地球/5g. 地球的河流

地球
5g. 地球的河流

探索地球的河流

在一個潮溼泥濘的四月天，約翰·韋斯利·鮑威爾和他的“F”炮兵連面對著在田納西州南部向他們進軍的龐大聯盟軍隊。當他下令炮兵向他的連隊開火時，一顆鉛彈切斷了他的右臂。大炮在他周圍轟鳴，他那殘缺的胳膊噴湧著鮮血，戰爭的恐怖降臨在他們所有人身上。鮑威爾出生於紐約，他的家人搬到了伊利諾伊州北部，在那裡他發現了自己對河流的熱愛。他不安分的本性讓他乘船進行了一系列探險，探索該地區的河流。1855 年，他首次徒步穿越威斯康星州，1856 年，他開始了偉大冒險，從明尼蘇達州聖安東尼開始，沿著密西西比河航行，直到到達墨西哥灣，乘船行程約 2,300 英里（3,700 公里）；1857 年，他沿著俄亥俄河，然後沿著密西西比河從匹茲堡到聖路易斯航行，行程約 1,500 英里。在這些探險之間，他還在伊利諾伊州學院（如今的惠頓學院）學習，並在學院教授一些科學課程，並在課堂上講述他的河流探險和地圖繪製。1861 年，鮑威爾和他的兄弟沃爾特在美國內戰爆發時加入了聯邦軍。在被派往戰場的前一年秋天，約翰·韋斯利·鮑威爾與他心愛的艾瑪·迪安結婚了。兩兄弟約翰和沃爾特被分配到同一個炮兵部隊，在那命運之日，他們一起面對了在田納西河西岸的一支軍隊。在第一縷晨光中，一群龐大的聯盟軍隊向駐紮的聯邦軍隊發起進攻。到日落時，這對兄弟將永遠改變。約翰·韋斯利·鮑威爾在那一天失去了他的右臂，這場為期兩天的戰鬥被稱為希洛戰役。

戰鬥結束後，他的右臂被截肢，而他的兄弟沃爾特則失去了理智。沃爾特毫髮無損地繼續在炮兵部隊服役，向正在前進計程車兵發射炮彈。1864 年，沃爾特在亞特蘭大附近被聯盟軍隊俘虜，儘管他試圖從戰俘營中逃脫，但還是被重新俘虜，差點被餓死，最後作為戰俘交換的一部分獲釋。隨著聯盟的勝利，這對兄弟回到了伊利諾伊州，一個失去了胳膊，另一個承受著戰爭和戰俘營生活的精神折磨。

在那些飽經戰火的日子裡，這個國家也發生了變化，約翰·韋斯利·鮑威爾在密西西比河及其支流上進行的探險似乎微不足道，因為新的努力將人們推向了西部，尋找新的生活。1868 年，橫貫大陸鐵路的建成極大地縮短了陸路從海岸到海岸的旅行距離。以前，這段旅程需要花費一年多的時間才能完成，現在人們只需在火車站購買一張簡單的車票，就可以在幾周內舒適地乘坐火車旅行。美國西部的很大一部分仍然完全未被探索，雖然約翰·弗裡蒙特在美墨戰爭開始時繪製了西部的很大一部分地圖，但仍然有很大一部分地區沒有被很好地探索和繪製，特別是猶他州和亞利桑那州東部的格林河和科羅拉多河的複雜峽谷。1859 年，在內戰之前，由約翰·N·馬孔領導的美國政府測量員試圖找到這兩條河流的交匯點，但未能成功。美國地圖上仍然標註著美國西部許多未探明的地區，特別是在猶他州、科羅拉多州、新墨西哥州和亞利桑那州等西南部的沙漠地區。

