Zwoje papieru o szerokości 13 cali rozciągały się na 60 stóp, więc Stefan Talke zebrał stoły w Archiwum Narodowym, aby rozwinąć arkusze zawijasów śledzących wzlot i upadek przypływów sprzed wojny secesyjnej. „To było fantastyczne” - wspomina. „Zakładałem, że wszystkie te zapisy zaginęły, i oto jestem z kluczami do pałacu”.
Zapisy są kluczem nie tylko do zrozumienia przeszłości, ale także do przyszłości miast, takich jak Wilmington, Karolina Północna; Jacksonville na Florydzie; Jamaica Bay, Nowy Jork i inne porty w całym kraju. Zainspirowani tymi rekordami pływów, Talke i jego koledzy stworzyli modele komputerowe, które pokazują, jak pogłębiające się kanały przystosowane do przyjmowania statków towarowych mogą powodować wyższe przypływy i dramatycznie zwiększone powodzie w wyniku gwałtownych fal w niektórych miastach.
Zwoje tego dnia w 2011 r. Pochodziły z Astorii w stanie Oregon nad rzeką Columbia w pobliżu Talke, gdzie jest profesorem inżynierii środowiska na Uniwersytecie Stanowym w Portland, badającym hydrodynamikę ujść rzek, rzek i oceanów. W ciągu następnych kilku lat Talke i jego koledzy odkryli więcej dawno zaginionych opowieści pływowych obejmujących Nowy Jork, Karolina Północna, Massachusetts, Floryda, Delaware, Wirginia i inne obszary przybrzeżne. Za każdym razem robili zdjęcia rekordów i wracali do stanu Portland, gdzie studenci Talke starannie przekazali informacje do cyfrowej bazy danych z informacjami o pływach przez cały XIX wiek. Najwcześniejsze wzmianki o Bostonie w latach dwudziestych XIX wieku, dziesięciolecia starsze niż wcześniej dostępne.
Wybrzeże USA i mapa geodezyjna St. John River z 1899 r. Jacksonville to małe miasteczko po lewej stronie zdjęcia. W pobliżu Dame Point kanał został pogłębiony na 18 stóp w 1894 r. (Talke i in.) Talke połączył tę staromodną sztuczkę z nowoczesnym modelowaniem, aby zbadać zmiany w ujściach rzek związane z pogłębianiem, które rozpoczęło się około 150 lat temu w miastach portowych. Zastanawiał się, czy znajdzie efekty podobne do tego, co odkrył podczas projektu podoktoranckiego badającego ujście rzeki Ems na granicy Niemiec i Holandii. W Europie starał się wyjaśnić, dlaczego nastąpił gwałtowny wzrost stężenia osadów, co doprowadziło do powszechnego wyczerpania tlenu i katastrofy ekologicznej. Dowiedział się, że pływy zmieniły się, niemal podwojone w ciągu dziesięcioleci. Czemu? Pogłębianie, usprawnianie i poszerzanie kanału żeglugi z czasem spowodowało dramatyczną zmianę hydrodynamiki ujścia.
Niektóre miasta portowe wzdłuż wybrzeży USA wykazują podobne wyniki do ujścia rzeki Ems, chociaż Talke ostrzega, że każde ujście jest inne. W kilku miejscach odkrył, że pogłębianie kanałów zmniejszyło ryzyko powodzi. W innych zmiany na przestrzeni ponad stulecia były dramatyczne, podwajając przewidywaną wysokość fali sztormowej, znacznie powyżej wzrostu poziomu morza, wzrostu intensywności burzy i innych czynników. Wydaje się, że skutki są najbardziej szkodliwe w górnym biegu rzeki iz dala od wybrzeży - w miejscach, gdzie ludzie uważają, że mają mniejsze ryzyko.
Kluczem do tych ustaleń są historyczne zapisy odkryte przez Talke. Pozwolili badaczom przerzucić zwykłą rolę modeli komputerowych - przewidywanie przyszłości - i cofnąć się w czasie, aby zbadać, jak zachowały się ujścia rzek i rzeki przed pogłębieniem kanału. Kiedy ich modele odtwarzają historyczne przypływy, które zespół Talke znalazł w papierowych dokumentach, daje im to pewność, że modele są poprawne.
