地球/5g. 地球的河流

地球
5g. 地球的河流

探索地球的河流

在一个潮湿泥泞的四月天，约翰·韦斯利·鲍威尔和他的“F”炮兵连面对着在田纳西州南部向他们进军的庞大联盟军队。当他下令炮兵向他的连队开火时，一颗铅弹切断了他的右臂。大炮在他周围轰鸣，他那残缺的胳膊喷涌着鲜血，战争的恐怖降临在他们所有人身上。鲍威尔出生于纽约，他的家人搬到了伊利诺伊州北部，在那里他发现了自己对河流的热爱。他不安分的本性让他乘船进行了一系列探险，探索该地区的河流。1855 年，他首次徒步穿越威斯康星州，1856 年，他开始了伟大冒险，从明尼苏达州圣安东尼开始，沿着密西西比河航行，直到到达墨西哥湾，乘船行程约 2,300 英里（3,700 公里）；1857 年，他沿着俄亥俄河，然后沿着密西西比河从匹兹堡到圣路易斯航行，行程约 1,500 英里。在这些探险之间，他还在伊利诺伊州学院（如今的惠顿学院）学习，并在学院教授一些科学课程，并在课堂上讲述他的河流探险和地图绘制。1861 年，鲍威尔和他的兄弟沃尔特在美国内战爆发时加入了联邦军。在被派往战场的前一年秋天，约翰·韦斯利·鲍威尔与他心爱的艾玛·迪安结婚了。两兄弟约翰和沃尔特被分配到同一个炮兵部队，在那命运之日，他们一起面对了在田纳西河西岸的一支军队。在第一缕晨光中，一群庞大的联盟军队向驻扎的联邦军队发起进攻。到日落时，这对兄弟将永远改变。约翰·韦斯利·鲍威尔在那一天失去了他的右臂，这场为期两天的战斗被称为希洛战役。

战斗结束后，他的右臂被截肢，而他的兄弟沃尔特则失去了理智。沃尔特毫发无损地继续在炮兵部队服役，向正在前进的士兵发射炮弹。1864 年，沃尔特在亚特兰大附近被联盟军队俘虏，尽管他试图从战俘营中逃脱，但还是被重新俘虏，差点被饿死，最后作为战俘交换的一部分获释。随着联盟的胜利，这对兄弟回到了伊利诺伊州，一个失去了胳膊，另一个承受着战争和战俘营生活的精神折磨。

在那些饱经战火的日子里，这个国家也发生了变化，约翰·韦斯利·鲍威尔在密西西比河及其支流上进行的探险似乎微不足道，因为新的努力将人们推向了西部，寻找新的生活。1868 年，横贯大陆铁路的建成极大地缩短了陆路从海岸到海岸的旅行距离。以前，这段旅程需要花费一年多的时间才能完成，现在人们只需在火车站购买一张简单的车票，就可以在几周内舒适地乘坐火车旅行。美国西部的很大一部分仍然完全未被探索，虽然约翰·弗里蒙特在美墨战争开始时绘制了西部的很大一部分地图，但仍然有很大一部分地区没有被很好地探索和绘制，特别是犹他州和亚利桑那州东部的格林河和科罗拉多河的复杂峡谷。1859 年，在内战之前，由约翰·N·马孔领导的美国政府测量员试图找到这两条河流的交汇点，但未能成功。美国地图上仍然标注着美国西部许多未探明的地区，特别是在犹他州、科罗拉多州、新墨西哥州和亚利桑那州等西南部的沙漠地区。

战后，约翰·韦斯利·鲍威尔回到伊利诺伊州任教，但他于 1867 年和 1868 年与妻子和一些学生前往科罗拉多州，为学院的博物馆收集自然历史标本。在这些西部旅行中，鲍威尔制定了一个大胆的计划，沿着科罗拉多河水系航行，就像他沿着密西西比河航行一样。他乘火车前往怀俄明州的格林河，可以到达这条大河——格林河，这条河蜿蜒穿过深邃的峡谷，流经科罗拉多州、犹他州、亚利桑那州以及未知的地区。在得到美国政府的资助后，他于 1869 年 5 月 24 日与他的兄弟沃尔特以及其他 8 名船员带着三艘船沿着这条河出发。沿着格林河和科罗拉多河航行并不像沿着密西西比河航行那样简单，因为他们必须在木船上穿过危险的激流和咆哮的激流。

