Papirrullerne, 13 tommer brede, strakte sig til 60 fod lang, så Stefan Talke trak sammen borde inde i Nationalarkivet for at rulle arkene med krøller, der sporer stigningen og faldet af tidevand, der dateres til før borgerkrigen. ”Det var fantastisk, ” husker han. "Jeg antog, at disse optegnelser alle var tabt, og her er jeg med nøglerne til paladset."
Registreringerne er ikke kun nøgler til forståelsen af fortiden, men også for de fremtidige byer som Wilmington, North Carolina; Jacksonville, Florida; Jamaica Bay, New York og andre havne rundt om i landet. Spuret af disse tidevandsposter har Talke og hans kolleger skabt computermodeller, der viser, hvordan uddybningskanaler til at rumme lasteskibe kan forårsage højere tidevand og dramatisk øget oversvømmelse fra stormbølger i nogle byer.
Rekordrullerne den dag i 2011 var fra Astoria, Oregon, ved Columbia-floden nær, hvor Talke er lektor i miljøteknik ved Portland State University, der studerer hydrodynamik i flodmundinger, floder og oceaner. I løbet af de næste par år har Talke og hans kolleger fundet flere længe mistede tidevandshistorier, der dækker New York, North Carolina, Massachusetts, Florida, Delaware, Virginia og andre kystområder. Hver gang tog de billeder af optegnelserne og vendte tilbage til Portland State, hvor Talkes studerende omhyggeligt overførte informationen til en digital database med tidevandsmålsinformation gennem hele det 19. århundrede. De tidligste poster dateres til Boston i 1820'erne, årtier ældre end dem, der tidligere var tilgængelige.
US Coast and Geodetic Survey Map of St. John River, fra 1899. Jacksonville er den lille by på venstre side af billedet. I nærheden af Dame Point blev kanalen mudret til 18 fod i 1894. (Talke et al.) Talke kombinerede den gammeldags sleutning med højteknologisk modellering for at undersøge ændringer i flodmundinger relateret til udgravningen, der begyndte for omkring 150 år siden i havnebyer. Han spekulerede på, om han ville finde effekter, der ligner det, han afslørede under et postdoktoralt projekt, der studerede Ems-flodmundingen på grænsen mellem Tyskland og Holland. I Europa forsøgte han at forklare, hvorfor der var sket en dramatisk stigning i sedimentkoncentration, hvilket førte til udbredt iltudtømning og en økologisk katastrofe. Det, han lærte der, var, at tidevandet var skiftet, næsten fordoblet i løbet af årtier. Hvorfor? Uddybning, strømlining og udvidelse af skibskanalen over tid havde medført en dramatisk ændring i flodmundingens hydrodynamik.
Nogle havnebyer langs de amerikanske kyster viser lignende resultater som Ems-flodmundingen, selvom Talke advarer om, at hvert flodmunding er anderledes. Et par steder har han fundet, at kanaldybning har mindsket risikoen for oversvømmelse. I andre har ændringerne i mere end et århundrede været dramatiske, hvilket fordobler den forventede højde af stormflod, langt over hvad havstanden stiger, øget stormintensitet og andre faktorer kan tyde på. Virkningerne, det ser ud til, er mest skadelige opstrøms og væk fra kysterne - på steder, hvor folk tror, de har mindre risiko.
Nøglen til disse fund er de historiske poster, som Talke afslørede. De har givet forskere mulighed for at vende den sædvanlige rolle som computermodeller - forudsige fremtiden - og rejse tilbage i tiden for at undersøge, hvordan flodmundinger og floder opførte sig før kanaldybning. Når deres modeller gengiver de historiske tidevand, som Talkes team fandt i papirregistret, giver det dem tillid til, at modellerne er korrekte.