„Jest to dobre wykorzystanie archiwalnych danych, które mogą rozwiązać ważne problemy, które pozostały niezauważone, a także dać wgląd w to, jak wrażliwy jest system taki jak ujście rzeki na zmieniające się warunki”, mówi Talke. „W ciągu ponad stulecia znacznie zmieniliśmy podwodną topografię naszych portów i ujść rzek. Dosłownie przenieśliśmy góry brudu, eksplodowaliśmy wierzchowce morskie, wyprostowaliśmy doliny i stworzyliśmy autostrady dla super dużych statków. Te zmiany w nasze porty są wszechobecne na całym świecie, a ich efekty w wielu przypadkach nie zostały w pełni uwzględnione lub nawet zmapowane ”.
Jednym z takich miejsc jest Wilmington w Karolinie Północnej, w której występuje jedno z największych zjawisk powodzi słonecznych w kraju - ostatnio ponad 80 dni w roku. Odczyty, które Talke znalazł w 1887 r., Pokazują, że zasięg pływów w Wilmington podwoił się w ciągu ostatnich 130 lat, znacząco zmieniając częstotliwość tak zwanych uciążliwych powodzi.
W pobliżu wybrzeża przypływy wzrosły tylko nieznacznie - znak, że zmiany są spowodowane sztucznymi zmianami w rzece. Korzystając z modelowania komputerowego, Talke i student, Ramin Familkhalili, ustalili, że najgorszy przypływ burzy oczekiwany od huraganu kategorii 5 wzrósł do 18 stóp, w porównaniu z 12 stopami w XIX wieku, kiedy kanały wokół Wilmington znajdowały się w połowie dzisiejszej głębokości .
Kontenerowiec płynie w pobliżu wyspy Bald Head Island, NC, w drodze do portu Wilmington w czwartek, 8 sierpnia 2013 r. (AP Photo / Harry Hamburg) Huragan Florencja zalał miasto we wrześniu. „Myślę, że można powiedzieć, że część powodzi była najprawdopodobniej spowodowana zmianami w systemie” - mówi Talke. Zauważa, że Wilmington skorzystał z bycia po stronie huraganu z wiatrami wiejącymi od brzegu, tłumiącymi falę sztormową. Dodaje, że aby w pełni zrozumieć, naukowcy musieliby wykonać model w pełnej skali, w tym opady deszczu i pole wiatrowe.
W miarę powiększania się statków kontenerowych, stymulowanych pogłębianiem Kanału Panamskiego, porty na całym świecie pogłębiały kanały jeszcze głębiej - do 50 stóp lub więcej w przypadku portów w Nowym Jorku, Baltimore, Norfolk, Charleston i Miami. Studia wykonalności dla tych projektów, w tym analizy Korpusu Inżynierów Armii, badają perspektywy gospodarcze i niektóre oddziaływanie na środowisko, ale odrzucono wpływ pogłębienia kanału na zmiany pływów, powodzie i przypływy sztormowe. Na całym świecie prowadzone są projekty pogłębiania rzeki Łaby i portu w Hamburgu, największego portu w Niemczech; Rotterdam, największy port w Europie; oraz port w Pusanie w Korei, między innymi.
W niektórych miejscach efektem było zaproszenie do oceanu i wystawienie miast dziesiątki mil w górę rzeki na ekstremalne pływy i powodzie. Ale w jaki sposób pogłębianie kanałów może zwiększyć zasięg pływów, a tym samym gwałtowny sztorm i powodzie? Istnieją dwa podstawowe czynniki.
Pogłębianie wygładza dno kanału, eliminując naturalne przeszkody, takie jak wydmy, skały, trawy i ostrygi, które utrudniają przepływ, przekształcając go z trudnego szlaku terenowego w śliską bieżnię NASCAR. Bez tego oporu przepływu wody traci się mniej energii, zwiększając napływ i przypływy burz. Pogłębiające się kanały zmniejszają również efekty turbulencji. Wolno poruszające się wody na dnie nie mieszają się tak szybko z szybszymi wodami w pobliżu powierzchni (pomyśl o starym powiedzeniu, że wody spokojne biegną głęboko), więc wody powierzchniowe zasadniczo jeżdżą na łyżwach, nie ulegając prawie tak dużemu spowolnieniu.
Talke i jego koledzy odkryli również, że odwrotność pogłębiania kanałów może być prawdziwa. W artykule z 2015 r. Modelowali efekt spłycenia nowojorskiej Zatoki Jamajskiej i odkryli, że przywrócenie kanału do naturalnych, historycznych głębokości zmniejszy zasięg pływów i falę sztormową.
„Bezpośrednie interwencje inżynieryjne i modyfikacje naszych linii brzegowych, ujść rzek i portów mogą mieć duży efekt” - mówi Talke. „Być może zmieniamy fizykę systemu.”