戰後，約翰·韋斯利·鮑威爾回到伊利諾伊州任教，但他於 1867 年和 1868 年與妻子和一些學生前往科羅拉多州，為學院的博物館收集自然歷史標本。在這些西部旅行中，鮑威爾制定了一個大膽的計劃，沿著科羅拉多河水系航行，就像他沿著密西西比河航行一樣。他乘火車前往懷俄明州的格林河，可以到達這條大河——格林河，這條河蜿蜒穿過深邃的峽谷，流經科羅拉多州、猶他州、亞利桑那州以及未知的地區。在得到美國政府的資助後，他於 1869 年 5 月 24 日與他的兄弟沃爾特以及其他 8 名船員帶著三艘船沿著這條河出發。沿著格林河和科羅拉多河航行並不像沿著密西西比河航行那樣簡單，因為他們必須在木船上穿過危險的激流和咆哮的激流。

在他們的旅程早期，一艘船在湍急的河流中撞上了岩石，被撞得粉碎，其中一名船員在猶他州烏雷附近放棄了旅程，其他人繼續前進。在亞利桑那州，他們進入大峽谷地區，因為科羅拉多河切入了地球上最大的峽谷。在旅程中，鮑威爾對這條河進行了測量，繪製了該地區的路線圖，並經常徒步穿越景觀，使用氣壓計測量山脈的高度，使用六分儀測量他們的緯度，使用計時器測量他們的經度，他們在穿越荒野時，描述了岩石、植物、動物以及沿著河邊居住的人們。當河裡的激流變得更糟，他們似乎無法安全地繼續航行時，3 名隊員試圖徒步走出峽谷，後來發現他們已經死了。剩下的船員繼續前進，沿著河向下遊航行。作為內戰的退伍軍人，他們對進入未知領域的旅程並不畏懼。報紙上刊登著他們旅行失敗的訊息，人們以為他們已經死了，但到 1869 年 8 月 30 日，包括約翰·韋斯利和他的兄弟沃爾特·鮑威爾在內的剩餘船員抵達了亞利桑那州尤馬。鮑威爾親自看到過比任何在世的人都多得多的河段，北美兩大主要河流流域。兩條河流在性質上形成鮮明對比；一條是蜿蜒曲折的平緩的密西西比河，另一條是咆哮的狂野的科羅拉多河。

河流的性質

河流的本質背後蘊藏著怎樣的科學原理？它們是如何在地面上流淌的？它們是如何雕刻出令人難以置信的峽谷的？或者將泥沙帶到氾濫的河岸？河流是陸地上的淡水通道。陸地上的雨雪水最終匯流回海洋。蜿蜒的河流界定了某個地區能否支撐農作物和城市，而其他地區則是乾旱的沙漠，河流切割出陡峭的峽谷。

這次成功的河之旅使約翰·韋斯利·鮑威爾名聲大噪，儘管他於 1871 年和 1872 年再次回到這條河，進行了第二次探險。這次，他帶上了照相裝置，記錄下他們所見到的奇觀。1875 年，他出版了他的筆記和描述，這些內容成為他的暢銷書《科羅拉多河及其峽谷的探險》。科羅拉多河探險的成功使他被任命到華盛頓特區，擔任史密森學會人類學局局長，幫助保護美洲原住民文化和語言，以及美國地質調查局，負責監督美國西部的調查。鮑威爾告誡政府，從瞭解密西西比河沿岸的洪水到科羅拉多河峽谷乾旱沙漠地區的水資源短缺問題，河流的重要性不容忽視。並非所有的人都採納了他的建議，因為河流被築壩和排幹。在 20 世紀 30 年代的大蕭條時期建造的胡佛大壩形成了內華達州的米德湖水庫，而 20 世紀 60 年代建造的格倫峽谷大壩形成了猶他州南部的鮑威爾湖水庫。格林河也被築壩，火焰峽谷大壩於 1964 年建成，在猶他州東北部和懷俄明州形成了一片大型淡水水庫。這些對河流流量的人為限制是為了保留農業用水，併為美國西南部乾旱沙漠地區迅速增長的城鎮提供電力。

