Реки — это артерии Земли. Вода, осадки и питательные вещества самоорганизуются в разнообразные, постоянно меняющиеся русла, прокладывая путь от гор к океану. Одни реки текут единым потоком, другие разветвляются на множество переплетающихся рукавов. Эти узоры определяют риски наводнений, скорость эрозии и состояние экосистем, от которых зависят более 3 миллиардов людей, живущих вдоль рек.

Ученые больше века ломали голову над тем, почему одни реки остаются единым потоком, а другие распадаются на несколько рукавов. Географы из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре проанализировали 36 лет спутниковых снимков 84 рек, чтобы найти ответ.

Мы выяснили: если река размывает берега быстрее, чем накапливает наносы на противоположной стороне, она начинает расширяться и со временем делится на несколько рукавов, — объясняет Остин Чедвик, ведущий автор исследования.

Результаты, опубликованные в журнале Science, разрешили давний спор в науке о реках и помогут прогнозировать природные катастрофы и восстанавливать водоемы.

Два типа рек

Ученые традиционно делят реки на однорукавные и многорукавные, изучая их по отдельности. Хотя ни один тип не преобладает, большинство крупнейших рек мира — многорукавные. Исключение — Миссисипи, которая течет единым руслом.

Полевые исследования чаще фокусируются на однорукавных реках — они проще. А в лабораториях, наоборот, изучают многорукавные, потому что воссоздать единый поток в искусственных условиях сложно.

Чедвик задумался об этом, работая в лаборатории Сент-Энтони-Фолс. Он заметил, что в экспериментах многорукавные реки постоянно расширяются и делятся.

Я не мог понять, почему эрозия берегов преобладает над накоплением осадков — это противоречило учебникам. Тогда я начал искать примеры такого в природе, — вспоминает он.

Эрозия берегов — процесс разрушения рекой своих собственных берегов под действием течения, волн и осадков. Чем быстрее эрозия, тем шире становится русло, и тем выше вероятность, что река разделится на несколько потоков.

Команда использовала снимки Landsat из архива Google Earth Engine, отслеживая изменения берегов с помощью алгоритма, который обычно применяют для анализа движения частиц в жидкостях.

Оказалось:

• В однорукавных реках эрозия и накопление осадков сбалансированы — русло сохраняет ширину, изгибаясь плавными меандрами.
• В многорукавных эрозия берегов сильнее — русло расширяется, пока не разделяется на несколько потоков.

Из этого правила есть исключения, но они связаны с вмешательством человека. Например, река Сан-Франсиску в Бразилии не проявляет типичной для многорукавных рек эрозии, потому что ее перекрыли дамбами и забирают воду для орошения.

Как вернуть рекам свободу

В XX веке многие реки заключили в узкие каналы, отрезав от пойм. Это уменьшило риски для людей, но навредило экосистемам и даже усилило угрозу катастроф. Без поймы осадки оседают на дне, поднимая уровень реки. Если дамба прорвется — как во время урагана Катрина — вода хлынет на опустившуюся пойму и затопит все вокруг.

Сейчас пытаются вернуть рекам естественное состояние. Но для этого нужно понимать, сколько места и времени потребуется. Команда вывела формулу, которая учитывает тип реки и скорость изменения русла.

Оказалось, однорукавной реке нужно в 10 раз больше пространства и времени на восстановление, чем многорукавной с той же энергией потока. Это важно для планирования проектов. Например, Лос-Анджелесская река до канализации была многорукавной — и если это учесть, ее восстановление может оказаться дешевле, чем кажется.

Сейчас лаборатория Ганти изучает, как изменение климата и деятельность человека влияют на скорость рек и количество рукавов. Чедвик исследует причины преобладания эрозии, а Гринберг в JPL анализирует, как плотины меняют форму рек.

Реки кормят нас, но могут и уничтожить. Чем лучше мы их поймем, тем гармоничнее будет наше сосуществование.

Это исследование — не просто академический интерес. Оно дает:

• Прогнозирование наводнений — понимание динамики рукавов поможет точнее предсказывать разливы.
• Эффективное восстановление рек — формула расчета необходимой ширины поймы сэкономит миллионы на проектах.
• Снижение рисков — знание, какие реки склонны к резким изменениям русла, поможет избежать катастроф вроде прорыва дамб.
• Экологическую реабилитацию — можно вернуть рекам естественное состояние, не тратя лишние ресурсы.

Особенно ценно для регионов, где реки — основа жизни (Азия, Африка).

Исследование опирается на спутниковые данные, которые не всегда точно фиксируют мелкие изменения берегов. Кроме того, 84 реки — малая выборка для глобальных выводов. Не учтены подземные воды и антропогенные факторы (например, вырубка лесов), которые могут влиять на эрозию.

Ранее ученые назвали 10 основных угроз для речных дельт.