Det finns mer än 1 miljon flodbassänger inristade i topografin i USA, var och en samlar regnvatten för att mata floderna som skär igenom dem. Vissa bassänger är lika små som enskilda vattendrag, medan andra spänner över nästan halva kontinenten, omfattar, till exempel, hela Mississippiflodnätverket.

Flodområden varierar också i form, som, som MIT-forskare nu rapporterar, påverkas starkt av klimatet där de bildas. Teamet fann att i torra områden i landet, flodområden får en lång och tunn kontur, oavsett deras storlek. I fuktigare miljöer, flodområden varierar:Större bassänger, på en skala av hundratals kilometer, är långa och tunna, medan mindre bassänger, spänner över några kilometer, är märkbart korta och knäböjda.

Skillnaden, de hittade, kokar ner till den lokala tillgången på grundvatten. I allmänhet, flodområden formas av nederbörd, som eroderar landet när det rinner ner i en flod eller bäck. I fuktiga miljöer, en stor del av nederbörden sipprar in i jorden, skapa ett vattenbord, eller en lokal reservoar av grundvatten. När grundvattnet sipprar ut igen, det kan också skäras i ett bassäng, ytterligare erodera och förändra dess form.

Forskarna fann att mindre bassänger som bildas i fuktigt klimat är kraftigt formade av det lokala grundvattnet, som verkar för att skära ut kortare, bredare bassänger. För mycket större bassänger som täcker ett mer expansivt geografiskt område, tillgången på grundvatten kan vara mindre konsekvent, och spelar därför mindre roll i en bassängs form.

Resultaten, publicerad idag i Proceedings of the Royal Society A , kan hjälpa forskare att identifiera forntida klimat där bassänger ursprungligen bildades, både på jorden och bortom.

"Det här är första gången som formen på flodnätverk har relaterats till klimatet, säger Daniel Rothman, professor i geofysik vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärisk, och planetära vetenskaper, och meddirektör för MIT:s Lorentz Center. "Sådant arbete kan hjälpa forskare att sluta sig till vilken typ av klimat som fanns när flodnäten först snittades."

Rothmans medförfattare är första författare och tidigare doktorand Robert Yi, tidigare besökande doktorand Álvaro Arredondo, doktorand Eric Stansifer, och tidigare postdoc Hansjörg Seybold från ETH Zürich.

En klimatkoppling

I tidigare arbeten som publicerades 2012, Rothman och hans kollegor identifierade ett förvånansvärt universellt samband mellan grundvatten och det sätt på vilket floder delar sig, eller gren. Teamet formulerade en matematisk modell för att upptäcka att, i områden där erosion främst orsakas av läckage av grundvatten, floder förgrenar sig i en gemensam vinkel på 72 grader. I uppföljningsarbetet, de fann att denna vanliga förgreningsvinkel höll sig i fuktiga miljöer, men i torrare områden, floder tenderade att dela sig i smalare vinklar på cirka 45 grader.

"Flodnätverk bildar dessa vackra grenade strukturer, och tidigare arbete har hjälpt till att förklara vinklarna vid vilka floder går samman för att bilda dessa strukturer, " säger Yi. "Men varje flod är också intimt förbunden med en bassäng, vilket är det landområde som det dränerar regnvatten från. Så vi misstänkte att formen på bains kunde innehålla några liknande geometriska kuriosa. "

Teamet försökte hitta ett liknande universellt mönster i form av flodbassänger. Att göra detta, de fick tillgång till datauppsättningar som innehöll detaljerade kartor över alla floder och bassänger i det angränsande USA – mer än 1 miljon totalt – tillsammans med datauppsättningar som innehåller två klimatparametrar för varje region i landet:nederbördshastighet och potentiell evapotranspiration, eller den hastighet med vilken ytvatten skulle avdunsta om det fanns.

Datauppsättningarna innehöll uppskattningar av varje flodbassängs område, som forskarna kombinerade med längden på varje bassängs flod för att beräkna en bassängs bredd. De noterade sedan för varje bassäng, ett bildförhållande – förhållandet mellan en bassängs längd och bredd, vilket ger en uppfattning om en bassängs övergripande form. De beräknade också varje bassängs torrhetsindex - förhållandet mellan den regionala nederbördshastigheten och potentiell evapotranspiration - vilket indikerar om bassängen ligger i en fuktig eller torr miljö.

När de ritade upp varje bassängs bildförhållande mot det lokala torrhetsindexet, de hittade en intressant trend:Bassänger i torra klimat, oavsett storlek, tog lång tid, tunna former, liksom stora bassänger i fuktiga miljöer. Dock, mindre bassänger i liknande fuktiga områden såg betydligt bredare och kortare ut.

"Vi fann att torra bassänger ungefär behöll sin form med storleken, men fuktiga bassänger blev smalare när de blev större, " säger Yi. "Det förvirrade oss länge."

Svar i marken

Forskarna misstänkte att dikotomin mellan former av torr och fuktig typ härstammade från deras tidigare observationer av förgrenade floder:I fuktiga klimat, grundvatten spelar en ytterligare roll till nederbörden för att skapa bredare grenar av en flod, jämfört med i torrare klimat. De resonerade att grundvatten kan spela en liknande roll för att bredda en flods bassäng.

För att kontrollera deras hypotes, de tittade på egenskaperna hos varje bassängs geologi, såsom de typer av sten och jord som ligger under bassängen, och till vilket djup grundvattnet kan tränga in. I allmänhet, de fann att i torrare klimat, allt regnvatten som sipprade ner i marken skulle dricka djupt under ytan, som vätska som rinner genom en Brillo-kudde. Varje resulterande reservoar, eller vattenytan, skulle vara för djupt för att grundvattnet skulle komma upp till ytan igen.

I kontrast, i fuktigare miljöer, vatten är mer benägna att mätta jorden, som kranvatten som blötlägger en fuktig svamp. I dessa klimat, vatten skulle sippra ner i marken, skapa stora vattenbord nära ytan.

Teamet beräknade sedan i vilken utsträckning bäcklägen motsvarade platser där grundvatten kom fram. De hittade en större överensstämmelse där det fanns mer grundvatten som sipprade ut runt flodbassänger i fuktigt klimat, kontra i torrare klimat. Detta tyder på att grundvattnet spelar en större roll för att skära ut fuktiga bassänger, skapa bredare, fler knäböjsformer, i motsats till den längre, tunnare former av torrklimat flodbassänger.

Denna grundvatteneffekt kan vara särskilt uttalad vid mindre, mer lokala skalor över flera kilometer. I mycket större skala, som spänner över nästan halva kontinenten, gruppen hittade flodbassänger, även i fuktiga miljöer, tog lång tid, tunna konturer, vilket kan hänföras till det faktum att över ett så stort område, samspelet mellan grundvatten och flodnätens storskaliga struktur är relativt svag.

"Vår tidning skapar ett nytt, storskalig koppling mellan hydrogeologi och geomorfologi, " säger Rothman. "Det representerar också en ovanlig tillämpning av mönsterbildningens fysik. … Allt detta visar sig vara kopplat till fraktal geometri. På så sätt finner vi i någon mening ett överraskande samband mellan klimatet och flodnätverkens fraktala geometri."