Il y a plus d'un million de bassins fluviaux sculptés dans la topographie des États-Unis, chacun recueillant l'eau de pluie pour alimenter les rivières qui les traversent. Certains bassins sont aussi petits que des cours d'eau individuels, tandis que d'autres couvrent près de la moitié du continent, englobant, par exemple, l'ensemble du réseau fluvial du Mississippi.

Les bassins fluviaux varient également en forme, lequel, comme le rapportent maintenant les scientifiques du MIT, est fortement influencé par le climat dans lequel ils se forment. L'équipe a découvert que dans les régions sèches du pays, les bassins fluviaux prennent un contour long et mince, quelle que soit leur taille. Dans des environnements plus humides, les bassins fluviaux varient :bassins plus grands, à l'échelle des centaines de kilomètres, sont longs et minces, tandis que des bassins plus petits, s'étendant sur quelques kilomètres, sont sensiblement courts et trapus.

La différence, ils ont trouvé, se résume à la disponibilité locale des eaux souterraines. En général, les bassins fluviaux sont façonnés par les précipitations, qui érode la terre lorsqu'elle se déverse dans une rivière ou un ruisseau. En milieu humide, une grande partie des précipitations s'infiltre dans la Terre, création d'une nappe phréatique, ou un réservoir local d'eau souterraine. Lorsque cette eau souterraine s'infiltre, il peut aussi se découper en vasque, éroder davantage et changer sa forme.

Les chercheurs ont découvert que les petits bassins qui se forment dans les climats humides sont fortement façonnés par les eaux souterraines locales, qui agit pour tailler plus court, bassins plus larges. Pour les bassins beaucoup plus grands qui couvrent une zone géographique plus étendue, la disponibilité des eaux souterraines peut être moins constante, et joue donc moins de rôle dans la forme d'un bassin.

Les résultats, publié aujourd'hui dans le Actes de la Royal Society A , peut aider les chercheurs à identifier les anciens climats dans lesquels les bassins se sont formés à l'origine, à la fois sur Terre et au-delà.

« C'est la première fois que la forme des réseaux fluviaux est liée au climat, " dit Daniel Rothman, professeur de géophysique au Département de la Terre du MIT, Atmosphérique, et sciences planétaires, et co-directeur du Lorentz Center du MIT. « Des travaux comme celui-ci peuvent aider les scientifiques à déduire le type de climat qui était présent lorsque les réseaux fluviaux ont été initialement incisés. »

Les co-auteurs de Rothman sont le premier auteur et ancien étudiant diplômé Robert Yi, ancien étudiant diplômé invité Álvaro Arredondo, étudiant diplômé Eric Stansifer, et l'ancien postdoctorant Hansjörg Seybold de l'ETH Zurich.

Une connexion climatique

Dans des travaux antérieurs publiés en 2012, Rothman et ses collègues ont identifié un lien étonnamment universel entre les eaux souterraines et la façon dont les rivières se séparent, ou succursale. L'équipe a formulé un modèle mathématique pour découvrir que, dans les régions où l'érosion est causée principalement par l'infiltration des eaux souterraines, les rivières se ramifient à un angle commun de 72 degrés. Dans le travail de suivi, ils ont constaté que cet angle de ramification commun tenait dans les environnements humides, mais dans les régions plus sèches, les rivières avaient tendance à se diviser à des angles plus étroits d'environ 45 degrés.

"Les réseaux fluviaux forment ces belles structures ramifiées, et des travaux antérieurs ont permis d'expliquer les angles sous lesquels les rivières se rejoignent pour former ces structures, " dit Yi. " Mais chaque rivière est aussi intimement reliée à un bassin, qui est la zone de terre dont il draine l'eau de pluie. On se doutait donc que les formes des bains pouvaient contenir des curiosités géométriques similaires."

L'équipe a entrepris de trouver un modèle universel similaire sous la forme de bassins fluviaux. Pour faire ça, ils ont accédé à des ensembles de données contenant des cartes détaillées de tous les fleuves et bassins des États-Unis contigus - plus d'un million au total - ainsi qu'à des ensembles de données contenant deux paramètres climatiques pour chaque région du pays :le taux de précipitation et l'évapotranspiration potentielle, ou la vitesse à laquelle l'eau de surface s'évaporerait si elle était présente.