在他们的旅程早期，一艘船在湍急的河流中撞上了岩石，被撞得粉碎，其中一名船员在犹他州乌雷附近放弃了旅程，其他人继续前进。在亚利桑那州，他们进入大峡谷地区，因为科罗拉多河切入了地球上最大的峡谷。在旅程中，鲍威尔对这条河进行了测量，绘制了该地区的路线图，并经常徒步穿越景观，使用气压计测量山脉的高度，使用六分仪测量他们的纬度，使用计时器测量他们的经度，他们在穿越荒野时，描述了岩石、植物、动物以及沿着河边居住的人们。当河里的激流变得更糟，他们似乎无法安全地继续航行时，3 名队员试图徒步走出峡谷，后来发现他们已经死了。剩下的船员继续前进，沿着河向下游航行。作为内战的退伍军人，他们对进入未知领域的旅程并不畏惧。报纸上刊登着他们旅行失败的消息，人们以为他们已经死了，但到 1869 年 8 月 30 日，包括约翰·韦斯利和他的兄弟沃尔特·鲍威尔在内的剩余船员抵达了亚利桑那州尤马。鲍威尔亲自看到过比任何在世的人都多得多的河段，北美两大主要河流流域。两条河流在性质上形成鲜明对比；一条是蜿蜒曲折的平缓的密西西比河，另一条是咆哮的狂野的科罗拉多河。

河流的性质

河流的本质背后蕴藏着怎样的科学原理？它们是如何在地面上流淌的？它们是如何雕刻出令人难以置信的峡谷的？或者将泥沙带到泛滥的河岸？河流是陆地上的淡水通道。陆地上的雨雪水最终汇流回海洋。蜿蜒的河流界定了某个地区能否支撑农作物和城市，而其他地区则是干旱的沙漠，河流切割出陡峭的峡谷。

这次成功的河之旅使约翰·韦斯利·鲍威尔名声大噪，尽管他于 1871 年和 1872 年再次回到这条河，进行了第二次探险。这次，他带上了照相设备，记录下他们所见到的奇观。1875 年，他出版了他的笔记和描述，这些内容成为他的畅销书《科罗拉多河及其峡谷的探险》。科罗拉多河探险的成功使他被任命到华盛顿特区，担任史密森学会人类学局局长，帮助保护美洲原住民文化和语言，以及美国地质调查局，负责监督美国西部的调查。鲍威尔告诫政府，从了解密西西比河沿岸的洪水到科罗拉多河峡谷干旱沙漠地区的水资源短缺问题，河流的重要性不容忽视。并非所有的人都采纳了他的建议，因为河流被筑坝和排干。在 20 世纪 30 年代的大萧条时期建造的胡佛大坝形成了内华达州的米德湖水库，而 20 世纪 60 年代建造的格伦峡谷大坝形成了犹他州南部的鲍威尔湖水库。格林河也被筑坝，火焰峡谷大坝于 1964 年建成，在犹他州东北部和怀俄明州形成了一片大型淡水水库。这些对河流流量的人为限制是为了保留农业用水，并为美国西南部干旱沙漠地区迅速增长的城镇提供电力。

河流的本质，包括溪流、小溪和其他支流，可以简单地定义为通过河道的流动水体。河流输送着地球固体部分的侵蚀部分，并将这些松散的沉积物沉积到远离其原始来源的地方。地质学家将河流引起的侵蚀和沉积过程称为河流过程。河流形成在特定的排水区域内，在那里形成集水区。集水区由高地形定义，通常是山区地形，它将水流分开。这些高地形边界被称为排水分界线或分水岭，因为水从这些斜坡上流下，流入排水盆地。河流流向景观的最低地形，切入形成复杂的支流系统或网络。河流系统中的每个河段或链节都可以通过河流等级来分类。例如，在鲍威尔沿格林河的河之旅中，许多其他较小的河流流入格林河，包括亚姆帕（或熊）河和怀特河，每次都累积了这些河流的额外流量。科罗拉多河曾经被定义为格林河和大河的交汇处，但由于这种命名惯例意味着科罗拉多河不在科罗拉多州流淌，所以“大”这个名字被去掉，取而代之的是地理学家将科罗拉多河的名字向上游延伸。地貌学家研究河流系统的形状，根据河流等级来定义这些名称，1 级河流是微小的支流，而 10 级等更高的等级则由 10 个支流的总和组成，是排水盆地中更大的河流。

