Eksperimenter for at bekæmpe stigning i havniveauet ved at omdirigere naturlig sandbevægelse

Mange ø-nationer, inklusive Maldiverne i Det Indiske Ocean, står over for en eksistentiel trussel som følge af et stigende havniveau forårsaget af globale klimaændringer. En gruppe MIT-forskere ledet af Skylar Tibbits, en lektor i designforskning ved Institut for Arkitektur, afprøver måder at udnytte naturens egne kræfter til at hjælpe med at opretholde og genopbygge truede øer og kyststrækninger.

Omkring 40 procent af verdens befolkning bor i kystområder, der er truet af havniveaustigninger i de kommende årtier, alligevel er der få dokumenterede foranstaltninger til at imødegå truslen. Nogle foreslår at bygge barrierevægge, uddybning af kystlinjer for at genopbygge strande, eller bygge flydende byer for at undslippe det uundgåelige, men jagten på bedre tilgange fortsætter.

MIT-gruppen var inviteret af Invena, en gruppe på Maldiverne, der havde set forskernes arbejde med selvsamling og selvorganisering og ønskede at samarbejde om løsninger til at imødegå havniveaustigningen. Det resulterende projekt har nu vist lovende indledende resultater, med halvanden fods lokaliseret sandophobning aflejret på kun fire måneder. MIT News bad Tibbits om at beskrive den nye tilgang og dens potentiale.

Spørgsmål:Folk har forsøgt at ændre og kontrollere sandets bevægelse i århundreder. Hvad var inspirationen til denne nye og anderledes tilgang til genopbygning af strande og kystlinjer?

A:Da vi første gang besøgte Maldiverne, vi blev taget til en lokal sandbanke, der netop var dannet. Det var utroligt at se størrelsen af ​​sandbanken, omkring 100 meter lang og 20 meter bred, og mængden af ​​sand, over 1 meter dyb, der blev bygget helt for sig selv, på kun få måneder. Vi kom til at forstå, at disse sandbanker dukker op og forsvinder på forskellige tidspunkter af året baseret på havets kræfter og undervandets batymetri. Lokalhistorikere fortalte os om, hvordan de ville samarbejde med havet, voksende vegetation for at udvide deres øer eller ændre deres form. Disse naturlige og kollaborative tilgange til at dyrke landmasse gennem sand selvorganisering kom i skarp kontrast til den menneskelige uddybning af sand fra det dybe hav, som også bruges til øindvinding. På samme tid, som det tager at opgrave en ø, som tager måneder, vi så tre forskellige sandbanker danne sig, gennem satellitbilleder.

Vi begyndte at indse, at mængden af ​​energi, tid, penge, arbejdskraft, og ødelæggelse af havmiljøet, der er forårsaget af uddybning, kunne sandsynligvis stoppes, hvis vi kunne forstå, hvorfor sandbanker dannes naturligt og udnytte dette naturlige fænomen med selvorganisering. Målet med vores laboratorie- og felteksperimenter er at teste hypoteser om, hvorfor sandbanker dannes, og omsætte disse til mekanismer til at fremme deres akkumulering på strategiske steder.

Ved at samarbejde med havets naturlige kræfter tror vi på, at vi kan fremme selvorganiseringen af ​​sandstrukturer for at dyrke øer og genopbygge strande. Vi mener, at dette er en bæredygtig tilgang til problemet, som i sidste ende kan skaleres til mange kystområder rundt om i verden, ligesom skovdrift bruges til at hjælpe med at styrke og beskytte skovene mod ukontrollerede brande eller tilgroning.

Q:Kan du beskrive, hvordan dette system fungerer, og hvordan det udnytter energien fra bølgerne til at bygge sandet op de steder, hvor det er nødvendigt?

A:Sammen med vores samarbejdspartnere på Maldiverne, vi designer, test, bygning, og implementering af nedsænkelige enheder, der, udelukkende baseret på deres geometri i forhold til havets bølger og strømme, fremme sandophobning i specifikke områder. I vores første felteksperiment byggede vi blærer af kraftigt lærred, syet sammen til de præcise rampegeometrier. Med vores andet felteksperiment, vi tog de bedste designs fra hundredvis af laboratorieeksperimenter og fik dem fremstillet af en geotekstilmembran. I begge forsøg fyldte vi blærerne med sand for at tynge dem ned og nedsænkede dem derefter under vandet. Til vores næste felteksperiment bygger vi blærer, der har indre kamre, der fungerer som en ballast i en ubåd, tillader blæren at synke eller flyde og hurtigt at blive flyttet eller udfoldet. Hvert eksperiment forsøger at gøre fremstillings- og installationsprocessen så enkel og skalerbar som muligt.

