Erste weltweite Zusammenstellung von Flussausbrüchen

Menschen hatten schon immer eine komplexe Beziehung zu Flüssen, die Zivilisationen im Laufe der Geschichte sowohl gefördert als auch bedroht haben. Erinnern Sie sich nur an Osiris, den altägyptischen Gott des Todes und der Wiedergeburt, der untrennbar mit der jährlichen Überschwemmung des Nils verbunden war.

Große Überschwemmungen zwingen manchmal einen Fluss, seinen Kurs zu ändern und sich einen neuen Weg durch die Landschaft zu bahnen, in seltenen und katastrophalen Ereignissen, die als Flussausbrüche bekannt sind. Diese Ereignisse können ganze Städte entlang der größten Wasserstraßen auslöschen, aber sie schaffen auch die fruchtbaren Deltas, die viele Gesellschaften genährt haben.

Ein von der UC Santa Barbara geführtes Team von Wissenschaftlern hat gerade die erste globale Zusammenstellung von Flussausbrüchen in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft. Die Studie bestätigt etwa ein Jahrzehnt theoretischer und experimenteller Arbeit der Gruppe, die Abrisse von einer bisher wenig untersuchten Neugier konkretisierte.

„Dieser Datensatz liefert den ersten eindeutigen Test der Theorie, der zeigt, dass es drei unterschiedliche Regime von Ausrissen an Fächern und Deltas gibt“, sagte Co-Autor Vamsi Ganti, Assistenzprofessor am Institut für Geographie der UCSB. „Das ist ein langer Weg von unserem Ausgangspunkt“, fügte er hinzu. „Vor einem Jahrzehnt hielt man Abrisse für chaotische und stochastische Ereignisse, die nicht sehr vorhersehbar waren.“

Die Seltenheit und Unfassbarkeit von Avulsionen hatte die Forscher größtenteils im Dunkeln gelassen. Vor diesem Papier hatten Wissenschaftler nur eine Handvoll von ihnen beobachtet. Ausgehend von diesen wenigen Fallstudien begannen sie, mithilfe von Experimenten und Computermodellen eine Theorie darüber zu entwickeln, wo Ausrisse auftreten.

Ein Fluss kann nur einmal im Jahrzehnt, einmal im Jahrhundert oder noch seltener seinen Kurs ändern. Daher müssen Wissenschaftler einen Fluss lange überwachen, um nützliche Daten zu erhalten. Satellitenbilder ermöglichten es dem Team jedoch, große Zeitspannen gegen große Weltraumschwaden auszutauschen.

„Obwohl Ausrisse sehr selten sind, werden Sie, wenn Sie praktisch jedes einzelne Delta der Erde betrachten, bei einigen von ihnen Glück haben“, sagte Co-Autor Austin Chadwick, ein Postdoktorand an der University of Minnesota. 113 Mal hatte das Team Glück beim Durchkämmen der Satellitendaten von 1973 bis 2020 und historischen Karten. „Statt dieser wenigen, gründlich untersuchten Stätten haben wir jetzt eine repräsentative Stichprobe von überall auf der Erde in den letzten 50 Jahren.“

Fan-Avulsionen

Das Avulsion-Verhalten fiel in drei Regime. Das Team fand 33 Fälle, in denen Flüsse ihren Kurs änderten, als sie von steilen, engen Kanälen zu einer flacheren Topographie übergingen. Diese Fächer traten oft am Fuße von Bergen auf, wo ein Fluss die Schlucht in unbegrenzte Täler oder offene Ozeane verlässt. Ausrisse dieser Art erforderten eine mindestens 3-fache Unterbrechung der Flusstalneigung mit einem Median von 6,5.

Delta-Avulsionen im Backwater-Maßstab

Im zweiten Regime waren Ausrisse auf die Rückstauzone eines Flusses beschränkt. „Einfach ausgedrückt ist die Rückstauzone der Teil des Flusses, der aufgrund der Auswirkungen des Meeresspiegels am stromabwärts gelegenen Ende anders fließt“, erklärte Chadwick. Diese Region kann sich überraschend weit ins Landesinnere erstrecken: etwa 300 Meilen für den Mississippi zum Beispiel.