河流的本質，包括溪流、小溪和其他支流，可以簡單地定義為透過河道的流動水體。河流輸送著地球固體部分的侵蝕部分，並將這些鬆散的沉積物沉積到遠離其原始來源的地方。地質學家將河流引起的侵蝕和沉積過程稱為河流過程。河流形成在特定的排水區域內，在那裡形成集水區。集水區由高地形定義，通常是山區地形，它將水流分開。這些高地形邊界被稱為排水分界線或分水嶺，因為水從這些斜坡上流下，流入排水盆地。河流流向景觀的最低地形，切入形成複雜的支流系統或網路。河流系統中的每個河段或鏈節都可以透過河流等級來分類。例如，在鮑威爾沿格林河的河之旅中，許多其他較小的河流流入格林河，包括亞姆帕（或熊）河和懷特河，每次都累積了這些河流的額外流量。科羅拉多河曾經被定義為格林河和大河的交匯處，但由於這種命名慣例意味著科羅拉多河不在科羅拉多州流淌，所以“大”這個名字被去掉，取而代之的是地理學家將科羅拉多河的名字向上遊延伸。地貌學家研究河流系統的形狀，根據河流等級來定義這些名稱，1 級河流是微小的支流，而 10 級等更高的等級則由 10 個支流的總和組成，是排水盆地中更大的河流。

河流在不同的坡度上向下流動，在山區坡度陡峭，在低地坡度平緩。科羅拉多河的平均坡度約為每公里 5 米，而密西西比河的平均坡度僅為每公里 0.01 米。科羅拉多河沿線的坡度要高得多，有些河段每公里下降 12 米，形成了著名的激流。河流的坡度或傾斜度控制著河流在跨越景觀時的整體行為。水的速度或流動速度也與坡度有關，但可能不像你想象的那樣。像科羅拉多河這樣的坡度較大的河流，其水流速度比密西西比河等大型低坡度河流慢。科羅拉多河的水流受到岩石和其他阻礙水流的障礙物的減緩，實際上減慢了水流速度，而密西西比河的水流受到岩石和其他大型障礙物的阻礙較小。河流的速度以兩種不同的方式測量，一種是測量一段木頭或其他漂浮物經過河流上的測距點所用的時間，另一種準確的方法是使用流量計，它透過水旋轉螺旋槳的能力來測量水的速度。

測量河流流量

河流流量 (Q) 是河流流量最重要的測量指標之一。流量是指在特定時間間隔內透過河流上某一點的總水量。要測量流量，必須知道河流的速度、寬度和深度。Q = V x W x D。河流的流量由河流測流站測量。測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寬度內的流量。深度使用流動的河邊上的刻度尺測量，速度使用流量計測量。河流流量通常在容易發生春季洪水的河流的不同河段進行監測，因為當洪水過後流量迅速上升時，可以向下遊居民釋出洪水預警。隨著河流等級的提高，河流的平均流量也會增加，因為更多來自周圍支流的水流入主河道。密西西比河流入大西洋的平均流量約為每秒 200,000 到 700,000 立方英尺。在鮑威爾旅行期間，科羅拉多河流入太平洋的平均流量約為每秒 22,500 立方英尺，如今，幾乎沒有科羅拉多河的水流入太平洋，因為大部分水都因蒸發和上游使用而損失，被沿河眾多水壩攔蓄。在自然狀態下，河流會增加下游的流量，最大的水量流入海洋，形成河流三角洲或河口。

河流三角洲形成於河流攜帶的沉積物在河流流入海洋時，其承載能力下降，導致沉積物堆積，形成複雜的泥沙灘，將河流分成許多河道，以便在沉積物堆積區域中航行。河口形成於海平面上升，海洋過程（如潮汐和波浪）向上遊推進，淹沒河谷。河口以其含有的鹹淡水而聞名，是鹹的海水和淡水的混合物。

