Le chercheur postdoctoral de l'Université Rice Hongbo Ma détient du sable du fleuve Mississippi, la gauche, et le limon du fleuve Jaune en Chine. Ma a dirigé une étude qui a montré que la taille des particules contrôle la façon dont les sédiments se déplacent dans les rivières qui coulent change considérablement lorsque les grains mesurent environ 150 microns. Crédit :Université Rice
La rivière peut faire rage ou rouler doucement, mais à la fin le sable et le limon auront leur chemin.
Les scientifiques de la Terre de l'Université Rice et leurs collègues ont défini un point de rupture surprenant auquel la taille des grains des sédiments du lit de la rivière exerce un contrôle extraordinaire sur la quantité de matière qui sera transportée en aval, deltas et littoraux nourrissants.
De nouveaux travaux dirigés par le géologue côtier de Rice Jeff Nittrouer et le chercheur postdoctoral Hongbo Ma mettent en lumière des décennies d'expériences et d'observations sur le terrain en montrant que le sable et le limon se déplacent soudainement d'un moyen de transport à un autre.
En bref, certains grains de sédiments de plus de 150 microns environ (considérés comme du sable fin) se déplacent le long du lit de la rivière et certains sont suspendus dans le courant. Les grains plus fins sont complètement soulevés dans l'eau courante et se déplacent beaucoup plus rapidement vers l'embouchure d'une rivière. Là, ils peuvent modifier rapidement le paysage et générer des deltas tout en alimentant les littoraux en sédiments.
Les chercheurs ont été surpris de constater que la taille des grains domine le mode de transport, quelle que soit la vitesse à laquelle la rivière coule, selon leur rapport dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , qui a remporté cette année le « Best Paper Award » de l'Association internationale de la jeunesse chinoise en sciences de l'eau.
"La plupart des gens regardent le limon et le sable et disent que ces choses sont terriblement proches les unes des autres, " a déclaré Nittrouer. "Mais la réalité est qu'il existe des différences à petite échelle entre les deux qui offrent d'énormes changements dans la quantité de matière déplacée. Nous considérons souvent le monde comme un lieu linéaire, mais si vous modifiez la taille des grains d'une petite fraction, vous changez soudainement le volume de matériau transporté de 10 à 20 fois."
Les chercheurs de l'Université Rice Hongbo Ma, la gauche, et Jeffrey Nittrouer, un professeur assistant de la Terre, sciences de l'environnement et de la planète, a mené une étude qui a trouvé une rupture brutale dans les caractéristiques du mécanisme de transport du sable et du limon dans les lits des rivières. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Un matériau relativement grossier est associé à de grandes dunes de sable qui rendent les lits des rivières rugueux et fournissent une friction qui limite la quantité d'énergie disponible pour déplacer les sédiments, il a dit.
Mais du limon et du sable très fin, transporté par suspension, construire longtemps, dunes basses qui réduisent l'énergie consommée par le frottement et facilitent les taux élevés de transport de sédiments. "La suspension directe permet d'utiliser une plus grande partie de l'énergie du flux dans le transport de la matière sédimentaire, " a déclaré Nittrouer.
Le flux de sédiments altère les littoraux, deltas et le cours des fleuves eux-mêmes. "Notre capacité à prédire comment les sédiments à grains fins se déplacent dans différents environnements a été très limitée, ", a déclaré Ma. "Nous avons essentiellement entrepris de simplifier l'ensemble du système."
Il a déclaré que les algorithmes précédents fournissaient des solutions de patchwork qui s'appliquaient soit aux grosses particules de sable, soit au limon, mais ne tenaient pas compte de ce qui était supposé être une transition progressive d'un moyen de transport à l'autre. "Nous avons été surpris de constater qu'il n'y a pas de transition continue entre eux, " dit-il. " Il s'avère qu'à un certain moment, ils passent soudainement à un autre état."
Ma a construit l'algorithme de transport universel après avoir considéré près de 2, 000 ensembles de données sur le transport des sédiments provenant de plusieurs décennies de recherche publiée, avec les propres observations de son équipe, en particulier à travers une étude soutenue par la National Science Foundation sur le fleuve Jaune en Chine (alias le fleuve Huanghe).
"Hongbo a essentiellement pris une grande base de données et l'a utilisée pour fonder un nouvel algorithme qui permet un spectre de tailles de grains, " Nittrouer a déclaré. "Cela nous permet de faire des prédictions sur la quantité et l'endroit où le sable ou le limon devraient se déplacer sous l'influence d'environnements et de conditions limites donnés.
Environ un milliard de tonnes de sédiments affluent chaque année dans le delta du fleuve Jaune en Chine. La rivière a été étudiée de près par les scientifiques de l'Université Rice et leurs collègues, qui a trouvé un algorithme de transport universel pour expliquer que la taille des particules exerce un grand contrôle sur la façon dont les sédiments se déplacent, quel que soit le débit de la rivière. Crédit :Wikipédia Commons
"Cela a beaucoup d'incidence sur la façon dont nous comprenons le mouvement de la matière sur Terre, comme en témoignent les rivières à grain fin comme le fleuve Jaune, " il a dit.
Le fleuve Jaune est connu pour envoyer environ un milliard de tonnes de sédiments chaque année vers la mer. Le laboratoire Rice a déjà utilisé son nouvel algorithme pour prédire les changements dans le delta du fleuve Jaune, dont les résultats apparaissent dans un article récent dirigé par l'étudiant diplômé Andrew Moodie, également co-auteur de la nouvelle étude.
Nittrouer a suggéré que l'algorithme pourrait avoir une large application sur Terre et au-delà.
"Si nous voulons comprendre combien de matière se déplace sur une planète comme Mars ou la structure du système qui a transporté cette matière - les dimensions du canal, le lit se forme dans les canaux - nous pouvons utiliser la modélisation inverse pour déterminer quelles étaient les conditions de transport dans le passé, ", a-t-il déclaré. "Cela est intimement lié aux conditions environnementales qui étaient présentes dans cette région à un moment donné."
Il a noté que la frontière surprenante peut refléter des forces encore plus importantes à l'œuvre dans la nature. "Vous pouvez pousser la nature si longtemps et ensuite, une fois que vous franchissez un certain seuil, des changements majeurs commencent à se produire, " at-il dit. " Les gens essaient de comprendre où ces seuils existent en termes de perturbations climatiques et de changement climatique.
"C'est donc un exemple démontrable d'un seuil dans la nature, un petit changement qui peut en provoquer de grands, " il a dit.