Diese zweite Gruppe deckte 50 der Ausrisse des Datensatzes ab. Diese Ausrisse befinden sich in flach abfallenden Deltas entlang einiger der größten Wasserstraßen der Welt, wie dem Orinoco, dem Gelben Fluss, dem Nil und dem Mississippi. Die meisten früheren Fallstudien der Gruppe fallen in diese Kategorie.

Delta-Avulsionen mit extremer Sedimentbelastung

Das endgültige Regime umfasste die verbleibenden 30 Delta-Avulsionen. In diesen Flüssen haben intensive Überschwemmungen und Sedimenttransporte Ausrisse weit flussaufwärts gedrängt. Wirklich weit.

„Das dritte Regime hatte eine Ausrisslänge, die im Durchschnitt 14-mal größer war als die Rückstaulänge des Flusses“, sagte Ganti. Dies könnte sich in einigen der extremsten Beispiele auf über das 50-fache der Rückstaulänge erstrecken.

Das Team dokumentierte dieses Verhalten erstmals in a 2020 Papier an madagassischen Flüssen. „Aber jetzt wissen wir, dass es nicht nur ein seltsamer Fall ist, den wir in Madagaskar gesehen haben“, sagte Chadwick, der im Sommer 2022 zu Gantis Gruppe für Oberflächenprozesse an der UCSB stoßen wird.

„Es ist ein drittes Regime von Ausrissen“, fügte Ganti hinzu. Tatsächlich macht es 40 % der Delta-Avulsionen im globalen Datensatz aus.

Dynamische Flussbetten

Ausbrüche haben alles mit Sedimenttransport zu tun. Sie treten auf, wenn und wo sich ein Fluss mit Sedimenten füllt. Dies verstopft den Kanal bis zu dem Punkt, an dem er woanders hin springt. Bei Ventilatoren tritt dies auf, wenn sich das Gefälle ändert: Die Strömung verlangsamt sich und Sedimente, die der Bach mit sich führte, setzen sich im Flussbett ab.

Flüsse im zweiten und dritten Regime befinden sich in relativ flachen Deltalandschaften, sodass andere Faktoren steuern, wo Sedimentation zu einem Ausriss führt. In flachen Landschaften verlangsamt sich die Strömung eines Flusses, wenn er sich dem Meer oder einem See flussabwärts nähert, wodurch sich Sedimente ansammeln können. Die Sedimentablagerung wird durch Überschwemmungen unterbrochen, die eine Erosion verursachen, die sich wie ein umgekehrter Dominoeffekt stromaufwärts ausbreitet. Über viele Jahre hinweg kombiniert sich die Ablagerung bei Niedrigwasser mit Erosionswellen bei Überschwemmungen, um den Kanal an einer bestimmten Stelle zu füllen und einen Ausriss auszulösen. Der Hauptunterschied zwischen den Flüssen im zweiten und dritten Regime besteht darin, wie weit die Erosionswellen bei Hochwasser wandern.

Die frühere Arbeit der Gruppe deutete darauf hin, dass die Erosion während Überschwemmungen oft auf die Rückstauzone eines Flusses beschränkt ist, was zu Ausrissen im Rückstauraum führt – den Ausrissen im zweiten Regime. Wenn sich die Welle jedoch schnell genug fortbewegt und die Überschwemmungen lange genug anhalten, kann ein Fluss diese verstärkte Sedimentation extrem weit im Landesinneren erfahren, was zum dritten Ausrissregime führt.

Die numerischen Modelle der Gruppe deuteten darauf hin, dass es Flüsse im dritten Regime geben könnte, aber es dauerte Jahre, bis sie auf Beispiele stießen. Das Team hatte sich auf große Wasserstraßen wie den Mississippi und den Yellow River konzentriert. Es würde ein jahrhundertelanges Hochwasserereignis brauchen, bis eine Erosionswelle die gesamte Rückstaulänge solcher großen Flüsse durchlaufen würde. Im Gegensatz dazu kann es in einigen der steilen, schlammbettigen Flüsse in Madagaskar nur wenige Tage bis Wochen dauern. Der globale Datensatz zeigte, dass die Extrembeispiele aus Madagaskar alles andere als bloße Ausreißer waren: Zwei von fünf Ausrissen an Deltas fielen in diese Kategorie.