辮狀河與蜿蜒河

地質學家定義了兩種型別的河流系統。辮狀河，形成在複雜的沙洲之間交織的辮狀河道，以及蜿蜒河，形成在景觀上蜿蜒曲折的河道。辮狀河僅限於河流攜帶大量沉積物的地區，以春季融雪為主，並且往往位於由冰川供水的山區附近。水流將遵循沙洲之間的複雜辮狀模式，這些沙洲將水流引導到它們之間。這些沙洲會重新排列，特別是在春季洪水期間，但可能會在較短的時間間隔內保持穩定。辮狀河系統富含沉積物，實驗表明，它們在岩石和沉積物鬆散地保持在一起時形成。辮狀河系統被認為是地球表面陸地植物進化之前占主導地位的河流系統形式，因為植物的根部將沉積物固定在一起，並形成更牢固的河岸。這阻止了辮狀河的形成。

蜿蜒河系統是當今地球表面占主導地位的河流型別。它們在陸地上形成蜿蜒起伏的路徑。這些河曲的形成是流動水的速度與其對河道兩岸侵蝕的影響不斷增強的平衡的結果。河流從一個位置到另一個位置永遠不會直線流動，這是因為河流內部流動水速度的微小差異的分佈。在河流內，水流在跨越景觀時往往會減緩到河流的一側，而另一側則流速更快。這種向河流一側移動的更高速度是由於作用在流動水上的摩擦力的結果。河流的一側會流速相對更快，並開始侵蝕河道該側河岸的邊緣。河流的這一區域被稱為河流的切岸，即水流切入河道邊緣的那一側。在河流的另一側，速度會更慢，河心灘會形成，河流運輸的沙子和其他沉積物將開始積聚，形成河心灘，即一層厚的沙子和沉積物。河流流量中最高的速度將在切岸下方偏離中心，在該區域內會形成滯留沉積物，即河流所能向下遊攜帶的最大岩石附近的大岩石。而河心灘將積累較小的沉積物，因為河流攜帶較大岩石和粗粒沉積物的能力較低。

隨著時間的推移，河流會持續侵蝕高速流速側的河岸一側，而低速流速側的另一側則會因沙子和沉積物的沉積而逐漸增長。河流下游會交替出現河岸侵蝕和沙洲，分別位於河流的不同側。最終，當河岸侵蝕持續進行時，河流會擴大彎道，直到與河流走向上的另一個河岸侵蝕處接觸。這種繞流形成了一個牛軛湖，即被河流主幹道繞過的河流的孤立部分。

在不同坡度或斜率的大型沙箱中進行的實驗表明，蜿蜒河流需要沉積物穩定，無論是透過根系還是岩石化。如果沉積物鬆散，例如沙子，河流模式將導致辮狀河系統。隨著陸地植物的出現，地球上大多數河流系統都會蜿蜒，但並非所有河流都表現出蜿蜒模式，尤其是在河流高度季節性並在鬆散沉積物（如沙子）上流動時。

縱觀歷史，地球上的河流透過剝蝕過程將大量沉積物從大陸轉移到海洋。剝蝕是指移動的水導致地球表面磨損的過程。這些沉積物在大陸的排水盆地和海岸線處堆積，並在此處沉積。河流傾向於在切割河岸一側並將其沉積物重新沉積到另一側的沙洲上（但略微下游）時，也在排水盆地內水平移動沉積物。這種沉積物的沉積導致交錯層理，其向下的傾斜方向指向河道軸線。地質學家可以測量這些交錯層理特徵，以確定河流系統隨時間的變化流動方向。河流也向下切割地貌，在此過程中不斷向下侵蝕峽谷，並在不同的海拔高度留下粗大的河流卵石的階地堆積。這些階地堆積物如果可以進行年代測定，就可以揭示河流系統峽谷或山谷的侵蝕歷史。

