Реки — артерии Земли
Вода, отложения и питательные вещества самоорганизуются в разнообразные динамические русла, путешествуя от гор к морю. Некоторые реки протаптывают единственный путь, в то время как другие разделяются на множество переплетённых потоков. Эти особенности русел формируют риски наводнений, эрозионные опасности и экосистемные услуги для более чем трёх миллиардов человек, живущих вдоль речных коридоров по всему миру.
Почему некоторые водные пути образуют одиночные русла, а другие разделяются на множество потоков?
Этот вопрос озадачивал исследователей более века. Географы из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре недавно нанесли на карту динамику потоков вдоль 84 рек с помощью 36 лет глобальных спутниковых снимков, чтобы определить, что определяет этот аспект поведения рек.
«Мы обнаружили, что реки будут формировать несколько каналов, если они размывают свои берега быстрее, чем откладывают отложения на противоположных берегах. Это приводит к тому, что канал расширяется и разделяется со временем», — сказал ведущий автор Остин Чедвик, который проводил это исследование в качестве постдокторанта в UCSB.
Результаты, опубликованные в журнале Science, решают давнюю проблему в науке о реках. Они также дают представление о природных опасностях и усилиях по восстановлению рек.
Учёные-землеведы давно разделили реки на одноканальные и многоканальные категории и обычно исследуют их отдельно. Хотя ни один из типов явно не преобладает над другим, большинство крупнейших рек мира имеют многоканальное русло. Заметным исключением является одноканальная река Миссисипи в Соединённых Штатах, где проводилось много исследований рек.
Большинство полевых исследований были сосредоточены на одноканальных реках, отчасти потому, что они проще. Тем временем экспериментальная работа была сосредоточена на многоканальных реках из-за трудностей с воссозданием одноканальных русел в лабораторных экспериментах с использованием резервуаров.
Остин Чедвик получил вдохновение для этого исследования, работая над одним из таких экспериментов в лаборатории при водопаде Святого Антония в Университете Миннесоты. Изучая многоканальные реки в лаборатории, он заметил, что они постоянно расширяются и разделяются.
«Я бился головой о стену, потому что постоянно измерял больше эрозии, чем отложения. И это было не то, чему нас учат в школе», — вспоминал он. «Это привело меня к чтению старых книг из армейского корпуса и других источников о примерах, когда эрозия берегов преобладала над отложением».
В итоге он заинтересовался, происходит ли это в природе.
Команда использовала данные Landsat, хранящиеся в репозитории Google Earth Engine, сосредоточив внимание на 84 реках в разных регионах земного шара. Они отслеживали эрозию и осаждение на берегах каждой реки с помощью алгоритма обработки изображений, называемого визуометрией частиц. Авторы адаптировали этот алгоритм — изначально разработанный для отслеживания движения частиц на лабораторных фотографиях жидкости — для отслеживания положения канала на спутниковых снимках их пойм.
В одноканальных реках эрозия и осаждение уравновешены. В результате ширина канала остаётся постоянной, что позволяет этим рекам изгибаться и образовывать широкие извилистые пути по ландшафту. Напротив, в многоканальных реках эрозия берегов опережает осаждение, что приводит к расширению данного канала со временем, пока он не разделится на два. В результате многоканальные реки перетасовывают свои каналы, прежде чем они смогут слишком далеко отклониться от поймы.
Каждый из этих процессов происходит, пока река находится в устойчивом состоянии (не растёт и не сокращается).
«Это не значит, что многоканальные реки в среднем получают больше воды. Они по-прежнему переносят одинаковое количество воды с течением времени, но они делают это, постоянно меняя размер отдельных потоков», — объяснил старший автор Вамси Ганти, доцент кафедры географии в UCSB.
Когда авторы говорят, что эрозия превышает осаждение, они имеют в виду берега реки. Для многоканальных рек дополнительный осадок, размытый с берегов, повторно откладывается на дне реки, в конечном итоге образуя острова и бары, которые разделяют различные каналы.
Исследователи подсчитали несколько исключений из тенденции эрозии-осаждения, но обнаружили, что каждое из них совпало с очевидными изменениями в водосборном бассейне, которые вывели реку из естественного устойчивого состояния. Например, река Сан-Франциско в Бразилии не демонстрировала избыточной эрозии, как другие многоканальные реки, потому что река сокращалась в ответ на плотины в её верховьях и забор воды для орошения.
«Вопрос о том, что заставляет реку быть одноканальной или многоканальной, почти так же стар, как и область геоморфологии», — сказал Ганти.
Обычно географы понимали динамику рек с точки зрения множества переменных, включая уклон вниз по течению, скорость потока воды, тип отложений и устойчивость берегов. Новая модель объясняет тип реки исключительно с точки зрения баланса между осаждением и эрозией. Различные географические факторы влияют на этот баланс, объясняя, почему определённые среды имеют тенденцию благоприятствовать определённым типам рек.