von Gabe Barnard, St. Louis Post-Dispatch
Unter der Oberfläche von Flüssen lauert eine Gefahr, die noch nicht gut verstanden ist, aber Menschen und Gemeinden in der Nähe des Wassers verheeren könnte.
Änderungen in den Wettermustern können Flusskanäle verunsichern, die historisch robust waren, und sie in zwei Extreme treiben: beschleunigte Erosion oder aufgeladene Überschwemmungen.
Jetzt startet ein Wissenschaftler an der Washington University in St. Louis ein neues Experiment, das Schäden durch starke Regenfälle vorhersehen und vielleicht sogar verhindern könnte, ein Problem, das nach einem rekordverdächtigen Platzregen, der St. Louis letzte Woche überschwemmte, an Dringlichkeit gewonnen hat.
„Uns interessiert, was passiert, wenn das Wasser auf den Boden trifft“, sagt Claire Masteller, Geomorphologin an der Washington University, die das Projekt leitet. „Und wie sich die Landschaft darauf einstellen muss, dass sich die Wassermenge, die auf den Boden trifft, verändert.“
Masteller und ihr Team bauen ein Labor auf, das Überschwemmungen in Flusssystemen auf der ganzen Welt simulieren kann. Die Forscher werden Hochwasser durch Röhren und Kisten aus Steinen und Kies strömen lassen, um zu untersuchen, wie sich die Struktur von Flussbetten mit wechselnden Niederschlägen entwickelt.
Und Wissenschaftler schauen zu.
Die Auswirkungen des Klimawandels auf Flusssysteme sind schwer zu verstehen, da Faktoren, die an Land einfacher zu untersuchen sind, wie Temperatur und Niederschlag, viel komplizierter werden, wenn sie durch den Wasserkreislauf gefiltert werden, sagte Jason Knouft, ein Süßwasserwissenschaftler der St. Louis University der nicht an der Studie beteiligt ist.
Mastellers Projekt könnte kritische Details der Auswirkungen des Klimawandels auf bestimmte Flüsse beleuchten, sagte er.
„Und das hat alle möglichen Auswirkungen auf Ökosysteme, die menschliche Nutzung von Flusssystemen und die Wassersicherheit“, sagte Knouft.
Die Form selbst der größten Flusskanäle beginnt mit den kleinsten Felsen in einem Flussbett.
Kieselsteine aller Formen und Größen sind in einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen Reibung, Schwerkraft und dem Sog der Wasserströmung eingeschlossen.
Wenn die Strömung über das Flussbett fließt, drückt sie hervorstehende Kieselsteine zu einem kompakteren Muster nieder, wodurch der Fluss widerstandsfähiger gegen Erosion wird.
Aber wenn die Strömung des Flusses stark genug wird, um die Kräfte zu überwinden, die die Felsen an Ort und Stelle halten, werden diejenigen, die am weitesten aus dem Flussbett herausragen, stromabwärts gespült. Und wenn sich die großen Kieselsteine bewegen, verdrängen sie ihre Nachbarn und bilden eine sich bewegende Sedimentmasse, die flussabwärts fließt.
Mit anderen Worten erodiert der Kanal. Der Fluss wird breiter. Stärkere Strömungen reißen mehr Felsen aus dem Flussbett und hinterlassen eine zerklüftete Oberfläche mit hervorstehenden Kanten. Und je mehr Steine aus dem Flussbett ragen, desto leichter kann das Wasser sie herausreißen.
„Das sind die Schwachstellen im Bett, die Erosion auslösen können“, sagte Masteller.
Dieses natürliche Gleichgewicht zwischen Erosion und Verdichtung ist der Schlüssel dafür, wie Flüsse im Laufe der Zeit ihre Form entwickeln. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich Bäche mit intensiven Wasserströmen wie Überschwemmungen erweitern, bis sie gerade so groß sind, dass es etwa alle zwei Jahre zu Überschwemmungen kommt.
Der Klimawandel wirft einen Schraubenschlüssel ins System.
In Missouri wird erwartet, dass steigende Temperaturen die Häufigkeit extremer Stürme erhöhen werden, wie der, der letzte Woche Rekordregen auf St. Louis abgeworfen hat, indem die für große Stürme notwendigen Zutaten häufiger werden.
Und da mehr Stürme mehr Flüsse mit mehr Überschwemmungen bombardieren, haben die Sedimente im Flussbett möglicherweise keine Zeit, sich auf natürliche Weise zusammenzuschließen, befürchten die Forscher. Das würde bedeuten, dass der Kanal ständig erosionsgefährdet wäre.
„Wenn ein weiterer großer Regensturm kommt“, sagte Masteller, „ist das Flussbett bereits bereit zu gehen.“
Auf der anderen Seite wird erwartet, dass der Klimawandel einige Regionen wie den Westen austrocknen wird, wodurch die Flüsse stärker auf Wasser angewiesen sind, das durch die Schneeschmelze einsickert. Dadurch könnte viel geringer Durchfluss für die Körner übrig bleiben, um dichter zusammenzupacken und eine Resistenz gegen Erosion zu entwickeln.
