Математики пояснили структуру річкових дельт

Конфігурація складної системи каналів у великих річкових дельтах визначається таким чином, щоб підвищити свою ентропію і збільшити різноманітність шляхів доставки переносимих потоками частинок і поживних речовин до берегової лінії. До такого висновку прийшла міжнародна група вчених, проаналізувавши конфігурації дельт десяти великих річок на різних континентах і змоделювавши такі системи на комп'ютері. Результати роботи опубліковані в.

З водним потоком у річці переноситься велика кількість седиментів - твердих частинок різного розміру. У місці впадіння річки в море швидкість потоку сповільнюється, частинки осаджуються, і в результаті в гирлі річки утворюється дельта - досить велика за площею низинність. Дельти річок можуть поширюватися на десятки кілометрів. Потоки води в них можуть багаторазово розходитися і з'єднуватися, призводячи до виникнення дуже складної розгалуженої мережі каналів. При цьому разом з твердими седиментами потоки переносять і поживні речовини, що призводить до утворення в них власних екосистем.

Через те, що висота дельти над рівнем моря дуже невелика і практично не змінюється по всій площі дельти, у водних потоків є дуже велика кількість можливих варіантів траєкторій. У своїй новій роботі міжнародний колектив дослідників вирішив визначити, як і в результаті чого визначаються ці траєкторії. Для цього автори вивчили конфігурації дельт десяти великих річок на різних континентах і провели статистичний аналіз розподілу в них потоків, а також змоделювали перенесення частинок і можливість зміни напрямку потоків на комп'ютері.

Щоб описати ймовірність утворення тієї чи іншої конфігурації дельти, вчені визначили для них коефіцієнт нелокальної ентропії (англ. nonlocal entropy rate), який визначає ступінь максимальної різноманітності напрямків потоків, а також кількості і розмірів частинок, що переносяться ними. За припущенням вчених, системи каналів у дельті підпорядковуються принципу оптимальності, і конфігурація системи каналів формується таким чином, щоб ентропія всієї системи була максимальною.

Для доказу своєї гіпотези вчені порівняли значення коефіцієнта нелокальної ентропії, визначеної для конфігурацій всіх досліджених дельт з випадковим розподілом каналів для тих же географічних умов. Виявилося, що майже для всіх річок значення нелокальної ентропії практично максимальне з можливих і сильно зрушено щодо центру випадкового розподілу. Єдиним винятком стала дельта річки Нігер, яка не підкоряється принципу збільшення різноманітності. Однак можливих причин незвичайної поведінки саме цієї річки вчені не наводять.

Крім того, автори вивчили, наскільки така система стійка до зміни зовнішніх умов. Причинами таких змін можуть стати як зростання дельти і зміна концентрації седиментів у потоках, так і зовнішні чинники, зокрема, антропогенні. Виявилося, що при перебудові системи утворюється проміжний стан зі зниженою ентропією, але потім виникає нова конфігурація, з оптимальною структурою в умовах, що утворилися, практично з тією ж ентропією, що і у початкової конфігурації.

Описані принципи, за якими формуються дельти річок, не тільки дозволяють їй бути стійкими до зовнішніх впливів, але і призводять до більш рівномірного розподілу поживних речовин за площею дельти. Це сприяє утворенню стійкої екосистеми. Формування таких екосистем є одним з важливих факторів для збільшення родючості заливних лугів в дельтах, так, наприклад, властивості дельти Тибра виявилися одним з факторів, що вплинули на розвиток Риму. При цьому дельти є динамічними нерівноважними системами і вони вельми чутливі до глобальних змін клімату.