Från Nilen till Mississippi och från Amazonas till Yangzi, den mänskliga civilisationen är oupplösligt kopplad till de stora floder längs vilka våra samhällen utvecklades. Men floder är muterbara, och fördelarna de ger kan snabbt bli katastrofer när dessa vattenvägar ändrar kurs.

Forskare arbetar med att förstå hur miljöförändringar förändrar floddynamiken. En ny studie i Förfaranden från National Academy of Sciences medförfattare av UC Santa Barbara geomorfolog Vamsi Ganti har beskrivit de faktorer som dikterar hur ofta floder hoppar kurs, eller avulse, och de effekter detta kommer att få på floddeltor. Resultaten lovar att hjälpa forskare och planerare att förbereda en framtid för havsnivåhöjning och förändrad markanvändning.

Deltas motverkar havsnivåhöjning genom att bygga upp sediment, som mestadels förekommer nära en flodkanal själv. Då och då, floden kommer att byta kurs genom en avulsion och börja bygga upp deltaet någon annanstans. "Så avulsioner är det sätt som floden sprider sitt sediment ut över hela landskapet, "sa författaren Austin Chadwick, en postdoktor vid University of Minnesota.

"Frågorna vi ställer är hur ofta ändrar floder naturligtvis sin kurs, " han fortsatte, "och hur kommer det att förändras med klimatförändringar och mänsklig inblandning."

Tyvärr, det har tidigare inte funnits enighet om hur floder reagerade på klimatförändringar. Vissa forskare trodde att avulsionshastigheten skulle öka när havsnivån stiger, medan andra förutspådde att de skulle minska. "Det fanns helt enkelt ingen enande teori för att förklara hur flodavulsionsfrekvensen är beroende av havsnivån, "Sa Ganti.

För att rätta till situationen, Ganti, Chadwick och deras medförfattare Michael Lamb of Caltech, kombinerade observationer från de geologiska och historiska uppgifterna med en matematisk modell av floddynamik. Genom att fokusera på denna specifika fråga, de syftade till att äntligen få definitiva svar och användbara förutsägelser.

Stora floder tenderar att plana ut och sakta ner när de närmar sig havet. Efter en viss punkt, havsnivåns nedströmsförhållanden börjar påverka flodens beteende i vad forskare kallar bakvattenhydrodynamik. "Detta är en dynamisk zon där avsättning och erosion sker i kustfloder, "Förklarade Ganti.

I en tidigare uppsats, laget hade visat att avulsioner förekommer inom denna bakvattenregion, som kan sträcka sig ganska långt inåt landet. Till exempel, bakvattenzonen i Mississippifloden når 500 kilometer från kusten. Djupare, plattare floder som Mississippi, som har större bakvattenregioner, har därför större deltor.

Forskarnas mål med denna studie var att tillämpa sin nyfunna förståelse för effekten av bakvattenhydrodynamik för att lära sig om frekvensen av avulsioner själva.

Med hjälp av modellen, och jämföra deras resultat med fältdata, teamet upptäckte att det finns tre sätt att delta kan svara på havsnivåhöjning, som beror på balansen mellan hastigheten för havsnivåförändringar och sedimentet från floden.

Den första:när en flod har mycket sediment och havsnivåhöjningen är relativt långsam. Enligt modellen, dessa floder är motståndskraftiga mot havsnivåhöjning, och deras avulsionshastigheter förblir stabila. Kinas Yellow River är ett exempel.

Det andra fallet uppstår när en flod har mindre sediment eller havsnivån stiger snabbare. I detta scenario, avulsioner blir vanligare. Det stigande havet främjar sedimentering, och när en kanal fylls till ett visst djup, floden kommer att hoppa sin kurs.

Och representerar det extrema, där havsnivåhöjningen överträffar flodens förmåga att deponera sediment, är det tredje fallet. När havet infiltrerar deltaet, floden når sin maximala avulsionshastighet, och hela systemet kommer att börja migrera inåt landet. Forskare hade inte känt till detta fall tidigare, och upptäckten av de tre regimerna tillsammans förklarar de tidigare inkonsekvenserna i den vetenskapliga litteraturen.

Forskarna lade in observationer och data i sin modell för att se om olika floddeltaer skulle bete sig annorlunda under förutsagda klimatförhållanden. "Svaret är ja, för de flesta av dem, "Chadwick sa." Många floder kommer att uppleva mer frekventa avulsioner och vissa floder kommer också att ha avulsioner längre inåt landet. "

River avulsions har enorma samhälleliga konsekvenser, med potential att orsaka ekonomisk och civil oro. Archaeologists believe that a course change of the Indus River in western India directly contributed to the decline of the Bronze Age Harappan civilization. På senare tid, avulsions led to the 1877 Yellow River flood and 1931 China floods, two of the deadliest natural disasters in modern history.

An avulsion could have dire consequences for rivers like the Mississippi, where a system called the Old River Control Structure has prevented the river from jumping course since 1963. If the backwater region migrated inland, the river could change course upstream from the facility and bypass it altogether. Millions of gallons of water per minute would course through previously dry land, while the downstream portion of the channel would go completely dry.

The authors have made their model available and accessible to anyone who might want to use it. They were even able to reduce several formulas into a single equation by implementing a few basic assumptions about river conditions and dynamics.

"Groups like the Army Corps of Engineers and the Department of the Interior can use this tool to apply to any delta, " said Chadwick. "And hopefully it will help inform our decisions in these places as we cope with climate change."