Бумажные свитки шириной 13 дюймов простирались до 60 футов в длину, поэтому Стефан Тальке собрал столы внутри Национального архива, чтобы развернуть листы загогулинов, прослеживающие рост и падение приливов, имевшие место до гражданской войны. «Это было фантастически», - вспоминает он. «Я предполагал, что все эти записи были утеряны, и вот я с ключами от дворца».
Записи являются ключом не только к пониманию прошлого, но и к будущим городам, таким как Уилмингтон, Северная Каролина; Джексонвилл, Флорида; Бухта Ямайка, Нью-Йорк и другие порты страны. Под влиянием этих приливов и отливов Тальк и его коллеги создали компьютерные модели, которые показывают, как углубление каналов для размещения грузовых судов может привести к более сильным приливам и резкому увеличению наводнений в результате штормовых нагонов в некоторых городах.
Свитки с записями в тот день в 2011 году были из Астории, штат Орегон, на реке Колумбия, где Тальке - доцент кафедры инженерной экологии в Портлендском государственном университете, изучая гидродинамику лиманов, рек и океанов. В течение следующих нескольких лет Тальк и его коллеги обнаружили более давно потерянные приливные истории, рассказывающие о Нью-Йорке, Северной Каролине, Массачусетсе, Флориде, Делавэре, Вирджинии и других прибрежных районах. Каждый раз они фотографировали записи и возвращались в Портленд, где ученики Тальке кропотливо передавали эту информацию в цифровую базу данных о приливных датчиках в течение всего 19-го века. Самые ранние записи датируются Бостоном в 1820-х годах, на десятилетия старше, чем те, которые были доступны ранее.
Карта побережья США и геодезическая карта реки Сент-Джон, с 1899 года. Джексонвилл - небольшой город на левой стороне изображения. Рядом с мысом Дам в 1894 году канал был углублен до 18 футов (Talke et al.) Тальке объединил этот старомодный подход с высокотехнологичным моделированием для изучения изменений в устьях, связанных с дноуглубительными работами, начавшимися около 150 лет назад в портовых городах. Он спрашивает, найдет ли он эффекты, аналогичные тем, которые он обнаружил во время постдокторского проекта по изучению устья реки Эмс на границе Германии и Нидерландов. В Европе он попытался объяснить, почему произошло резкое увеличение концентрации осадков, что привело к широко распространенному истощению кислорода и экологической катастрофе. Он узнал, что приливы изменились, почти удвоившись за несколько десятилетий. Зачем? Углубление, рационализация и расширение судоходного канала с течением времени вызвали резкое изменение гидродинамики лимана.
Некоторые портовые города вдоль побережья США показывают результаты, аналогичные эстуарию реки Эмс, хотя Тальке предупреждает, что каждый лиман различен. В нескольких местах он обнаружил, что углубление канала уменьшило риск затопления. В других случаях изменения, произошедшие более чем за столетие, были драматичными, удваивая прогнозируемую высоту штормового нагона, намного превышающую уровень моря, повышенную интенсивность шторма и другие факторы. Эффекты, по-видимому, наиболее разрушительны вверх по течению и вдали от берегов - там, где люди думают, что они имеют меньший риск.
Ключом к этим находкам являются исторические записи, которые Тальке раскрыл. Они позволили исследователям перевернуть обычную роль компьютерных моделей - предсказывать будущее - и отправиться в прошлое, чтобы исследовать, как устья рек и вели себя до углубления канала. Когда их модели воспроизводят исторические приливы, которые команда Талька обнаружила в бумажных записях, это дает им уверенность в том, что модели верны.
«Это аккуратное использование архивных записей, которые могут решить важные проблемы, которые остались незамеченными, а также дать представление о том, насколько чувствительна система, подобная устью, к изменяющимся условиям», - говорит Тальке. «За более чем столетний период мы значительно изменили подводную топографию наших гаваней и устьев. Мы буквально переместили горы грязи, взорвали морские горы, выровняли долины и создали супермагистрали для относительно больших кораблей. Эти изменения наши гавани повсеместно распространены во всем мире, и во многих случаях мы не учли их или даже не наметили их полностью ».