Geopotes 14, pogłębiarka kosza zasysającego, podnosi wysięgnik z kanału w Holandii. Statek może pogłębiać do głębokości 33, 8 metra, a nawet głębiej z przedłużeniem. (Wikimedia Commons / CC 3.0) Mimo ogólnych trendów każda lokalizacja jest inna. Każda burza jest inna. Na przykład pogłębienie kanału zmniejsza wpływ wiatrów wbijających wodę w ujście rzeki. Pogłębienie kanałów w niektórych miejscach może nie przynieść żadnego efektu, a nawet złagodzić falę sztormową i powodzie, jak twierdzą badacze w Portland w stanie Oregon i Albany w Nowym Jorku. W tych lokalizacjach zmniejszenie spadku rzek spowodowane pogłębianiem kanałów miało większy wpływ niż pogłębianie kanałów.
Jednak w Jacksonville plany zwiększenia głębokości kanału do 47 stóp były kontrowersyjne po powodzi podczas huraganu Irma, burzy kategorii 1 w 2017 r., Która osiągnęła historyczny poziom przypływu, pomimo wystąpienia podczas odpływu. Lokalna grupa ekologiczna, St. Johns Riverkeeper, pozwała o zatrzymanie pogłębiania. W ciągu ostatnich 120 lat kanał w rzece St. Johns, który zwęża się, gdy przepływa przez centrum 26 mil od oceanu, został pogłębiony do głębokości 41 stóp z 18 stóp. Podobnie jak Wilmington, pogłębianie kanałów i usprawnianie rzeki niemal podwoiło zasięg pływów wokół Jacksonville, według Talke.
Carl Friedrichs, przewodniczący Wydziału Nauk Fizycznych w Virginia Institute of Marine Science, należącym do College of William & Mary, mówi, że Talke jest liderem w wykorzystywaniu historycznych zapisów pływów do badania zmian w systemach przybrzeżnych. „Jestem pod wielkim wrażeniem pracy, którą widziałem” - mówi Friedrichs. „Jednym z motywów jego pracy, który jest naprawdę fajny, jest opisanie nieoczekiwanych nieliniowych informacji zwrotnych, w których, jak myślisz, dzieje się jedna rzecz, ale dzieje się kaskada innych rzeczy”.
Na przykład pogłębianie kanałów prowadzi do przemieszczania się osadów w nieoczekiwane miejsca, dosłownie zabłocenia wód, a także zwiększa wnikanie słonej wody do rzek słodkowodnych, co ma działanie kaskadowe. Christopher Sommerfield, oceanograf przybrzeżny i geolog z University of Delaware, opublikował artykuły z Talke i innymi w Newark Bay i Delaware Bay. W ujściu Delaware, Sommerfield mówi, że pogłębianie kanałów zwiększyło zasolenie w górę rzeki bliżej Filadelfii i Trenton. Gdy linia soli przesuwa się w górę rzeki, nie tylko zmienia życie morskie, ale także zagraża zaopatrzeniu w słodką wodę w Filadelfii (rzeka Delaware), a także w przemysłach, które wykorzystują wodę (woda morska jest bardzo żrąca). Ponadto Sommerfield twierdzi, że pogłębianie konserwacyjne usuwa osady, które niegdyś tworzyły błoto i mokradła wzdłuż rzeki - ważne cechy tłumienia energii fal.
W niedawnym artykule Talke i jego koledzy autorzy twierdzą, że wrażliwe społeczności przybrzeżne mogą nie doceniać łącznego wpływu zmian fal sztormowych, siły fal, utraty terenów podmokłych i wzrostu poziomu morza. „Myślę, że ludzie zaczynają dopracowywać fakt, że nie masz przypływu i nie masz fali sztormowej, a poziom morza podnosi się sam” - mówi. „Nie możesz traktować ich wszystkich niezależnie, zsumować wszystko i uzyskać zmianę ryzyka. Musisz rozważyć je wspólnie”.
Dla Talke pytanie brzmi teraz, w jaki sposób te wskazówki, które kiedyś spowiły przeszłość, mogą kształtować bezpieczniejszą przyszłość. „Masz ten zmienny efekt tam, gdzie są, w pewnym sensie, zwycięzcy i przegrani. Są miejsca, takie jak Albany, w których obserwuje się zmniejszenie ryzyka, a niektóre miejsca, w których obserwuje się duży wzrost ryzyka”, mówi. „Martwię się o to, że tak naprawdę nie zbadaliśmy tego w pełni, więc nie wiemy, które regiony będą miały większy wpływ, a które regiony będą nieco bardziej chronione.
„Ucząc się z przeszłości”, dodaje Talke, „możemy lepiej przygotować się na przyszłość”.