"Dette er en pæn brug af arkivregistre, der kan løse vigtige problemer, der er gået upåagtet hen og også give indsigt i, hvor følsomt et system som en flodmunding er for at ændre forhold, " siger Talke. "I en tidsramme, der har været mere end århundrede, har vi i høj grad ændret undersøiske topografien af vores havne og flodmundinger. Vi har bogstaveligt talt flyttet bjerge af snavs, eksploderet havmonteringer, rettet dale og skabt overkørsler til superlativt store skibe. Disse ændringer til vores havne er allestedsnærværende over hele verden med effekter, som vi ikke i fuldt omfang har overvejet eller endda kortlagt. "
Et af disse steder er Wilmington, North Carolina, som har en af de højeste forekomster af solskinsdag oversvømmelse i landet - mere end 80 dage om året for nylig. Aflæsninger, som Talke fandt dateret til 1887, viser, at tidevandsintervallet i Wilmington er fordoblet i løbet af de sidste 130 år, hvilket markant ændrede hyppigheden af såkaldte gener af oversvømmelser.
Nær kysten er tidevandet kun steget lidt - et tegn på, at ændringerne er drevet af kunstige ændringer til floden. Ved hjælp af computermodellering bestemte Talke og en studerende, Ramin Familkhalili, at den stormstorm, der var værst tænkt fra en kategori 5-orkan, er steget til 18 meter, op fra 12 meter i det 19. århundrede, da kanalerne omkring Wilmington var halvt dagens dybde .
Et containerskib passerer tæt på Bald Head Island, NC, på vej til havnen i Wilmington torsdag den 8. august 2013. (AP Photo / Harry Hamburg) Orkanen Florence oversvømte byen i september. "Jeg tror, du kan sige, at en del af oversvømmelsen sandsynligvis var forårsaget af ændringer i systemet, " siger Talke. Han bemærker, at Wilmington nydt godt af at være på siden af orkanen med vinde, der blæste offshore og dæmpe stormbølgen. For fuldt ud at forstå, tilføjer han, ville forskere skulle gøre en fuldskala-model inklusive regn og vindfelt.
Efterhånden som containerskibe er vokset stadig større, ansporet af uddybningen af Panamakanalen, har havne overalt i verden skrabet kanaler dybere - til 50 meter eller mere for havnene i New York, Baltimore, Norfolk, Charleston og Miami. Feasibility-undersøgelser for disse projekter, herunder analyser fra Army Corps of Engineers, undersøger de økonomiske udsigter og nogle af miljøpåvirkningerne, men har afvist virkningen af kanaldybning på tidevandskift, oversvømmelse og stormflod. På verdensplan er udgravningsprojekter værker til Elbe-floden og havnen i Hamborg, Tysklands største havn; Rotterdam, Europas største havn; og Koreas Busan havn, blandt andre.
Virkningen nogle steder har været at invitere i havet og udsætte byer ti kilometer lang opstrøms for ekstreme tidevand og oversvømmelser. Men hvordan kan kanaluddybning øge tidevandsområdet og derfor stormflod og oversvømmelser? Der er to primære faktorer.
Udgravning udjævner bunden af en kanal og eliminerer naturlige forhindringer som klitter, klipper, græs og østersbede, der forhindrer strømning, og omdanner den fra en grov terrængående trail til en glat NASCAR-bane. Uden at trække på vandstrømmen, går mindre energi tabt, hvilket øger det indkommende tidevand og stormbølger. Uddybningskanaler mindsker også effekten af turbulens. Langsomt bevægende vand på bunden blandes ikke så meget med hurtigere bevægende vand nær overfladen (tænk på det gamle ordsprog, at stadig vand løber dybt), så overfladevand skøber i det væsentlige uden at blive bremset næsten lige så meget.
Talke og hans kolleger fandt også, at det modsatte af kanaldybning kan være sandt. I et papir fra 2015 modellerede de virkningen af overfladisk New Yorks Jamaica Bay og opdagede, at at gendannelse af kanalen til naturlige, historiske dybder ville reducere tidevandsområdet og stormbølgen.
”Direkte ingeniørinterventioner og ændringer af vores kystlinjer og flodmundinger og havne kan have en stor effekt, ” siger Talke. ”Vi ændrer muligvis faktisk systemets fysik.”
