Il y a plus de 500 ans, Léonard de Vinci a esquissé ce qu'il a appelé "la turbolenza, " en comparant les tourbillons chaotiques au sommet de l'eau qui coule à des cheveux humains bouclés. Il s'avère que ces motifs influencent une myriade de phénomènes, de la traînée sur les ailes d'un avion et la formation de la tache rouge de Jupiter au bruissement des feuilles des arbres.

De nouvelles découvertes seront publiées vendredi dans la revue Science ajouter un autre à la liste :l'éradication d'un engrais polluant envahissant des cours d'eau.

"Nous pouvons maintenant calculer une 'limite de vitesse' de turbulence pour l'élimination des nitrates dans n'importe quel cours d'eau, " a déclaré l'auteur principal Stanley Grant, professeur de génie civil et environnemental à l'Université de Californie, Irvine. "Cela signifie que nous pouvons fournir des conseils spécifiques sur la façon d'adapter les efforts de restauration pour maximiser son élimination et protéger les écosystèmes en aval."

Les scientifiques savent depuis longtemps que les engrais chargés en nitrates s'écoulent des fermes et des rues de la ville dans les plans d'eau, créant parfois des "zones mortes" géantes à des centaines de kilomètres en aval. L'opinion dominante est que les algues et les bactéries affamées dans les sédiments du fond contrôlent la vitesse à laquelle les nitrates peuvent être éliminés.

Mais une équipe internationale de chercheurs a pensé que la physique pourrait également jouer un rôle. Le barattage de l'eau sert en quelque sorte d'escalier roulant, faisant tourbillonner les molécules du polluant jusqu'au lit des cours d'eau selon un motif qui est une version verticale des croquis d'il y a longtemps de Léonard de Vinci.

Les scientifiques voulaient savoir comment cette action affecte l'élimination du contaminant. Ils ont calculé la vitesse maximale - ou la vitesse limite - à laquelle la turbulence déplace le nitrate vers les sédiments et l'ont comparée aux mesures précédemment publiées de l'élimination du nitrate dans 72 cours d'eau à travers les États-Unis.

"La réponse dépend de la pollution du ruisseau, " a déclaré le co-auteur Perran Cook, professeur agrégé de chimie à l'Université Monash en Australie. "Dans les ruisseaux vierges, la vitesse à laquelle la turbulence transporte le nitrate contrôle la rapidité avec laquelle il est éliminé. Dans les cours d'eau pollués, l'opinion dominante est correcte :les processus dans les sédiments l'emportent." Dans un ruisseau propre, le nitrate est éliminé lorsque les algues et les bactéries présentes dans les sédiments l'absorbent, ou, encore mieux, le convertir en un composé gazeux inoffensif.

"C'est un cadeau gigantesque. Les ruisseaux enlèvent une grande partie du nitrate que nous leur jetons, il y a donc eu beaucoup d'intérêt pour comprendre comment ce processus fonctionne et comment il peut être rendu plus efficace, " a déclaré le co-auteur Fulvio Boano, professeur agrégé d'hydraulique au Politecnico di Torino en Italie.

Mais le processus peut devenir dépassé lorsqu'une trop grande quantité de contaminant est pompée dans un cours d'eau, permettant aux nitrates de s'écouler vers les eaux côtières. Une fois là, il peut stimuler la croissance des algues, épuiser l'oxygène, et conduire à la formation de zones stériles géantes en aval, comme la zone de la taille du Connecticut au large du delta du fleuve Mississippi dans le golfe du Mexique.

Les résultats de l'étude ont des implications importantes pour la gestion de la pollution par les nitrates près de la source, avant qu'il ne se dirige vers les écosystèmes sensibles.

"Les mêmes calculs peuvent être inclus dans les modèles de réseaux de flux, qui permettrait aux chercheurs de mieux quantifier les impacts de la pollution par les nitrates au niveau local, échelles continentale et même mondiale, " a déclaré le co-auteur Morvarid Azizian, chercheur postdoctoral en génie civil et environnemental à l'UCI.

"C'est une image qui rendrait même Leonardo fier, " ajouta Grant.