河流在不同的坡度上向下流动，在山区坡度陡峭，在低地坡度平缓。科罗拉多河的平均坡度约为每公里 5 米，而密西西比河的平均坡度仅为每公里 0.01 米。科罗拉多河沿线的坡度要高得多，有些河段每公里下降 12 米，形成了著名的激流。河流的坡度或倾斜度控制着河流在跨越景观时的整体行为。水的速度或流动速度也与坡度有关，但可能不像你想象的那样。像科罗拉多河这样的坡度较大的河流，其水流速度比密西西比河等大型低坡度河流慢。科罗拉多河的水流受到岩石和其他阻碍水流的障碍物的减缓，实际上减慢了水流速度，而密西西比河的水流受到岩石和其他大型障碍物的阻碍较小。河流的速度以两种不同的方式测量，一种是测量一段木头或其他漂浮物经过河流上的测距点所用的时间，另一种准确的方法是使用流量计，它通过水旋转螺旋桨的能力来测量水的速度。

测量河流流量

河流流量 (Q) 是河流流量最重要的测量指标之一。流量是指在特定时间间隔内通过河流上某一点的总水量。要测量流量，必须知道河流的速度、宽度和深度。Q = V x W x D。河流的流量由河流测流站测量。测流站是河流中一段用混凝土砌成的河段，它限制了河流在特定宽度内的流量。深度使用流动的河边上的刻度尺测量，速度使用流量计测量。河流流量通常在容易发生春季洪水的河流的不同河段进行监测，因为当洪水过后流量迅速上升时，可以向下游居民发布洪水预警。随着河流等级的提高，河流的平均流量也会增加，因为更多来自周围支流的水流入主河道。密西西比河流入大西洋的平均流量约为每秒 200,000 到 700,000 立方英尺。在鲍威尔旅行期间，科罗拉多河流入太平洋的平均流量约为每秒 22,500 立方英尺，如今，几乎没有科罗拉多河的水流入太平洋，因为大部分水都因蒸发和上游使用而损失，被沿河众多水坝拦蓄。在自然状态下，河流会增加下游的流量，最大的水量流入海洋，形成河流三角洲或河口。

河流三角洲形成于河流携带的沉积物在河流流入海洋时，其承载能力下降，导致沉积物堆积，形成复杂的泥沙滩，将河流分成许多河道，以便在沉积物堆积区域中航行。河口形成于海平面上升，海洋过程（如潮汐和波浪）向上游推进，淹没河谷。河口以其含有的咸淡水而闻名，是咸的海水和淡水的混合物。

辫状河与蜿蜒河

地质学家定义了两种类型的河流系统。辫状河，形成在复杂的沙洲之间交织的辫状河道，以及蜿蜒河，形成在景观上蜿蜒曲折的河道。辫状河仅限于河流携带大量沉积物的地区，以春季融雪为主，并且往往位于由冰川供水的山区附近。水流将遵循沙洲之间的复杂辫状模式，这些沙洲将水流引导到它们之间。这些沙洲会重新排列，特别是在春季洪水期间，但可能会在较短的时间间隔内保持稳定。辫状河系统富含沉积物，实验表明，它们在岩石和沉积物松散地保持在一起时形成。辫状河系统被认为是地球表面陆地植物进化之前占主导地位的河流系统形式，因为植物的根部将沉积物固定在一起，并形成更牢固的河岸。这阻止了辫状河的形成。

蜿蜒河系统是当今地球表面占主导地位的河流类型。它们在陆地上形成蜿蜒起伏的路径。这些河曲的形成是流动水的速度与其对河道两岸侵蚀的影响不断增强的平衡的结果。河流从一个位置到另一个位置永远不会直线流动，这是因为河流内部流动水速度的微小差异的分布。在河流内，水流在跨越景观时往往会减缓到河流的一侧，而另一侧则流速更快。这种向河流一侧移动的更高速度是由于作用在流动水上的摩擦力的结果。河流的一侧会流速相对更快，并开始侵蚀河道该侧河岸的边缘。河流的这一区域被称为河流的切岸，即水流切入河道边缘的那一侧。在河流的另一侧，速度会更慢，河心滩会形成，河流运输的沙子和其他沉积物将开始积聚，形成河心滩，即一层厚的沙子和沉积物。河流流量中最高的速度将在切岸下方偏离中心，在该区域内会形成滞留沉积物，即河流所能向下游携带的最大岩石附近的大岩石。而河心滩将积累较小的沉积物，因为河流携带较大岩石和粗粒沉积物的能力较低。

随着时间的推移，河流会持续侵蚀高速流速侧的河岸一侧，而低速流速侧的另一侧则会因沙子和沉积物的沉积而逐渐增长。河流下游会交替出现河岸侵蚀和沙洲，分别位于河流的不同侧。最终，当河岸侵蚀持续进行时，河流会扩大弯道，直到与河流走向上的另一个河岸侵蚀处接触。这种绕流形成了一个牛轭湖，即被河流主干道绕过的河流的孤立部分。

