在美国的地形上，有超过100万个河流流域被切割成不同的形状，每一个都收集雨水以供给流经它们的河流。有些流域像单独的溪流一样小，而另一些流域几乎横跨半个大陆，包括整个密西西比河流域。
河流的形状也各不相同，正如麻省理工学院(MIT)的科学家们现在所报告的那样，它们的形成受到气候的严重影响。研究小组发现，在这个国家的干旱地区，河流流域无论大小都呈现出狭长的轮廓。在较为潮湿的环境中，河流流域是不同的:更大的流域，规模达数百公里，长而薄，而较小的流域，横跨数公里，明显短而深。
他们发现，不同之处在于地下水的可用性。一般来说，河流盆地是由降雨形成的，降雨会侵蚀土地，因为雨水会流入河流或溪流。在潮湿的环境中，大量的降雨渗入地球，形成地下水位或当地的地下水水库。当地下水渗漏出来时，它也可以切割成一个盆地，进一步侵蚀和改变它的形状。
研究人员发现，在潮湿气候中形成的较小的盆地很大程度上是由当地的地下水形成的，地下水作用于形成更短、更宽的盆地。对于覆盖更广阔地理区域的更大的盆地来说，地下水的可获得性可能不那么一致，因此对盆地的形状影响不大。
发表在《英国皇家学会学报A》上的研究结果，可能有助于研究人员识别古代气候，即盆地最初形成的地方，无论是在地球上还是在地球以外。
麻省理工学院地球、大气和行星科学系的地球物理学教授、麻省理工学院洛伦兹中心的联席主任丹尼尔·罗斯曼说:“这是第一次河网的形状与气候有关。”“这样的工作可以帮助科学家推断当河流网络最初被切割时所存在的气候类型。”
罗斯曼的合著者包括第一作者、前研究生罗伯特·易、前客座研究生阿尔瓦罗·阿雷东多、研究生埃里克·斯坦西弗和前苏黎世联邦理工学院博士后汉斯约尔格·赛博尔德。
一个气候连接
在2012年发表的之前的研究中，罗斯曼和他的同事们发现了地下水和河流分叉的方式之间惊人的普遍联系。研究小组建立了一个数学模型，发现在侵蚀主要由地下水渗漏引起的地区，河流以72度的共同角分叉。在后续的研究中，他们发现这种共同的分枝角在潮湿的环境中是成立的，但在干燥的地区，河流的分枝角往往更窄，在45度左右。
“河网形成了这些美丽的分枝结构，以前的工作已经帮助解释了河流连接在一起形成这些结构的角度，”Yi说。“但是每条河流都与一个盆地紧密相连，这是它从雨水中流出的土地。”所以我们猜测，本源的形状可能包含一些类似的几何好奇心。
研究小组开始寻找一种类似的普遍模式，即河流盆地的形状。为此,他们访问数据集包含所有江河流域的详细地图在美国连续——总计超过100万——以及气候数据集包含两个参数:每个地区的降水率和潜在蒸散,或表面水分会蒸发的速度如果是礼物。
这些数据集包含了每个流域面积的估计值，研究人员将这些估计值与每个流域的河流长度结合起来计算流域的宽度。然后他们注意到每一个盆地，一个纵横比——一个盆地的长度与宽度的比值，这就形成了一个盆地整体形状的概念。他们还计算了每个盆地的干旱指数——区域降水率与潜在蒸散量的比值——这表明该盆地是处于潮湿还是干燥的环境中。
当他们绘制出每个盆地的长宽比与当地干旱指数的对比时，他们发现了一个有趣的趋势:干燥气候的盆地，无论大小，都是长而薄的形状，在潮湿的环境中，大型盆地也是如此。然而，在同样潮湿的地区，较小的盆地看起来更宽更短。
“我们发现，干旱的盆地大致上保持了它们的形状和大小，但是潮湿的盆地随着它们的增大而变得更窄，”Yi说。“这让我们困惑了很久。”
答案在地上
研究人员怀疑，干旱和湖盆型之间的分歧源于他们之前对分支河流的观察:在潮湿的气候中，地下水在创造更宽的河流分支方面扮演着额外的角色，而在干燥的气候中则不然。他们认为地下水可能在拓宽河流的流域方面起着类似的作用。
为了验证他们的假设，他们研究了每个盆地的地质特征，比如盆地下面的岩石和土壤类型，以及地下水可能渗入的深度。总的来说，他们发现，在干燥的气候条件下，任何渗入地下的雨水都会在地表下很深的地方滴落，就像液体在布里奥瓦里流动一样。任何由此产生的水库或地下水位都太深，以至于地下水无法回到地表。
相比之下，在较为潮湿的环境中，水更有可能渗入土壤，就像自来水浸泡湿海绵一样。在这些气候条件下，水会渗入地下，形成靠近地表的大型地下水位。
然后，研究小组计算出河流的位置与地下水出现的位置的对应程度。他们发现了一个更大的对应关系，即在潮湿的气候下，河流流域周围的地下水渗出量比在干燥的气候中要多。这表明，地下水在划分湿润的盆地方面发挥着更大的作用，创造出更宽、更深的形状，与干旱气候的河流盆地相比，后者的形状更长、更薄。
这种地下水的影响在更小、更大的地方范围内的几公里范围内尤其明显。在更大的范围内，横跨近半个大陆，该组织发现河流流域，即使在潮湿的环境中，也有长而细的轮廓，这可能归因于这样一个事实，在如此广阔的区域，地下水与大型河流网络结构之间的相互作用相对较弱。
“我们的论文在水文地质学和地貌学之间建立了一种新的、大规模的联系，”Rothman说。“它也代表了模式形成物理学的一个不同寻常的应用。”所有这些都与分形几何有关。因此，在某种意义上，我们正在发现气候和河流网络的分形几何之间惊人的联系。
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