Rice University postdoktoral forskare Hongbo Ma håller sand från Mississippifloden, vänster, och silt från Kinas Yellow River. Ma ledde en studie som visade hur partikelstorleken styr hur sediment rör sig i flödande floder förändras dramatiskt när kornen är cirka 150 mikron stora. Upphovsman:Rice University
Floden kan rasa eller försiktigt rulla, men i slutändan kommer sanden och siltet att ha sin väg.
Rice University Jordforskare och deras kollegor har definierat en överraskande brytpunkt vid vilken kornstorleken på flodbäddssediment utövar extraordinär kontroll över hur mycket material som kommer att transporteras nedströms, närande deltor och kustlinjer.
Nytt arbete som leds av Rice kustgeolog Jeff Nittrouer och postdoktor Hongbo Ma sätter fokus på decennier av experiment och fältobservationer genom att visa att sand och silt plötsligt flyttas från ett transportmedel till ett annat.
Kortfattat, några sedimentkorn större än cirka 150 mikron (betraktas som fin sand) rör sig längs flodbädden och vissa hänger i strömmen. Finare korn lyfts helt in i det rinnande vattnet och rör sig mycket snabbare mot flodens mynning. Där, de kan snabbt förändra landskapet och generera deltor samtidigt som de förser kusten med sediment.
Forskarna blev förvånade över att finna att kornstorleken dominerar transportsättet oavsett hur snabbt floden rinner, enligt deras rapport i Förfaranden från National Academy of Sciences , som vann årets "Best Paper Award" från International Association of Chinese Youth in Water Science.
"De flesta tittar på silt och på sand och säger att dessa saker ligger väldigt nära varandra, "Nittrouer sa." Men verkligheten är att det finns småskaliga skillnader mellan de två som erbjuder enorma förändringar i mängden flyttat material. Vi anser ofta att världen är en linjär plats, men om du ändrar kornstorlek med bara en liten bråkdel, du ändrar plötsligt volymen av material som transporteras 10- till 20-faldigt. "
Rice University forskare Hongbo Ma, vänster, och Jeffrey Nittrouer, en biträdande professor i jorden, miljö- och planetvetenskap, ledde en studie som fann ett kraftigt avbrott i transportmekanismens egenskaper hos sand och silt i flodbäddar. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Relativt grovt material associeras med stora sanddyner som gör flodbotten grova och ger friktion som begränsar mängden energi som är tillgänglig för att flytta sediment, han sa.
Men silt och mycket fin sand, transporteras via upphängning, bygg länge, låga sanddyner som minskar energiförbrukningen genom friktion och underlättar höga sedimenttransporthastigheter. "Direkt suspension gör att mer av flödets energi kan utnyttjas vid transport av sedimentmaterialet, "Sa Nittrouer.
Sedimentflödet ändrar kustlinjer, delta och själva flodernas lopp. "Vår förmåga att förutsäga hur finkornigt sediment rör sig i olika miljöer har varit mycket begränsad, "Sa Ma." Vi ville i princip förenkla hela systemet. "
Han sa att tidigare algoritmer gav patchwork -lösningar som gällde antingen stora sandpartiklar eller silt men inte stod för vad som antogs vara en gradvis övergång från ett transportmedel till det andra. "Vi blev förvånade över att finna att det inte finns någon kontinuerlig övergång mellan dem, "sa han." Det visar sig att vid en viss tidpunkt, de övergår plötsligt till en annan stat. "
Ma byggde den universella transportalgoritmen efter att ha övervägt nästan 2, 000 uppsättningar sedimenttransportdata från flera decennier av publicerad forskning, tillsammans med hans teams egna observationer, särskilt genom en National Science Foundation-stödd studie av Kinas Yellow River (aka Huanghe River).
"Hongbo har i huvudsak tagit en stor databas och använt den för att grunda en ny algoritm som möjliggör ett spektrum av kornstorlekar, "Nittrouer sa." Det låter oss göra förutsägelser om hur mycket och var sand eller silt ska röra sig under påverkan av givna miljöer och gränsförhållanden.
Ungefär en miljard ton sediment flödar till deltaet i Kinas Yellow River varje år. Floden studerades noga av forskare från Rice University och deras kollegor, som hittade en universell transportalgoritm för att förklara att partikelstorlek har stor kontroll över hur sediment rör sig, oavsett flodens flöde. Upphovsman:Wikipedia Commons
"Det har stor betydelse för hur vi förstår materialets rörelse på jorden, som exemplifierat av finkorniga floder som Yellow River, " han sa.
Den gula floden är känd för att sända cirka en miljard ton sediment varje år mot havet. Rislabbet har redan använt sin nya algoritm för att förutsäga förändringar i Yellow River -deltaet, vars resultat visas i en nyligen publicerad uppsats som leds av doktoranden Andrew Moodie, också medförfattare till den nya studien.
Nittrouer föreslog att algoritmen kunde ha bred tillämpning på jorden och därefter.
"Om vi vill förstå hur mycket material som rör sig på en planet som Mars eller strukturen i systemet som transporterade det materialet - kanaldimensionerna, sängen formar sig i kanalerna - vi kan använda omvänd modellering för att avgöra hur transportförhållandena var tidigare. "sa han." Det hänger nära samman med de miljöförhållanden som fanns inom den regionen vid en viss tidpunkt. "
Han noterade att den överraskande gränsen kan återspegla ännu större krafter som arbetar i naturen. "Du kan driva naturen så länge och sedan, när du har passerat någon tröskel, stora förändringar börjar hända, "sa han." Folk försöker ta reda på var dessa trösklar finns när det gäller klimatstörningar och klimatförändringar.
"Så detta är ett påvisbart exempel på en tröskel i naturen, en liten förändring som kan provocera stora, " han sa.