在不同坡度或斜率的大型沙箱中进行的实验表明，蜿蜒河流需要沉积物稳定，无论是通过根系还是岩石化。如果沉积物松散，例如沙子，河流模式将导致辫状河系统。随着陆地植物的出现，地球上大多数河流系统都会蜿蜒，但并非所有河流都表现出蜿蜒模式，尤其是在河流高度季节性并在松散沉积物（如沙子）上流动时。

纵观历史，地球上的河流通过剥蚀过程将大量沉积物从大陆转移到海洋。剥蚀是指移动的水导致地球表面磨损的过程。这些沉积物在大陆的排水盆地和海岸线处堆积，并在此处沉积。河流倾向于在切割河岸一侧并将其沉积物重新沉积到另一侧的沙洲上（但略微下游）时，也在排水盆地内水平移动沉积物。这种沉积物的沉积导致交错层理，其向下的倾斜方向指向河道轴线。地质学家可以测量这些交错层理特征，以确定河流系统随时间的变化流动方向。河流也向下切割地貌，在此过程中不断向下侵蚀峡谷，并在不同的海拔高度留下粗大的河流卵石的阶地堆积。这些阶地堆积物如果可以进行年代测定，就可以揭示河流系统峡谷或山谷的侵蚀历史。

河流被天然堤固定在河岸上。天然堤是由沉积物和/或有机物质（例如木头）组成的低矮山脊，由水在季节性流量高峰期沿河沉积形成。这种沉积物的沉积形成低矮山脊，在季节性径流和年度高流量水平期间，有助于将河道保留在主要河道系统内。然而，在罕见的洪水事件期间，这些天然堤可能会被冲破，导致洪水淹没其外围的更大的泛滥平原。泛滥平原是靠近河流的低洼地形，在极高流量期间会发生罕见的洪水。由于靠近水源，泛滥平原是人们在灌溉土地附近建造房屋和建筑物的理想区域。不幸的是，当河流泛滥其天然保护堤时，洪水会在此造成相当大的损害。

洪水频率分析

1928 年，埃米尔·尤利乌斯·古姆贝尔，海德堡大学的数学教授，在出版的一本书中发表了研究成果，导致他被通缉。当时他不是地质学家，也不是河流和洪水的研究人员，而是研究极端事件的数学统计学。早在 1919 年，自由军团（一个后来演变成纳粹党的冲锋队或“褐衫”的准军事组织）成员就开始实施政治谋杀。古姆贝尔记录了 20 世纪 20 年代这些政治谋杀的上升趋势，通过跟踪全国范围内记录在案的死亡人数，并注意到这些死亡背后的政治动机。谋杀是一种极端事件，从统计学角度来看，它们发生的频率应该很低；入室盗窃失控、家庭暴力导致的谋杀、谋杀自杀，甚至大规模枪击，所有这些都是极端事件。但古姆贝尔想知道这些事件是否是由秘密策划实施这些杀戮的政治准军事组织的兴起造成的。1928 年，他出版了他的第二本书，证明谋杀率的上升实际上是德国秘密准军事组织实施政治谋杀的结果。担心自己也会被这些势力谋杀，他逃往法国，后来在 1940 年战争期间逃往美国，在那里他继续他的数学工作。二战后，德国纳粹党被击败，他将自己的数学工作应用于其他极端事件，如洪水。

洪水和谋杀都可以用它们的复发间隔来描述。复发间隔是指两次极端事件之间的间隔时间。事件越极端，复发间隔就越长。百年一遇洪水指的是每 100 年才发生一次流量达到最大值的洪水，而十年一遇洪水指的是每 10 年才发生一次流量达到最大值的洪水。复发间隔通常与其相应的流量 (Q) 绘制在一起，形成一条斜率递增的回归线；复发间隔越长，总流量 (Q) 就越高。

