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河川系の形を決める力

川の形成の謎を解く



by Emily Underwood on 5 December 2012, 1:10 PM


果てしない分岐。ペンシルヴェニア州とウェストヴァージニア州のアレゲーニー台地における枝分かれする河川ネットワーク。
Credit: Taylor Perron/MIT


強い雨のあとに家の外を見ると、裏庭にミニチュアのグランド・キャニオンが、完璧に複雑な支流のネットワークを伴って見られるだろう。河川をすべてのサイズで枝を形成させる正確な条件は長らく謎だった。いま、新しい研究がともに働いて入り組んだパターンを作る二つの反する物理的な力を特定した。この発見は科学者たちが河川をすべてのスケールで、そして他の世界でも、よりよく理解する助けになるだろう。たとえば、土星の衛星の一つであるタイタンの氷に閉ざされたメタンの川など。

雨が山や丘の側面などの斜面に当たるとき、既存の窪みに向かって流れる傾向がある。水の流れは岩石または土壌を浸食し、その窪みを広く深くする。この過程は下刻と呼ばれ、競合的でいくぶん共食い的ですらある。個々のリル(細溝)が下刻によって成長すると、それらはより小さな隣のリルを捕らえ、支流を形成する。抑制がなければ下刻はどこまでも広がると予想するかもしれないが、土壌クリープと呼ばれる過程が地面をならし、ゆっくりだが定常的な土壌の漂流でこの亀裂を埋める。

科学者たちは100年以上前からこれらの過程が河川を形づくることを知っていた。しかし彼らはその相対的重要性を定量化したり、それらがどのように働き合って河川流域を作って、ある景色では細かく枝分かれするが他の場所ではそうでないという違いを生むのかを解決することができなかった、とマサチューセッツ工科大学(ケンブリッジ)の地形学者で新しい研究の筆頭著者である、テイラー・ペロン(Taylor Perron)は話す。「我々は形を見ていたが、この枝分かれする形の発達を導く機構は理解していなかった」

ペロンと共同研究者たちは下刻速度と土壌クリープの間の特定の割合が河川の枝分かれを作るうえでの「転換点」として働くと想像した。その未知の値を下回ると支流は形成されなず、その値を上回ると河川はより小さな川を作り支流のネットワークを形成し始めると、彼らは予想した。その仮説をテストするために、彼らはカリフォルニア州のサリナス渓谷(Salinas Valley)をペンシルヴェニア州南西部のアレゲーニー台地(Allegheny Plateau)と比較した。ともに何千もの流域を含む25 km2の領域だが、カリフォルニア州のほうの川はペンシルヴェニア州のものより4倍も細かく枝分かれしている。どちらの領域もテクトニック境界の断層と褶曲の影響をさほど受けていないため、チームは他の変数による大きな干渉なしに下刻と土壌クリープの比較ができた、とペロンは話す。

それぞれの地域で河川ネットワークをマッピングした後に、チームは高い山脈に囲まれた河川チャネルにおける土壌クリープと下刻についての式を含む数理モデルを作った。彼らはこのモデルを操作してそれが同じ枝分かれパターンを作るか、そしてそれによって転換点またはスイッチのように働く下刻と土壌クリープの間の特定の割合を決まるかを調べた。転換点――250と300の間の無次元値――を超えると下刻が土壌クリープに優先する、とペロンは話す。地質学的時間を早回ししてモデル化された川がその転換点を超えているのを見ると、花の上で花びらが開くのを見ているようだ、と彼は話す。「これらの渓谷の開花を見ればそれらが隣の谷を共食いするのが見られる」

今日Nature誌で報告された新しい数理原理は、河川系で働く根底にある力を科学者がよりよく評価できるようにする、たとえ地上での測定をできなくても、とペロンは話す。たとえば、カリフォルニア州のサリナス渓谷における入り組んだ支流のネットワークは下刻が土壌クリープに勝っていることを示す、と彼は話す――より岩石が古く、硬く土壌への水の侵入が高いペンシルヴェニア州の地域より、この地域の岩石が柔らかく流出の水準が高いことのサイン。その種の分析はもっと距離の長い川にも適用できる、と彼は話す。たとえば、土星の衛星タイタンの上のメタンの川でさえも。それは面白い問題も生じさせる。すなわち、氷でできた地形では「土壌クリープに相当するものは何だろう?」と彼は問う。

降雨の季節的変化、岩石破壊、および岩石のタイプと強さの違いなど、本物の地形の多くの点はこのモデルから意図的に省かれている、とペロンは注意する。この単純化はこの研究の強みでもあり限界でもある、とテキサス大学(オースティン)の地形学者、ジョエル・ジョンソン(Joel Johnson)は話す。彼はこの新しい研究結果は「エレガント」であると述べ、より複雑な景観と比較できる基準を提供できることを示す。「将来の研究はここで探査された理想化された地形からの偏差を調べるべきだ」

元記事
Science NOW
Solving the Mystery of River Formation
Emily Underwood, 5 December 2012, 1:10 PM

原論文
J. Taylor Perron, Paul W. Richardson, Ken L. Ferrier & Mathieu Lapôtre
The root of branching river networks
Nature 492, 100–103 (06 December 2012)
doi:10.1038/nature11672 Published online 05 December 2012
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