Одним из таких мест является Уилмингтон, штат Северная Каролина, где наблюдается одно из самых высоких в стране случаев наводнений в солнечный день - более 80 дней в году в последнее время. Результаты, найденные Тальке в 1887 году, показывают, что приливная зона в Уилмингтоне за последние 130 лет удвоилась, что значительно изменило частоту так называемых наводнений.
Вблизи побережья приливы увеличились незначительно - признак того, что изменения вызваны искусственными изменениями в реке. Используя компьютерное моделирование, Тальк и его ученик Рамин Фамилхалили определили, что штормовой нагон в худшем случае, ожидаемый от урагана 5-й категории, увеличился до 18 футов по сравнению с 12 футами в 19-м веке, когда каналы вокруг Уилмингтона составляли половину сегодняшней глубины.,
Контейнеровоз проходит около острова Лысая Голова, Северная Каролина, по пути в порт Уилмингтон в четверг, 8 августа 2013 года. (AP Photo / Harry Hamburg) Ураган Флоренция затопил город в сентябре. «Я думаю, вы можете сказать, что часть наводнения, скорее всего, была вызвана изменениями в системе», - говорит Тальке. Он отмечает, что Уилмингтону было выгодно находиться на стороне урагана с ветрами, дующими в море, что ослабило штормовой нагон. Чтобы полностью понять, добавляет он, исследователи должны были бы сделать полномасштабную модель, включающую осадки и поле ветра.
По мере того, как контейнеровозы становятся все больше, под влиянием углубления Панамского канала, порты по всему миру углубляют каналы для углубления - до 50 футов и более для портов Нью-Йорка, Балтимора, Норфолка, Чарльстона и Майами. Технико-экономические обоснования этих проектов, в том числе анализ Инженерного корпуса армии, изучают экономические перспективы и некоторые воздействия на окружающую среду, но не учитывают влияние углубления канала на изменения приливов, наводнения и штормовые нагоны. В глобальном масштабе ведутся дноуглубительные работы для реки Эльбы и порта Гамбург, крупнейшего порта Германии; Роттердам, крупнейший порт Европы; и корейский порт Пусан, среди других.
Эффект в некоторых местах заключался в том, чтобы пригласить в океан и подвергнуть города десяткам миль вверх по течению от экстремальных приливов и наводнений. Но как углубление канала может увеличить диапазон приливов и, следовательно, штормовые нагоны и наводнения? Есть два основных фактора.
Дноуглубительные работы сглаживают дно канала, устраняя естественные препятствия, такие как дюны, камни, травы и устрицы, которые препятствуют течению, превращая его из трудной трассы для бездорожья в скользкую гоночную трассу NASCAR. Без этого затягивания потока воды, меньше энергии теряется, увеличивая прилив и штормовые нагоны. Углубление каналов также уменьшает эффекты турбулентности. Медленно движущаяся вода на дне не смешивается так же быстро с быстро движущейся водой у поверхности (вспомните старую поговорку о том, что спокойные воды текут глубоко), поэтому поверхностные воды по существу скатываются, почти не замедляясь.
Тальк и его коллеги также обнаружили, что обратное углубление канала может быть правдой. В статье за 2015 год они смоделировали эффект отмывания ямайского залива в Нью-Йорке и обнаружили, что восстановление канала до естественных исторических глубин уменьшит приливную зону и штормовой нагон.
«Прямые инженерные вмешательства и модификации наших береговых линий, устьев и портов могут оказать большое влияние», - говорит Тальке. «Возможно, мы действительно меняем физику системы».
