Forskere kvantificerer, hvordan bølgekraft driver kysterosion

Over millioner af år, Hawaii -vulkaner har dannet en kæde af vulkanske øer, der strækker sig over det nordlige Stillehav, hvor havet bølger fra alle retninger, rystet op af fjerne storme eller ført ind på tradewinds, har slået og formet øernes kystlinjer i varierende grad.

Nu har forskere på MIT og andre steder fundet ud af, at på Hawaii, mængden af ​​energi leveret af bølger i gennemsnit hvert år er en god forudsigelse for, hvor hurtigt eller langsomt en stenet kystlinje vil erodere. Hvis bølgerne er store og hyppige, kysten eroderer hurtigere, hvorimod mindre, mindre hyppige bølger vil resultere i en langsommere eroderende kyst.

Deres undersøgelse hjælper med at forklare Hawaiiøernes slyngede kystlinjer, hvor nordvendte havklipper, oplever større bølger produceret af fjerne storme og vedvarende handelsvind, eroderet længere inde i landet. I modsætning, sydvendte kyster nyder typisk roligere farvande, mindre bølger, og derfor mindre eroderede kyster.

Resultaterne, offentliggjort i denne måned i tidsskriftet Geologi , kan også hjælpe forskere med at forudsige, hvor hurtigt andre klippekyster rundt om i verden kan erodere, baseret på bølgernes kraft, som en kyst typisk oplever.

"Over halvdelen af ​​verdens oceaniske kystlinjer er stenede havklipper, så erosion af havklipper påvirker mange kystnære indbyggere og infrastruktur, "siger Kim Huppert, Ph.D, hovedforfatter af undersøgelsen og en tidligere kandidatstuderende i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber. "Hvis stormheden stiger med klimaforandringerne, og bølgerne bliver større, vi skal specifikt forstå, hvordan bølger påvirker erosion. "

Huppert, som nu er seniorforsker ved det tyske forskningscenter for geovidenskaber, har skrevet forfatteren sammen med Taylor Perron, professor i jorden, atmosfærisk, og planetarisk videnskab og associeret afdelingsleder på MIT, og Andrew Ashton fra Woods Hole Oceanographic Institution.

Vask og udskær

Forskere har haft en ide om, at kystenes erosionshastighed afhænger af bølgernes kraft, der virker på denne kyst. Men indtil nu, der har ikke været nogen systematisk undersøgelse for at bekræfte dette forhold, hovedsagelig fordi der kan være så mange andre faktorer, der bidrager til kysterosion, der kan komme i vejen.

Holdet fandt, at Hawaii -øerne giver et ideelt miljø, hvor man kan studere dette forhold:Øerne er alle lavet af den samme type grundfjeld, hvilket betyder, at de ikke skulle tage højde for flere typer sten og sediment og deres forskelle i erosion; og øerne bebor et stort oceanisk bassin, der producerer en lang række bølgeklimaer, "eller bølger af forskellige størrelser og frekvenser.

"Når du går rundt på kysten af ​​forskellige øer, du ser meget forskellige bølgeklimaer, simpelthen ved at dreje et hjørne af øen, "Huppert noter." Og stentypen er det samme. Så Hawaii er et dejligt naturligt laboratorium. "

Forskerne fokuserede deres undersøgelse på 11 kyststeder omkring øerne Hawaii, Maui, og Kaho'olawe, hver står over for forskellige regioner i Stillehavet, der producerer forskellige størrelser og frekvenser af bølger.

Inden man overvejer bølgeeffekten på disse forskellige steder, de arbejdede først med at estimere den gennemsnitlige hastighed, hvormed havklipperne ved hver kystlokation eroderede i løbet af de sidste millioner år. Teamet søgte at identificere de erosionshastigheder, der producerede kystprofilerne på Hawaiiøerne i dag, givet øernes originale profiler, som kan estimeres ud fra hver øs topografi. At gøre dette, de skulle først redegøre for ændringer i hver øs lodrette bevægelse og havniveauændringer over tid.