Den enkleste mekanisme, som vi tester, er en rampelignende geometri, der sidder på havbunden og stiger lodret til vandoverfladen. Så vidt vi forstår, hvad vi ser er, at når vandet flyder over toppen af ​​rampen, skaber det turbulens på den anden side, at blande sandet og vandet og derefter skabe sedimenttransport. Sandet begynder at samle sig på bagsiden af ​​rampen, konstant hober sig oven på sig selv. Vi har testet mange andre geometrier, der forsøger at minimere wrap-around effekter, eller fokusere akkumuleringen på specifikke områder, og vi fortsætter med at søge efter optimale geometrier. På mange måder, disse opfører sig som naturlige dybdevariationer, rev strukturer, eller vulkanske formationer og kan fungere på samme måde ved at fremme sandakkumulering. Vores mål er at skabe tilpasningsdygtige versioner af disse geometrier, som let kan flyttes, omorienteret, eller indsat, når årstiderne skifter, eller stormene tiltager.

Siden 2018 har vi udført eksperimenter i vores laboratorium på MIT i samarbejde med Taylor Perron i [The Department of] Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber. Vi har bygget to bølgetanke, hvor vi tester en række forskellige bølgeforhold, sand adfærd, og geometrier for at fremme akkumulering. Målet er at tilpasse vores laboratorieeksperimenter og modeller til virkelige forhold, der er specifikke for de to fremherskende årstider på Maldiverne. Vi har lavet hundredvis af tankeksperimenter indtil videre og bruger disse undersøgelser til at få intuition og indsigt i, hvilke mekanismer der resulterer i den største sandophobning. Det bedste af disse laboratorieforsøg omsættes derefter til felteksperimenter to gange om året.

Spørgsmål:Hvordan var du i stand til at opdage og kvantificere effekterne af dit eksperiment, og hvad er dine planer for at fortsætte og udvide dette projekt?

A:Vi har indsamlet satellitbilleder, drone optagelser, og fysiske målinger lige siden installationen af ​​vores første felteksperiment i februar 2019 og vores andet felteksperiment i oktober / november 2019. Satellitbillederne og droneoptagelserne giver os en visuel indikation af sandophobning; imidlertid, det er udfordrende at kvantificere mængden af ​​sand fra disse billeder. Så vi er stærkt afhængige af fysiske dybdemålinger. Vi har en række koordinater, som vi sender til vores samarbejdspartnere på Maldiverne, som så tager en båd eller jetski ud til disse koordinater og tager dybdemålinger. Vi sammenligner derefter disse målinger med vores tidligere målinger, med tanke på dag/tid og forhold til tidevandshøjden.

Med vores seneste felteksperiment, vi har indsamlet billeder og fysiske målinger for at analysere sandophobningen. Vi ser nu omkring en halv meter (ca. 20 tommer) ny sandophobning over et område på cirka 20 meter gange 30 meter, siden november. Det er omkring 300 kubikmeter sandophobning, på cirka fire måneder. Vi ser disse som lovende tidlige resultater, der er en del af et meget længerevarende initiativ, hvor vi sigter mod at fortsætte med at teste disse tilgange på Maldiverne og forskellige andre steder rundt om i verden.

Vi er for nylig blevet tildelt et tilskud fra National Geographic Exploration og planlægger at tage tilbage til Maldiverne for yderligere to feltinstallationer senere på året og i 2021. Vores langsigtede mål er at skabe et system af nedsænkelige strukturer, der kan tilpasse sig det dynamiske vejr. betingelser for naturligt at vokse og genopbygge kystlinjer. Vi sigter efter at skalere denne tilgang og skræddersy den til mange steder rundt om i verden for at hjælpe med at genopbygge og stabilisere tæt befolkede kyststrækninger og sårbare ø-nationer.

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.