Völlig ohne äußeren Anlass, allein durch sich selbst verstärkende Effekte, können sich in Flussbetten Stromschnellen und Wasserfälle bilden. Das berichten jetzt Joel S. Scheingross vom GFZ in Potsdam und dem California Institute of Technology in Pasadena sowie Michael P. Lamb und Brian M. Fuller, ebenfalls vom California Institute of Technology auf der Basis von Versuchen mit einem Flussmodell. Das in »Nature« veröffentlichte Ergebnis widerspricht der Annahme, dass Wasserfälle an Flüssen grundsätzlich auf äußere geologische oder klimatische Ursachen zurückgehen, wie zum Beispiel unterschiedlich harte Gesteine oder abrupte Veränderungen in den Regenmengen. Einige Wasserfälle könnten einfach von selbst entstanden sein; man müsse diese nun identifizieren, um die Geschichte von Landschaften korrekt zu interpretieren, so die Forscher.

Das Modell der Arbeitsgruppe besteht aus einer 7,3 Meter langen, geneigten Fläche aus einem einheitlichen Kunststoffschaum, über die eine gleich bleibende Menge Wasser, vermischt mit Sedimentkörnern fließt. Wasser allein trägt die Unterlage nicht ab, Erosion findet vor allem durch die mitgeschleppten festen Partikel statt – was auch bei Flüssen auf Felsgrund der Fall ist. Das sei der entscheidende Unterschied zwischen ihrem Modell und anderen simulierten Flüssen: Meist bestehe das Flussbett dort aus Sediment, das auch vom Wasser allein mitgetragen werden könne. Doch das gibt nicht die Situation bei Wasserfällen wieder. Eine solche Steilstufe erfordert festes Grundgestein, das vor allem vom Sediment erodiert wird.

Wie die Gruppe berichtet, entstehen unter diesen Bedingungen durch positive Rückkopplung von Instabilitäten in der Strömung und Sedimentablagerung immer wieder Steilstufen. Allein durch die Turbulenz und dadurch entstehende Strömungsunterschiede bildet sich im Flussbett eine Serie von Mulden, deren Boden weiter abgetragen wird, weil Wasser und Sediment von oben hereinfließen. Ein Wasserfall entsteht, wenn eine Mulde so tief wird, dass das Sediment liegen bleibt und den Boden vor weiterer Abtragung schützt.

Die nächste Mulde flussabwärts tieft sich immer weiter ein und der Übergang wird immer steiler, bis irgendwann das Wasser aus der oberen Mulde über die Kante schießt und im freien Fall in ein tiefes Becken am Fuß des Falls stürzt. Doch die Mechanismen, die den Wasserfall erschaffen haben, zerstören ihn auch wieder: Irgendwann ist das Becken so tief, dass der Boden nicht mehr abgetragen wird – die obere Kante des Wasserfalls dagegen ist weiter der Erosion ausgesetzt. Etwa bis zu 10 000 Jahren könnte so eine Stufe in einem echten Flussbett bestehen bleiben, bis der Zyklus neu beginnt, vermuten die Forscher.