Efter at der dannes en vulkansk ø, det begynder uundgåeligt at aftage, eller synke under sin egen vægt. Når en ø synker, niveauet, hvor havet interagerer med øen, ændres, ligesom hvis du skulle sænke dig ned i en pool:Vandets overflade kan starte ved dine ankler, og gradvist hoppe i knæ, din talje, og til sidst dine skuldre og hage.

For en ø, jo langsommere det synker, jo mere tid havet har til at skære kystlinjen ud i en bestemt højde. I modsætning, hvis en ø synker hurtigt, havet har kun flygtig tid til at skære ind i kysten, før øen aftager yderligere, afsløre en ny kystlinje for havet at slides væk. Som resultat, den hastighed, hvormed en ø synker, har stor indflydelse på, hvor langt kysten har trukket sig tilbage inde i landet ved en given højde, over millioner af år.

For at beregne hastigheden på øen synker, holdet brugte en model til at estimere, hvor meget litosfæren, det yderste lag af jorden, hvor vulkanske øer sidder, sænket sig under vægten af ​​hver hawaiisk vulkan dannet i de sidste millioner år. Fordi Hawaii -øerne er tæt på hinanden, nedsænkningen af ​​en ø kan også påvirke synke eller stigning af naboøerne, ligner den måde, et barn kan hoppe op på, da et andet barn synker ned i en trampolin.

Teamet brugte modellen til at simulere forskellige mulige historier om ø -synke i løbet af de sidste millioner år, og den efterfølgende erosion af havklipper og kystlinjer. De ledte efter det scenario, der bedst forbandt øernes oprindelige kystlinjer med nutidens moderne kystlinjer, og matchede de forskellige resulterende erosionshastigheder til de 11 steder, som de fokuserede på i deres undersøgelse.

"Vi fandt erosionshastigheder, der varierer fra 17 millimeter om året til 118 millimeter om året på de forskellige steder, "Siger Huppert." Den øvre ende af dette område er næsten en halv fod om året, så nogle af disse satser er ret hurtige for rock. "

Bølger af en størrelse

De valgte de 11 kystlokationer i undersøgelsen for deres variation:Nogle havklipper vender mod nord, hvor de bliver slået af stærkere bølger produceret af fjerne storme. Andre kyster mod nord oplever medvind, der kommer fra nordøst og producerer bølger, der er mindre, men hyppigere. De kystnære steder, der vender mod syd, oplever mindre, mindre hyppige bølger i kontrast.

Teamet sammenlignede erosionshastigheder på hvert sted med den typiske bølgekraft, der opleves på hvert sted, som de beregnet ud fra bølgehøjde og frekvensmålinger afledt af bøjedata. De sammenlignede derefter de 11 lokationers bølgekraft med deres langsigtede erosionshastigheder.

Hvad de fandt var en ganske enkel, lineært forhold mellem bølgekraft og hastigheden af ​​kysterosion. Jo stærkere bølger en kyst oplever, jo hurtigere eroderer kysten. Specifikt, de fandt ud af, at bølger af en størrelse, der forekommer hvert par dage, kan være en bedre indikator på, hvor hurtigt en kyst eroderer end større, men mindre hyppige stormbølger. Det er, hvis bølger er normale ikke -stormfulde dage er store, en kyst eroderer sandsynligvis hurtigt; hvis de typiske bølger er mindre, en kyst trækker sig langsommere tilbage.

Forskerne siger, at gennemførelsen af ​​denne undersøgelse på Hawaii gav dem mulighed for at bekræfte dette simple forhold, uden at forvirre naturlige faktorer. Som resultat, forskere kan bruge dette forhold til at forudsige, hvordan stenrige kyster i andre dele af verden kan ændre sig, med variationer i havniveau og bølgeaktivitet som følge af klimaændringer.

"Havniveauet stiger langs store dele af verdens kyster, og ændringer i vind og storm med igangværende klimaforandringer kan ændre bølgeregimer, også, "Perron påpeger." For at kunne isolere bølgeklimas indflydelse på kysten erosionshastighed får du et skridt tættere på at gå til et bestemt sted og beregne ændringen i erosionshastigheden der. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.