till bildandet av gigantiska karga områden nedströms, som området i Connecticut-storlek vid Mississippiflödet i Mexikanska golfen.

Studieresultaten har viktiga konsekvenser för att hantera nitratföroreningar nära källan, innan det rinner till känsliga ekosystem.

"Samma beräkningar kan inkluderas i strömnätsmodeller, vilket skulle göra det möjligt för forskare att bättre kvantifiera effekterna av nitratföroreningar på lokala, kontinentala och till och med globala skalor, " sa medförfattaren Morvarid Azizian, en postdoktor i civil- och miljöteknik vid UCI.

"Det är en bild som skulle göra till och med Leonardo stolt, " tillade Grant.