Vi vet mindre om marken under våra fötter än om Mars yta, men ny forskning från geoforskare vid University of Colorado Boulder lyser upp denna dolda värld från toppar till dalbottnar och visar hur nederbörden formar den del av vår planet som ligger precis bortom där vi kan se.

Jorden är populärt känd som "den tredje klippan från solen, Ändå är hård sten sällsynt vid markytan. Forskare har kallat växtligheten, jord och vattenlagrande skräp som döljer jordens steniga inre från den "kritiska zonen". Namnet hedrar det faktum att denna zon samtidigt är livsviktig och är formad av levande organismer. Karaktären hos den kritiska zonen – särskilt dess djup – styr hur grundvatten lagras och släpps ut i bäckar.

Grundvatten tillhandahåller vattenförsörjningen som är livsnerven för jordbruket och industrin i landet, och faktiskt runt om i världen. Men grundvattnet i sig är inte passivt. Den reagerar med berget längs dess väg, och därigenom både omvandlar berget kemiskt och tar upp lösta mineraler och näringsämnen.

Forskarna inspirerades att studera de grundläggande skillnaderna mellan två National Science Foundation-stödda Critical Zone Observatories (CZOs). I Boulder Creek CZO i Colorado Front Range, färsk sten kan hittas under ett tunt lager av jord och bruten sten som jämnt täcker sluttningar. I Calhoun CZO i South Carolina piemonte, färsk sten är långt under ytan, och den kritiska zonen böljar tjockt under åskrön och tunnar under dalbottnar. Och jordarna i Colorado är gråbruna och steniga, i motsats till de röda lerorna i South Carolina.

CU Boulder-forskarna försökte förstå varför denna livsuppehållande och vattenlagrande markfilt och den underliggande väderbitna stenen varierar så mycket från en plats till en annan. Medförfattare inkluderade den framstående professor Robert S. Anderson vid CU Boulders institution för geologiska vetenskaper, Presidentens lärarforskare professor Harihar Rajaram vid CU Boulders avdelning för civil, Miljö, och arkitekturteknik, och professor Suzanne P. Anderson vid CU Boulders institution för geografi.

"Vårt mål var att skapa en modell för att förklara varför dessa skillnader uppstår, sa Suzanne Anderson.

Forskarna fokuserade på en av de mest uppenbara skillnaderna mellan de två platserna:vädret. De byggde en numerisk modell för att testa om den mycket större nederbörden i sydost kunde förklara de stora skillnaderna i vittringsdjupet. I modellen, regnvatten spåras när det sipprar genom landskapet, och får stenmineraler att vittra ut (eller omvandlas) till lera. Eftersom vittringsprocesser är långsamma, det var nödvändigt att även inkludera jordbildning och erosion.

"Vitring av berggrunden kan vara den viktigaste geologiska processen, eftersom det producerar den jord vi är beroende av för vår existens, säger Richard Yuretich, chef för NSF Critical Zone Observatories-programmet, som finansierade forskningen.

Resultaten, publiceras idag i ett specialnummer av tidskriften Hydrologiska processer ägnas åt vattnets roll i den kritiska zonen, visa att en grund kritisk zon av Colorado-typ bildas under torra förhållanden, medan en tjock, böljande kritiska zoner av South Carolina-typ bildas i våta förhållanden.

Med andra ord, modellen lyckas förklara de drastiska skillnaderna i dessa landskap. Systemets uppkoppling fängslade forskargruppen.

"Det är fascinerande hur enkla mönster i kritisk zontjocklek reagerar på klimatet, till erosion, och utan tvekan till processer som vi inte har övervägt ännu, sa Suzanne Anderson, som också är fellow vid CU Boulders Institute of Arctic and Alpine Research (INSTAAR). "Att kunna förutsäga dessa vädermönster gör att vi kan förstå saker vi bryr oss om, från vattenförsörjning till att upprätthålla friska jordar."

"Markresurser är värdefulla, sa Robert Andersson, också en INSTAAR-stipendiat. "En av aspekterna av landskapet som vi var tvungna att ta till oss i denna modellansträngning är att det tar tusentals år att generera den jord vi har. Om den skrapas bort eller missbrukas, det kommer inte att ersättas i mänskliga tidsskalor. Misskötsel innebär att du aldrig kommer att få tillbaka det."

"Men för mig", han sa, "det är intressant nog, och tillräckligt tillfredsställande, för att förklara varför du kan gräva en grop 20 fot djup med en spade i South Carolina, och måste tillgripa en hacka inom 2 fot i Colorado. Allt handlar om vädret."