Geopoter 14, en efterfølgende sugehoppertrækker, løfter sin bom ud af en kanal i Holland. Skibet kan mudre til en dybde på 33, 8 meter og endnu dybere med en forlængelse. (Wikimedia Commons / CC 3.0) På trods af generelle tendenser er hver placering forskellig. Hver storm er forskellig. Kanaldybning reducerer for eksempel effekten af vinde, der fører vand op ad en flodmunding. Uddybning af kanaler nogle steder har muligvis ingen virkning eller kan endda mindske stormflod og oversvømmelser, hvilket forskere siger at være tilfældet i Portland, Oregon og Albany, New York. På disse steder havde en reduktion i skråningen af floder forårsaget af kanaludgravning større indflydelse end kanaldybning.
Men i Jacksonville har planerne om at øge kanaldybden til 47 fod været kontroversielle efter oversvømmelse under orkanen Irma, en kategori 1-storm i 2017, der nåede historiske bølgeforhold på trods af, at der opstod under lavvande. En lokal miljøgruppe, St. Johns Riverkeeper, har sagsøgt for at standse udgravningen. I løbet af de sidste 120 år er kanalen i St. Johns-floden, der indsnævrer, når den skærer sig gennem centrum 26 miles fra havet, blevet udgravet til en dybde på 41 fod fra 18 fod. Ligesom Wilmington har kanaldybning og strømlining af floden næsten fordoblet tidevandsområdet omkring Jacksonville, ifølge Talke.
Carl Friedrichs, formand for afdeling for fysiske videnskaber ved Virginia Institute of Marine Science, en del af College of William & Mary, siger, at Talke har været førende inden for anvendelse af historiske tidevandsregistre til at undersøge ændringer i kystsystemer. "Jeg har været meget imponeret over det arbejde, jeg har set, " siger Friedrichs. "Et af temaerne i hans arbejde, der er virkelig pæne, er at han beskriver uventede ikke-lineære feedbacks, hvor du tror, at en ting sker, men der er en kaskade af andre ting, der sker."
Uddybningskanaler fører for eksempel til, at sediment bevæger sig til uventede steder, bogstaveligt talt mudrer vandene, og øger også indtrængen af saltvand i ferskvandsfloder, som har sammenhængende effekter. Christopher Sommerfield, en kyst oceanograf og geolog ved University of Delaware, har offentliggjort papirer med Talke og andre om Newark Bay og Delaware Bay. I Delaware-flodmundingen, siger Sommerfield, har kanaldybning øget saltholdighedsstrømmen tættere på Philadelphia og Trenton. Når saltlinjen kryber opstrøms, ændrer den ikke kun livet i havet, men truer ferskvandsforsyningen til Philadelphia (Delaware-floden) såvel som for industrier, der bruger vandet (saltvand er dybt ætsende). Derudover siger Sommerfield, at vedligeholdelsesudgravning fjerner sediment, der engang skabte mudderfliser og myrer langs floden - vigtige funktioner i dæmpning af bølgeenergi.
I en nylig artikel argumenterer Talke og hans medforfattere for, at sårbare kystsamfund muligvis undervurderer den samlede virkning af ændringer i stormflod, bølgestyrke, tab af vådområder og stigning i havniveauet. "Jeg tror, folk begynder at finpudse på det faktum, at du ikke bare har tidevand i sig selv, og at du ikke har en stormbølge af sig selv eller at havniveauet stiger af sig selv, " siger han. "Du kan ikke behandle dem alle uafhængigt, tilføje det hele og få ændringen i risikoen. Du er nødt til at overveje dem i fællesskab."
For Talke er spørgsmålet nu, hvordan disse spor, der engang er hylt af fortiden, kan forme en sikrere fremtid. "Du har denne variable effekt, hvor der på en vis måde er vindere og tabere. Der er nogle steder som Albany, der ser fald i risiko, og der er nogle steder, der ser en stor stigning i risikoen, " siger han. ”Det, jeg er bekymret over, er, at vi virkelig ikke har undersøgt dette fuldt ud, så vi ikke ved, hvilke regioner der vil blive mere påvirket, og hvilke regioner der er lidt mere beskyttet.
"Ved at lære af fortiden, " tilføjer Talke, "kan vi bedre forberede os på fremtiden."