假设的洪水复发间隔，显示了复发间隔与最大流量的对应关系，以及古姆贝尔提出的累积“排序”流量，显示了多年来洪水的分布情况。

无论是谋杀还是洪水，复发间隔都能告诉你一个地方的很多信息。例如，如果某个城镇的谋杀复发间隔是一年一次，那么它就没有一个每 100 年才发生一次谋杀的城镇安全。洪水也是如此，你不会想住在一所每 5 年就会被洪水淹没的房子里，但住在每 250 年才发生一次洪水的地区的房子风险较低，是一个更安全的生活场所。需要注意的是，这些极端事件是概率事件，就像掷骰子一样，骰子有不同的面数。百年一遇洪水发生的概率与掷一个 100 面骰子，掷出数字 42 的概率相同。每年都是掷骰子的一次新机会。如果第二年掷出的骰子也是 42，这意味着在连续的两年内发生了两次百年一遇洪水，这种概率将是原来的几倍。例如，掷出 100 面骰子得到 42 的概率是 0.01（或 1:100）。掷出 100 面骰子第二次得到 42 的概率是 0.01（或 1:100）。然而，第一次掷出 42 并且第二次掷出 42 的概率等于 0.01 x 0.01 = 0.0001 或（1:1,000）。第一次掷出 42，第二次掷出 42，第三次也掷出 42 的概率是 0.01 x 0.01 x 0.01 = 0.000001 或（1:100,000）。如果你继续掷出 42，你就会开始怀疑骰子是否真的有 100 个面，而且可能被人动了手脚。在 20 世纪 20 年代的德国，古姆贝尔记录了谋杀事件随着纳粹党的兴起而上升的奇特现象，并利用数学方法向人们敲响了警钟，警告人们注意重大政治掩盖行为。但是对于河流来说，我们如何测量洪水，尤其是那些罕见且可能没有记录在案的极端洪水事件呢？

在河流沿线的水文站，通过测量河流流量的宽度、深度和流速，实时记录河流流量 (Q) 的数据，单位为立方米每秒 (m³/s) 或立方英尺每秒 (ft³/s)。这些数据按峰值流量和该峰值流量的日期进行排序。每个日期的流量从最大流量到最小流量进行数字排名。每个流量的重现期由该流量在该特定日期的特定排名被超越的逆概率计算得出。如果某一年的重现期为 0.01（1:100），那么该流量重新出现的概率为 100 年。这种分析方法被称为古姆贝尔分布；以古姆贝尔的名字命名，他于 1935 年创立了这种数学方法，并于 1941 年将其应用于洪水的研究中。古姆贝尔的统计分析侧重于极端事件的概率，从灾难性洪水到威权政权的兴起。如今，古姆贝尔关于极端事件的研究对于理解气候变化对地球的影响至关重要，特别是大气变化如何影响地球表面河流的流动。

淡水的意义

1973 年，16 岁的梅·杰米森离开芝加哥的家，凭借奖学金进入加利福尼亚州的斯坦福大学。她一生的偶像是有名芭蕾舞演员朱迪斯·杰米森，尽管她想像偶像一样成为一名全职舞蹈演员，但她还是选择了非洲裔美国人研究作为她的专业，这是一个在十年前民权运动期间诞生的新专业。杰米森还对工程学和科学感兴趣，也是原始星际迷航电视剧的粉丝。作为一名有魅力的才华横溢的年轻女性，她拥有非洲血统，她在注册科学和工程课程时，害羞地坐在教室的后面。她的大多数同学都是白人男性，她觉得自己作为一个年轻女性和非裔美国人，格格不入。在流体力学课程的第一天，她躲在教室的后面，像往常一样，但她的教授注意到她在那里，便安排她与教室前面的一组同学一起工作。通过这门课程的经历，杰米森对科学和工程产生了热爱，毕业后，她继续在纽约从事医生的职业。医学院毕业后，杰米森在东南亚和西非担任医生多年，之后返回美国。她对太空旅行的兴趣促使她有一天给约翰逊航天中心打电话，询问她是否可以申请成为宇航员。他们给她寄了一份申请表，她就申请了。她身体素质良好，曾担任专业舞蹈演员，拥有科学和工程学学位，以及担任医生的经验，这使她成为一名宇航员的理想人选，但在 1986 年 1 月 28 日，美国国家航空航天局的挑战者号航天飞机在发射升空时爆炸，机上的 5 名宇航员全部遇难。尽管发生了灾难，未来的太空旅行也被取消，但杰米森还是在 1987 年被美国国家航空航天局选中，在 2,000 名其他申请者中脱颖而出，接受训练，成为 1992 年奋进号航天飞机任务的宇航员。

她的职责是研究太空旅行对健康的影响，特别是研究在太空和低重力环境下使用静脉注射液。最终，她实现了梦想。在高高的地球上方，杰米森透过宇宙飞船的窗户向下望去，看到了我们称之为家的地方的脆弱性。看到整个地球完全被太空的黑暗包围，让她意识到保护地球水资源的重要性。回到地球后，杰米森离开了 NASA，成为达特茅斯学院环境研究教授。她作为一名医师和宇航员的经历促使她认识到清洁淡水的宝贵。她开始举办科学夏令营，不仅推广对太空的探索，还培养新一代科学家来解决地球淡水供应面临的问题。