Menschen und Flüsse im Klimawandel

Der Datensatz und die Ergebnisse sind mehr als nur akademische Überlegungen. „Rund 330 Millionen Menschen leben weltweit in Flussdeltas und viele weitere leben entlang von Flusskorridoren“, sagte Ganti. „Wir müssen verstehen, wie sich die Flussmobilität als Reaktion auf den Klimawandel und anthropogene Eingriffe verändern wird.“

Das Team kann nun seine aktualisierte Theorie verwenden, um Abrissorte vorherzusagen, eine Angelegenheit von großer Bedeutung. Zuvor hätten Wissenschaftler und Beamte möglicherweise angenommen, dass Standorte stromaufwärts der Rückstauzone sicher seien. „Aber jetzt wissen wir, dass es diese andere Art von Avulsion in Deltas gibt, wo Sie nicht sicher sind“, sagte Chadwick.

Darüber hinaus können Klima- und Landnutzungsänderungen unter beiden Deltaregimen Abrisse an Flüssen ins Landesinnere treiben. Die Autoren zuvor gefunden dass ein steigender Meeresspiegel und längere Überschwemmungen die Ausrissorte stromaufwärts von ihren historischen Standorten verschieben können. Das bedeutet, dass es weiter flussaufwärts zu Ausbrüchen kommen kann, die auf die Stauzone beschränkt sind. „Das ist problematisch, denn ‚ein bisschen flussaufwärts‘ am Mississippi sind zehn bis hundert Kilometer“, sagte Ganti. „Das ist nichts Triviales.“

Landwirtschaft, Entwicklung und Ressourcenabbau können sich ebenfalls auf den Standort des Ausrisses auswirken. „Wenn Sie die Landnutzung ändern – und damit die Menge an Sediment, die bestimmten Flüssen zugeführt wird – können Sie einen Fluss nehmen, der derzeit von Ausbrüchen im Stauwasserbereich betroffen ist, und ihn in die Kategorie der durch die Sedimentzufuhr modulierten Ausbrüche verschieben“, sagte Ganti. Dies ist das Regime, das weit stromaufwärts springen kann.

„Diese Studie macht deutlich, wie empfindlich die Ausrissstelle in Deltas auf Änderungen des Meeresspiegels, der Sedimentbelastung sowie der Dauer und Intensität von Überschwemmungen reagiert … die sich alle ändern können, wenn sich das Klima weltweit ändert und immer mehr Flüsse durch die menschliche Entwicklung aufgestaut, kontrolliert und manipuliert werden “, sagte Erstautor Sam Brooke, ein ehemaliger Postdoktorand an der UC Santa Barbara. Dieser neue Rahmen ermöglicht es dem Team, eine potenziell gefährliche Binnenwanderung des bevorzugten Ausrissorts eines Flusses vorherzusagen.

Das Team untersucht derzeit die globale Satellitenaufzeichnung, um neue Metriken zur Charakterisierung der Flussmobilität zu entwickeln. Sie beabsichtigen, die Beobachtungen zu nutzen, um die Faktoren zu charakterisieren, die neben Ausrissen auch andere Arten der Flussmobilität antreiben. Sie planen auch, die Abrisshäufigkeit zu untersuchen. „Die Frage, die wir hier beantwortet haben, ist, ‚wo‘ Abrisse auftreten, aber wir haben uns nicht wirklich damit befasst, ‚wann‘“, sagte Ganti. Beide sind jedoch gleichermaßen wichtig zu verstehen.

Die Gruppe ist von ihren Zukunftsaussichten begeistert und stolz auf die bisher erzielten Fortschritte. „Es ist wunderbar zu sehen, wie weit das gekommen ist“, rief Ganti aus. „Zwischen Modellierung, Experimenten und Fernerkundung ist es wirklich ein Fall, in dem wir ein Problem ausgewählt und es aus jedem möglichen Blickwinkel angegangen sind.“