河流被天然堤固定在河岸上。天然堤是由沉積物和/或有機物質（例如木頭）組成的低矮山脊，由水在季節性流量高峰期沿河沉積形成。這種沉積物的沉積形成低矮山脊，在季節性徑流和年度高流量水平期間，有助於將河道保留在主要河道系統內。然而，在罕見的洪水事件期間，這些天然堤可能會被衝破，導致洪水淹沒其外圍的更大的泛濫平原。氾濫平原是靠近河流的低窪地形，在極高流量期間會發生罕見的洪水。由於靠近水源，氾濫平原是人們在灌溉土地附近建造房屋和建築物的理想區域。不幸的是，當河流泛濫其天然保護堤時，洪水會在此造成相當大的損害。

洪水頻率分析

1928 年，埃米爾·尤利烏斯·古姆貝爾，海德堡大學的數學教授，在出版的一本書中發表了研究成果，導致他被通緝。當時他不是地質學家，也不是河流和洪水的研究人員，而是研究極端事件的數學統計學。早在 1919 年，自由軍團（一個後來演變成納粹黨的衝鋒隊或“褐衫”的準軍事組織）成員就開始實施政治謀殺。古姆貝爾記錄了 20 世紀 20 年代這些政治謀殺的上升趨勢，透過跟蹤全國範圍內記錄在案的死亡人數，並注意到這些死亡背後的政治動機。謀殺是一種極端事件，從統計學角度來看，它們發生的頻率應該很低；入室盜竊失控、家庭暴力導致的謀殺、謀殺自殺，甚至大規模槍擊，所有這些都是極端事件。但古姆貝爾想知道這些事件是否是由秘密策劃實施這些殺戮的政治準軍事組織的興起造成的。1928 年，他出版了他的第二本書，證明謀殺率的上升實際上是德國秘密準軍事組織實施政治謀殺的結果。擔心自己也會被這些勢力謀殺，他逃往法國，後來在 1940 年戰爭期間逃往美國，在那裡他繼續他的數學工作。二戰後，德國納粹黨被擊敗，他將自己的數學工作應用於其他極端事件，如洪水。

洪水和謀殺都可以用它們的復發間隔來描述。復發間隔是指兩次極端事件之間的間隔時間。事件越極端，復發間隔就越長。百年一遇洪水指的是每 100 年才發生一次流量達到最大值的洪水，而十年一遇洪水指的是每 10 年才發生一次流量達到最大值的洪水。復發間隔通常與其相應的流量 (Q) 繪製在一起，形成一條斜率遞增的迴歸線；復發間隔越長，總流量 (Q) 就越高。

假設的洪水復發間隔，顯示了復發間隔與最大流量的對應關係，以及古姆貝爾提出的累積“排序”流量，顯示了多年來洪水的分佈情況。

無論是謀殺還是洪水，復發間隔都能告訴你一個地方的很多資訊。例如，如果某個城鎮的謀殺復發間隔是一年一次，那麼它就沒有一個每 100 年才發生一次謀殺的城鎮安全。洪水也是如此，你不會想住在一所每 5 年就會被洪水淹沒的房子裡，但住在每 250 年才發生一次洪水的地區的房子風險較低，是一個更安全的生活場所。需要注意的是，這些極端事件是機率事件，就像擲骰子一樣，骰子有不同的面數。百年一遇洪水發生的機率與擲一個 100 面骰子，擲出數字 42 的機率相同。每年都是擲骰子的一次新機會。如果第二年擲出的骰子也是 42，這意味著在連續的兩年內發生了兩次百年一遇洪水，這種機率將是原來的幾倍。例如，擲出 100 面骰子得到 42 的機率是 0.01（或 1:100）。擲出 100 面骰子第二次得到 42 的機率是 0.01（或 1:100）。然而，第一次擲出 42 並且第二次擲出 42 的機率等於 0.01 x 0.01 = 0.0001 或（1:1,000）。第一次擲出 42，第二次擲出 42，第三次也擲出 42 的機率是 0.01 x 0.01 x 0.01 = 0.000001 或（1:100,000）。如果你繼續擲出 42，你就會開始懷疑骰子是否真的有 100 個面，而且可能被人動了手腳。在 20 世紀 20 年代的德國，古姆貝爾記錄了謀殺事件隨著納粹黨的興起而上升的奇特現象，並利用數學方法向人們敲響了警鐘，警告人們注意重大政治掩蓋行為。但是對於河流來說，我們如何測量洪水，尤其是那些罕見且可能沒有記錄在案的極端洪水事件呢？

