Hay más de 1 millón de cuencas fluviales talladas en la topografía de los Estados Unidos, cada una recolectando agua de lluvia para alimentar los ríos que las atraviesan. Algunas cuencas son tan pequeñas como arroyos individuales, mientras que otras abarcan casi la mitad del continente, abarcando,por ejemplo, toda la red del río Mississippi.
Las cuencas de los ríos también varían en forma, lo que, como informan ahora los científicos del MIT, está muy influenciado por el clima en el que se forman. El equipo descubrió que en las regiones secas del país, las cuencas de los ríos adquieren un contorno largo y delgado, independientementede su tamaño. En ambientes más húmedos, las cuencas de los ríos varían: las cuencas más grandes, en la escala de cientos de kilómetros, son largas y delgadas, mientras que las cuencas más pequeñas, que abarcan algunos kilómetros, son notablemente cortas y achaparradas.
La diferencia, encontraron, se reduce a la disponibilidad local de agua subterránea. En general, las cuencas de los ríos están formadas por la lluvia, que erosiona la tierra a medida que se drena hacia un río o arroyo. En ambientes húmedos, una gran fracción de la lluviase infiltra en la Tierra, creando una capa freática o un reservorio local de agua subterránea. Cuando el agua subterránea se filtra nuevamente, también puede cortar en una cuenca, erosionando y cambiando su forma.
Los investigadores encontraron que las cuencas más pequeñas que se forman en climas húmedos están fuertemente moldeadas por el agua subterránea local, que actúa para tallar cuencas más cortas y anchas. Para cuencas mucho más grandes que cubren un área geográfica más expansiva, la disponibilidad de agua subterránea puede sermenos consistente y, por lo tanto, juega un papel menor en la forma de una cuenca.
Los resultados, publicados hoy en el Actas de la Royal Society A , puede ayudar a los investigadores a identificar climas antiguos en los que originalmente se formaron cuencas, tanto en la Tierra como más allá.
"Esta es la primera vez que la forma de las redes fluviales se ha relacionado con el clima", dice Daniel Rothman, profesor de geofísica en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias del MIT y codirector del Centro Lorentz del MIT."Un trabajo como este puede ayudar a los científicos a inferir el tipo de clima que estaba presente cuando las redes de ríos fueron incisadas inicialmente".
Los coautores de Rothman son el primer autor y el ex alumno graduado Robert Yi, el ex alumno graduado visitante Álvaro Arredondo, el alumno graduado Eric Stansifer y el ex postdoc Hansjörg Seybold de ETH Zurich.
una conexión climática
En un trabajo anterior publicado en 2012, Rothman y sus colegas identificaron una conexión sorprendentemente universal entre el agua subterránea y la forma en que los ríos se dividen o ramifican. El equipo formuló un modelo matemático para descubrir que, en regiones donde la erosión es causada principalmente por elfiltración de agua subterránea, los ríos se ramifican en un ángulo común de 72 grados. En el trabajo de seguimiento, encontraron que este ángulo de ramificación común se mantenía en ambientes húmedos, pero en regiones más secas, los ríos tendían a dividirse en ángulos más estrechos de alrededor de 45 grados.
"Las redes fluviales forman estas hermosas estructuras ramificadas, y el trabajo previo ha ayudado a explicar los ángulos en los que los ríos se unen para formar estas estructuras", dice Yi. "Pero cada río también está íntimamente conectado a una cuenca, que es el área detierra de la que drena el agua de lluvia. Entonces sospechamos que las formas de los baños podrían contener algunas curiosidades geométricas similares ".
El equipo se propuso encontrar un patrón universal similar en forma de cuencas fluviales. Para hacer esto, accedieron a conjuntos de datos que contienen mapas detallados de todos los ríos y cuencas en los Estados Unidos contiguos, más de 1 millón en totaljunto con conjuntos de datos que contienen dos parámetros climáticos para cada región del país: tasa de precipitación y evapotranspiración potencial, o la tasa a la que el agua superficial se evaporaría si estuviera presente.