Les ensembles de données contenaient des estimations de la superficie de chaque bassin hydrographique, que les chercheurs ont combiné avec la longueur de la rivière de chaque bassin pour calculer la largeur d'un bassin. Ils ont ensuite noté pour chaque bassin, un rapport hauteur/largeur—le rapport entre la longueur et la largeur d'un bassin, ce qui donne une idée de la forme générale d'un bassin. Ils ont également calculé l'indice d'aridité de chaque bassin – le rapport entre le taux de précipitation régional et l'évapotranspiration potentielle – qui indique si le bassin réside dans un environnement humide ou sec.

Lorsqu'ils ont tracé le rapport d'aspect de chaque bassin par rapport à l'indice d'aridité local, ils ont trouvé une tendance intéressante :les bassins dans les climats secs, quelle que soit la taille, a duré longtemps, formes fines, tout comme les grands bassins en milieu humide. Cependant, des bassins plus petits dans des régions tout aussi humides semblaient nettement plus larges et plus courts.

« Nous avons constaté que les bassins arides gardaient à peu près leur forme avec la taille, mais les bassins humides se rétrécissaient à mesure qu'ils grossissaient, " dit Yi. "Cela nous a confus pendant longtemps."

Des réponses sur le terrain

Les chercheurs soupçonnaient que la dichotomie entre les formes de type sec et humide provenait de leurs précédentes observations de rivières ramifiées :dans les climats humides, les eaux souterraines jouent un rôle supplémentaire aux précipitations en créant des branches plus larges d'une rivière, par rapport aux climats plus secs. Ils ont estimé que les eaux souterraines peuvent jouer un rôle similaire dans l'élargissement du bassin d'une rivière.

Pour vérifier leur hypothèse, ils ont examiné les caractéristiques de la géologie de chaque bassin, tels que les types de roches et de sols sous-jacents au bassin, et la profondeur à laquelle les eaux souterraines pourraient pénétrer. En général, ils ont découvert que dans les climats plus secs, toute eau de pluie qui s'infiltrerait dans le sol ruisselerait profondément sous la surface, comme un liquide qui traverse un tampon Brillo. Tout réservoir résultant, ou nappe phréatique, serait trop profonde pour que les eaux souterraines remontent à la surface.

En revanche, dans des environnements plus humides, l'eau est plus susceptible de saturer le sol, comme l'eau du robinet imbibant une éponge humide. Dans ces climats, l'eau s'infiltrerait dans le sol, créant de grandes nappes phréatiques près de la surface.

L'équipe a ensuite calculé dans quelle mesure les emplacements des cours d'eau correspondaient aux emplacements où les eaux souterraines ont émergé. Ils ont trouvé une plus grande correspondance où il y avait plus d'eaux souterraines s'infiltrant autour des bassins fluviaux dans les climats humides, par rapport aux climats plus secs. Cela suggère que les eaux souterraines jouent un rôle plus important dans le découpage des bassins humides, créer plus large, des formes plus trapues, contrairement au plus long, formes plus minces des bassins fluviaux à climat sec.

Cet effet des eaux souterraines peut être particulièrement prononcé aux plus petites, échelles plus locales sur plusieurs kilomètres. A des échelles beaucoup plus grandes, couvrant près de la moitié du continent, le groupe a trouvé des bassins fluviaux, même en milieu humide, a duré longtemps, contours fins, ce qui peut être attribué au fait que, sur un si vaste territoire, l'interaction entre les eaux souterraines et la structure à grande échelle des réseaux fluviaux est relativement faible.

« Notre papier établit une nouvelle, lien à grande échelle entre hydrogéologie et géomorphologie, " dit Rothman. " Cela représente également une application inhabituelle de la physique de la formation de motifs. … Tout cela s'avère être lié à la géométrie fractale. Ainsi, dans un certain sens, nous trouvons un lien surprenant entre le climat et la géométrie fractale des réseaux fluviaux. »