Rio Kvirila em Sachkhere, Geórgia. Crédito:Wikipedia
Existem mais de 1 milhão de bacias hidrográficas esculpidas na topografia dos Estados Unidos, cada um coletando água da chuva para alimentar os rios que os cortam. Algumas bacias são tão pequenas quanto riachos individuais, enquanto outros abrangem quase metade do continente, abrangente, por exemplo, toda a rede do rio Mississippi.
As bacias hidrográficas também variam em forma, que, como os cientistas do MIT agora relatam, é fortemente influenciado pelo clima em que se formam. A equipe descobriu que em regiões secas do país, bacias hidrográficas assumem um contorno longo e estreito, independentemente do seu tamanho. Em ambientes mais úmidos, as bacias dos rios variam:bacias maiores, na escala de centenas de quilômetros, são longos e finos, enquanto bacias menores, abrangendo alguns quilômetros, são visivelmente curtos e atarracados.
A diferença, eles encontraram, resume-se à disponibilidade local de água subterrânea. Em geral, as bacias dos rios são moldadas pela chuva, que corrói a terra à medida que deságua em um rio ou riacho. Em ambientes úmidos, uma grande fração da chuva penetra na Terra, criando um lençol freático, ou um reservatório local de água subterrânea. Quando a água subterrânea vaza de volta, também pode cortar em uma bacia, ainda mais corroendo e mudando sua forma.
Os pesquisadores descobriram que bacias menores que são formadas em climas úmidos são fortemente moldadas pela água subterrânea local, que atua para cortar mais curto, bacias mais largas. Para bacias muito maiores que cobrem uma área geográfica mais extensa, a disponibilidade de água subterrânea pode ser menos consistente, e, portanto, desempenha um papel menor no formato de uma bacia.
Os resultados, publicado hoje no Anais da Royal Society A , pode ajudar os pesquisadores a identificar climas antigos em que as bacias se formaram originalmente, tanto na Terra como fora dela.
“É a primeira vez que a forma das redes fluviais é relacionada ao clima, "diz Daniel Rothman, professor de geofísica no Departamento da Terra do MIT, Atmosférico, e Ciências Planetárias, e co-diretor do Lorentz Center do MIT. "Trabalhos como este podem ajudar os cientistas a inferir o tipo de clima que estava presente quando as redes de rios foram inicialmente incisadas."
Os co-autores de Rothman são o primeiro autor e ex-aluno de graduação Robert Yi, ex-aluno visitante de graduação Álvaro Arredondo, estudante de graduação Eric Stansifer, e o ex-pós-doutorado Hansjörg Seybold da ETH Zurich.
Uma conexão climática
Em trabalho anterior publicado em 2012, Rothman e seus colegas identificaram uma conexão surpreendentemente universal entre as águas subterrâneas e a forma como os rios se dividem, ou filial. A equipe formulou um modelo matemático para descobrir que, em regiões onde a erosão é causada principalmente pela infiltração de água subterrânea, os rios se ramificam em um ângulo comum de 72 graus. No trabalho de acompanhamento, eles descobriram que este ângulo de ramificação comum se mantinha em ambientes úmidos, mas em regiões mais secas, os rios tendem a se dividir em ângulos mais estreitos de cerca de 45 graus.
"Redes de rios formam essas belas estruturas ramificadas, e trabalhos anteriores ajudaram a explicar os ângulos em que os rios se unem para formar essas estruturas, "Yi diz." Mas cada rio também está intimamente conectado a uma bacia, que é a área de terra de onde drena a água da chuva. Portanto, suspeitamos que as formas dos bains poderiam conter algumas curiosidades geométricas semelhantes. "
A equipe decidiu encontrar um padrão universal semelhante na forma de bacias hidrográficas. Para fazer isso, eles acessaram conjuntos de dados contendo mapas detalhados de todos os rios e bacias nos Estados Unidos contíguos - mais de 1 milhão no total - juntamente com conjuntos de dados contendo dois parâmetros climáticos para cada região do país:taxa de precipitação e evapotranspiração potencial, ou a taxa na qual a água superficial evaporaria se estivesse presente.
Os conjuntos de dados continham estimativas da área de cada bacia hidrográfica, que os pesquisadores combinaram com o comprimento do rio de cada bacia para calcular a largura de uma bacia. Eles então anotaram para cada bacia, uma relação de aspecto - a relação entre o comprimento e a largura de uma bacia, que dá uma ideia da forma geral de uma bacia. Eles também calcularam o índice de aridez de cada bacia - a razão entre a taxa de precipitação regional e a evapotranspiração potencial - que indica se a bacia reside em um ambiente úmido ou seco.
Quando eles traçaram a proporção de aspecto de cada bacia em relação ao índice de aridez local, eles encontraram uma tendência interessante:bacias em climas secos, independentemente do tamanho, demorou muito, formas finas, assim como grandes bacias em ambientes úmidos. Contudo, bacias menores em regiões igualmente úmidas pareciam significativamente mais largas e mais curtas.
"Descobrimos que as bacias áridas mantinham sua forma com o tamanho, mas as bacias úmidas ficavam mais estreitas à medida que cresciam, "Yi diz." Isso nos confundiu por muito tempo. "
Respostas no solo
Os pesquisadores suspeitaram que a dicotomia entre as formas do tipo seco e úmido resultou de suas observações anteriores de rios ramificados:Em climas úmidos, a água subterrânea desempenha um papel adicional para a chuva na criação de ramos mais largos de um rio, em comparação com climas mais secos. Eles raciocinaram que as águas subterrâneas podem desempenhar um papel semelhante no alargamento da bacia de um rio.
Para verificar sua hipótese, eles olharam para as características da geologia de cada bacia, como os tipos de rocha e solo subjacentes à bacia, e a profundidade em que as águas subterrâneas podem penetrar. Em geral, eles descobriram que em climas mais secos, qualquer água da chuva que vazasse para o solo pingaria bem abaixo da superfície, como um líquido correndo por uma almofada de Brillo. Qualquer reservatório resultante, ou lençol freático, seria muito profundo para que as águas subterrâneas voltassem à superfície.
Em contraste, em ambientes mais úmidos, a água tem maior probabilidade de saturar o solo, como água da torneira ensopando uma esponja úmida. Nestes climas, a água se infiltraria no solo, criando grandes lençóis freáticos próximos à superfície.
A equipe então calculou até que ponto os locais dos riachos correspondiam aos locais onde emergiam as águas subterrâneas. Eles encontraram uma correspondência maior onde havia mais água subterrânea vazando ao redor das bacias dos rios em climas úmidos, versus em climas mais secos. Isso sugere que a água subterrânea desempenha um papel maior na escavação de bacias úmidas, criando mais amplo, mais formas agachadas, em contraste com o mais longo, formas mais delgadas de bacias hidrográficas de clima seco.
Este efeito da água subterrânea pode ser especialmente pronunciado em menores, escalas mais locais ao longo de vários quilômetros. Em escalas muito maiores, abrangendo quase metade do continente, o grupo encontrou bacias hidrográficas, mesmo em ambientes úmidos, demorou muito, contornos finos, que pode ser atribuído ao fato de que, sobre uma área tão vasta, a interação entre as águas subterrâneas e a estrutura em grande escala das redes fluviais é relativamente fraca.
"Nosso jornal estabelece um novo, conexão em grande escala entre hidrogeologia e geomorfologia, "Rothman diz." Também representa uma aplicação incomum da física da formação de padrões. … Tudo isso acaba por estar conectado com a geometria fractal. Assim, em certo sentido, estamos encontrando uma conexão surpreendente entre o clima e a geometria fractal das redes de rios. "