Und wenn der Fluss nicht erodieren kann, um einen Sturm aufzunehmen, muss das Wasser woanders hinfließen.
„Unser Behälter ist zu klein, sodass zusätzliches Wasser über den Rand laufen muss“, sagt Masteller.
Um die Dynamik besser zu verstehen, hat Masteller eine experimentelle Wasserrutsche aufgebaut.
Die 250.000-Dollar-Anlage, die als Gerinne bezeichnet wird, ist ein Kanal mit Glaswänden, der mit Flusssteinen gesäumt ist, durch den Wissenschaftler Wasser strömen lassen können, um Überschwemmungen zu simulieren. Es neigt sich nach oben und unten, um verschiedene Neigungen nachzuahmen.
„Wir können es ganz bis zur Decke aufbocken und ein ziemlich knorriges Zeug bekommen“, sagte Masteller.
Grundsätzlich, sagte sie, können sie alles vom Mississippi bis zu Gebirgsbächen der Schweizer Alpen modellieren.
Und das werden sie tun. Sie werden verschiedene Arten von Stromkanälen in der Gerinne schaffen, die zu verschiedenen Flüssen passen, und jeden davon einer Überschwemmung aussetzen, um zu testen, wie er reagiert.
Eine chaotische Mischung aus großen und kleinen Felsen imitiert Gebirgsflüsse. Eine gleichmäßigere Mischung aus kleinen, ähnlich großen Kiesen repräsentiert Tieflandflüsse.
„Wir beginnen mit dem grundlegendsten Baustein“, sagte Masteller, „was macht buchstäblich ein einzelnes Korn, wenn man Wasser darüber laufen lässt?“
Abhängig von der Stärke der Flut und den Inhaltsstoffen des Flussbetts fließen Sedimente in unterschiedlichen Mengen durch das Rohr in die Waage. Die Forscher wiegen ihren Fang mit einem Korb, der an der Mündung der Gerinne hängt, um zu quantifizieren, wie viel Erosion bei jedem Flutmuster auftritt. Sie werden Fotos vom Flussbett selbst machen, um zu quantifizieren, wie viele Felsen aus der Oberfläche herausragen.
Gleichzeitig lassen sie Wasser durch breitere Flusstische – im Grunde große Sandkästen – fließen, um besser zu verstehen, wie sich die Form eines Flusses durch Erosion verändern kann.
Dann wird die Wissenschaft in die Luft gehen. Die Forscher werden auf Laserbilder namens LIDAR zurückgreifen, die vom US Geological Survey aufgenommen wurden und die Topographie einer Landschaft bis auf einen Meter genau messen. Sie vergleichen die vom Kartierungssystem erfasste Breite von Flüssen vor und nach Hochwasserereignissen und sehen, ob das, was sie im Labor lernen, mit dem übereinstimmt, was in echten Flüssen passiert.
„Das sind unsere Testfälle in der Realität, um den ganzen Weg von der Kornskala bis zur Landschaftsskala zu gehen“, sagte Masteller.
Sie sind sich noch nicht ganz sicher, wie sich ihre Idee in verschiedenen Streams entwickeln wird. Eine Theorie besagt, dass sich Tieflandflüsse verbreitern und umliegende Straßen, Häuser und Gemeinden verschlucken könnten. Das liegt daran, dass diese Arten von Flussbetten mit kleineren, einheitlich großen Steinen wie ein Bett aus Murmeln sind, sagte Masteller. Wenn alle Murmeln in einer Flussrinne gleich groß sind, bleibt auch bei engster Aneinanderreihung noch Platz zwischen ihnen.
In Bergbächen hingegen könnte eine turbulente Anordnung unterschiedlich großer Felsen leichter zusammenpassen und eine erosionsbeständigere, hochwasseranfälligere Oberfläche schaffen.
„Wenn Sie viele verschiedene Körner in vielen verschiedenen Größen haben, können Sie Ihre Lücken irgendwie füllen“, sagte Masteller.
Das ultimative Ziel ist ein mathematisches Modell, das vorhersagen kann, welche Flüsse am stärksten von beschleunigter Erosion oder Überschwemmungen bedroht sind. Wissenschaftler könnten diese Vorhersagen nutzen, um zu verhindern, dass eine Katastrophe auf den Menschen überschwappt, sagte Masteller, indem sie beispielsweise Regenwassersysteme stärken oder Ufer verstärken.
Knouft, der Wissenschaftler der St. Louis University, sagte, dass die Forschung entscheidend sein könnte, um Flüsse widerstandsfähiger zu machen, wenn sich das Klima erwärmt.
„Ohne die Art von Informationen, die dieses Projekt entwickelt, können wir das nicht tun“, sagte Knouft.
2022 der St. Louis Post-Versand.
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