在河流沿線的水文站，透過測量河流流量的寬度、深度和流速，即時記錄河流流量 (Q) 的資料，單位為立方米每秒 (m³/s) 或立方英尺每秒 (ft³/s)。這些資料按峰值流量和該峰值流量的日期進行排序。每個日期的流量從最大流量到最小流量進行數字排名。每個流量的重現期由該流量在該特定日期的特定排名被超越的逆機率計算得出。如果某一年的重現期為 0.01（1:100），那麼該流量重新出現的機率為 100 年。這種分析方法被稱為古姆貝爾分佈；以古姆貝爾的名字命名，他於 1935 年創立了這種數學方法，並於 1941 年將其應用於洪水的研究中。古姆貝爾的統計分析側重於極端事件的機率，從災難性洪水到威權政權的興起。如今，古姆貝爾關於極端事件的研究對於理解氣候變化對地球的影響至關重要，特別是大氣變化如何影響地球表面河流的流動。

淡水的意義

1973 年，16 歲的梅·傑米森離開芝加哥的家，憑藉獎學金進入加利福尼亞州的斯坦福大學。她一生的偶像是有名芭蕾舞演員朱迪斯·傑米森，儘管她想像偶像一樣成為一名全職舞蹈演員，但她還是選擇了非洲裔美國人研究作為她的專業，這是一個在十年前民權運動期間誕生的新專業。傑米森還對工程學和科學感興趣，也是原始星際迷航電視劇的粉絲。作為一名有魅力的才華橫溢的年輕女性，她擁有非洲血統，她在註冊科學和工程課程時，害羞地坐在教室的後面。她的大多數同學都是白人男性，她覺得自己作為一個年輕女性和非裔美國人，格格不入。在流體力學課程的第一天，她躲在教室的後面，像往常一樣，但她的教授注意到她在那裡，便安排她與教室前面的一組同學一起工作。透過這門課程的經歷，傑米森對科學和工程產生了熱愛，畢業後，她繼續在紐約從事醫生的職業。醫學院畢業後，傑米森在東南亞和西非擔任醫生多年，之後返回美國。她對太空旅行的興趣促使她有一天給約翰遜航天中心打電話，詢問她是否可以申請成為宇航員。他們給她寄了一份申請表，她就申請了。她身體素質良好，曾擔任專業舞蹈演員，擁有科學和工程學學位，以及擔任醫生的經驗，這使她成為一名宇航員的理想人選，但在 1986 年 1 月 28 日，美國國家航空航天局的挑戰者號太空梭在發射升空時爆炸，機上的 5 名宇航員全部遇難。儘管發生了災難，未來的太空旅行也被取消，但傑米森還是在 1987 年被美國國家航空航天局選中，在 2,000 名其他申請者中脫穎而出，接受訓練，成為 1992 年奮進號太空梭任務的宇航員。

她的職責是研究太空旅行對健康的影響，特別是研究在太空和低重力環境下使用靜脈注射液。最終，她實現了夢想。在高高的地球上方，傑米森透過宇宙飛船的窗戶向下望去，看到了我們稱之為家的地方的脆弱性。看到整個地球完全被太空的黑暗包圍，讓她意識到保護地球水資源的重要性。回到地球后，傑米森離開了 NASA，成為達特茅斯學院環境研究教授。她作為一名醫師和宇航員的經歷促使她認識到清潔淡水的寶貴。她開始舉辦科學夏令營，不僅推廣對太空的探索，還培養新一代科學家來解決地球淡水供應面臨的問題。