Geopotes 14, прицепной земснаряд с всасывающим бункером, поднимает стрелу из канала в Нидерландах. Корабль может углубляться на глубину 33, 8 метра и даже глубже с удлинением. (Wikimedia Commons / CC 3.0) Несмотря на общие тенденции, каждое место отличается. Каждый шторм отличается. Например, углубление канала уменьшает влияние ветра, поднимающего воду в устье реки. Углубление каналов в некоторых местах может не иметь эффекта или даже может смягчить штормовые нагоны и наводнения, что, по мнению исследователей, имеет место в Портленде, штат Орегон, и в Олбани, штат Нью-Йорк. В этих местах уменьшение склона рек, вызванное дноуглубительными работами, оказало большее влияние, чем углубление русла.
Но в Джексонвилле планы по увеличению глубины канала до 47 футов были спорными после наводнения во время урагана Ирма, шторма Категории 1 в 2017 году, который достиг исторических уровней нагона, несмотря на то, что происходил во время отлива. Местная экологическая группа, St. Johns Riverkeeper, подала иск, чтобы остановить дноуглубительные работы. За последние 120 лет канал в реке Сент-Джонс, который сужается по мере прохождения через центр города в 26 милях от океана, был углублен до глубины 41 фута с 18 футов. По словам Талька, как и в Уилмингтоне, углубление русла реки и ее рационализация почти удвоили прилив в Джексонвилле.
Карл Фридрихс, заведующий кафедрой физических наук в Институте морских наук штата Вирджиния, который является частью колледжа Уильяма и Мэри, говорит, что Тальк является лидером в использовании исторических приливных данных для изучения изменений в прибрежных системах. «Я был очень впечатлен работой, которую я видел», - говорит Фридрихс. «Одна из тем его работы, которая действительно хороша, - это то, что он описывает неожиданные нелинейные отклики, когда вы думаете, что что-то происходит, но происходит каскад других вещей».
Углубление каналов, например, приводит к перемещению осадка в неожиданные места, буквально загрязняя воду, а также увеличивает проникновение соленой воды в пресноводные реки, что имеет каскадные эффекты. Кристофер Соммерфилд, прибрежный океанограф и геолог из Университета штата Делавэр, опубликовал вместе с Тальком и другими работами документы о заливе Ньюарк и заливе Делавэр. В устье Делавэра, говорит Соммерфилд, углубление каналов увеличило засоленность реки ближе к Филадельфии и Трентону. По мере того как соляная линия ползет вверх по течению, она не только меняет морскую флору и фауну, но и угрожает запасам пресной воды для Филадельфии (река Делавэр), а также для отраслей, использующих воду (соленая вода является довольно агрессивной). Кроме того, Соммерфилд говорит, что ремонтные дноуглубительные работы удаляют отложения, которые когда-то создавали затопления и болота вдоль реки - важные особенности в затухании энергии волн.
В недавней статье Тальке и его коллеги утверждают, что уязвимые прибрежные сообщества могут недооценивать совокупное воздействие изменений штормовых приливов, силы волн, потери водно-болотных угодий и повышения уровня моря. «Я думаю, что люди начинают осознавать тот факт, что у вас не просто сам прилив, а у вас нет штормового нагона или повышения уровня моря, - говорит он. «Вы не можете рассматривать их все независимо, сложить все это и получить изменение в риске. Вы должны рассмотреть их совместно».
Для Тальке вопрос теперь состоит в том, как те подсказки, когда-то окутанные прошлым, могут сформировать более безопасное будущее. «У вас есть этот переменный эффект, когда есть, в некотором смысле, победители и проигравшие. Есть такие места, как Олбани, где наблюдается снижение риска, и есть места, где наблюдается большой рост риска», - говорит он. «Что меня беспокоит, так это то, что мы действительно не исследовали это полностью, поэтому мы не знаем, какие регионы будут затронуты сильнее, а какие регионы немного более защищены».
«Извлекая уроки из прошлого, - добавляет Тальк, - мы можем лучше подготовиться к будущему».