Los conjuntos de datos contenían estimaciones del área de cada cuenca fluvial, que los investigadores combinaron con la longitud del río de cada cuenca para calcular el ancho de una cuenca. Luego anotaron para cada cuenca, una relación de aspecto, la relación entre la longitud y el ancho de una cuenca,lo que da una idea de la forma general de una cuenca. También calcularon el índice de aridez de cada cuenca, la relación entre la tasa de precipitación regional y la evapotranspiración potencial, que indica si la cuenca reside en un ambiente húmedo o seco.
Cuando trazaron la relación de aspecto de cada cuenca contra el índice de aridez local, encontraron una tendencia interesante: las cuencas en climas secos, independientemente del tamaño, tomaron formas largas y delgadas, al igual que las cuencas grandes en ambientes húmedos. Sin embargo, las cuencas más pequeñas enregiones igualmente húmedas parecían significativamente más anchas y más cortas.
"Descubrimos que las cuencas áridas mantuvieron su forma con el tamaño, pero las cuencas húmedas se estrecharon a medida que crecían", dice Yi. "Eso nos confundió durante mucho tiempo".
Respuestas en el suelo
Los investigadores sospecharon que la dicotomía entre las formas de tipo seco y húmedo provienen de sus observaciones previas de ríos ramificados: en climas húmedos, el agua subterránea desempeña un papel adicional a la lluvia en la creación de ramas más anchas de los ríos, en comparación con los climas más secos.Razonaron que el agua subterránea puede desempeñar un papel similar en la ampliación de la cuenca de un río.
Para verificar su hipótesis, analizaron las características de la geología de cada cuenca, como los tipos de roca y suelo subyacentes a la cuenca, y la profundidad a la que podría penetrar el agua subterránea. En general, encontraron que en climas más secos, cualquier agua de lluvia queinfiltrado en el suelo gotearía profundamente debajo de la superficie, como el líquido que corre a través de una almohadilla Brillo. Cualquier depósito resultante, o capa freática, sería demasiado profundo para que el agua subterránea vuelva a la superficie.
En contraste, en ambientes más húmedos, es más probable que el agua sature el suelo, como el agua del grifo que empapa una esponja húmeda. En estos climas, el agua se filtraría en el suelo, creando grandes capas de agua cerca de la superficie.
Luego, el equipo calculó la medida en que las ubicaciones de los arroyos correspondían a las ubicaciones donde emergieron las aguas subterráneas. Encontraron una mayor correspondencia donde había más agua subterránea que se filtraba alrededor de las cuencas de los ríos en climas húmedos, en comparación con climas más secos. Esto sugiere que el agua subterránea juega un papel más grandepapel en tallar cuencas húmedas, creando formas más anchas y más achaparradas, en contraste con las formas más largas y delgadas de las cuencas fluviales de clima seco.
Este efecto de agua subterránea puede ser especialmente pronunciado en escalas más pequeñas y locales a lo largo de varios kilómetros. A escalas mucho más grandes, que abarcan casi la mitad del continente, el grupo encontró cuencas fluviales, incluso en ambientes húmedos, tomaron contornos largos y delgados, que puedenatribuirse al hecho de que, en un área tan vasta, la interacción entre el agua subterránea y la estructura a gran escala de las redes fluviales es relativamente débil.
"Nuestro artículo establece una nueva conexión a gran escala entre hidrogeología y geomorfología", dice Rothman. "También representa una aplicación inusual de la física de la formación de patrones ... Todo esto está relacionado con la geometría fractal.Así, en cierto sentido, estamos encontrando una conexión sorprendente entre el clima y la geometría fractal de las redes fluviales ".
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los EE. UU., División de Ciencias Básicas de Energía, Ciencias Químicas, Geociencias y Biociencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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