Большинство людей испытывают с водорослями, если таковые имеются, немногим больше, чем щекочут их лодыжки, когда они бродят по мелководью в прибрежных водах. Но оказывается, что эти вездесущие растения, разновидности которых существуют по всему миру, могут сыграть ключевую роль в защите уязвимых берегов, когда они сталкиваются с натиском повышения уровня моря.
Новое исследование впервые дает количественную оценку с помощью экспериментов и математического моделирования того, насколько большим и плотным должен быть непрерывный луг из морских водорослей, чтобы обеспечить адекватное гашение волн в данных географических, климатических и океанографических условиях.
В паре статей, опубликованных в майских выпусках двух исследовательских журналов, Coastal Engineering и Journal of Fluids and Structures, профессор Массачусетского технологического института в области гражданского и экологического проектирования Хайди Непф и докторант Джиаруи Лей описывают свои выводы и важные экологические преимущества морских водорослей. К ним относятся не только предотвращение эрозии пляжей и защита морских дамб и других сооружений, но и улучшение качества воды и улавливание углерода, чтобы ограничить изменение климата в будущем.
Эти услуги в сочетании с более известными услугами, такими как обеспечение среды обитания для рыб и корма для других морских существ, означают, что подводная водная растительность, включая водоросли, обеспечивает общую стоимость более 4 триллионов долларов в мире каждый год, как показали более ранние исследования. показали. Тем не менее сегодня некоторые важные районы водорослей, такие как Чесапикский залив, сократились примерно до половины своего исторического покрытия водорослями (отскочив от минимума всего в 2 процента), что ограничивает доступность этих ценных услуг.
Непф и Лей воссоздали искусственные версии морских водорослей, собранные из материалов разной жесткости, чтобы воспроизвести длинные, гибкие стебли и гораздо более жесткие основания, типичные для растений морских водорослей, таких как Zostera marina, также известная как обыкновенный взморник. Они создали похожую на луг коллекцию этих искусственных растений в волновом резервуаре длиной 79 футов (24 метра) в лаборатории Парсонса Массачусетского технологического института, который может имитировать условия естественных волн и течений. Они подвергли луг различным условиям, включая стоячую воду, сильные течения и волнообразное плескание взад и вперед. Их результаты подтвердили предсказания, сделанные ранее с использованием компьютеризированной модели отдельных растений.
Исследователи использовали физические и числовые модели, чтобы проанализировать, как водоросли и волны взаимодействуют в различных условиях плотности растений, длины лопастей и движения воды. В исследовании описывается, как движение растений изменяется в зависимости от жесткости лопасти, периода волны и амплитуды волны, что позволяет более точно прогнозировать затухание волн на лугах с водорослями. В то время как другие исследования смоделировали некоторые из этих условий, новая работа более точно воспроизводит условия реального мира и обеспечивает более реалистичную платформу для проверки идей о восстановлении морских водорослей или способов оптимизации благотворного воздействия таких затопленных лугов, говорят они.
Чтобы проверить достоверность модели, команда затем провела сравнение предсказанного воздействия морских водорослей на волны, взглянув на один конкретный луг с водорослями у берега испанского острова Майорка в Средиземном море, который Известно, что сила набегающих волн ослабляется в среднем примерно на 50 процентов. Используя измерения морфологии луга и скорости волн, собранные в ходе предыдущего исследования под руководством профессора Эдуардо Инфантеса, в настоящее время работающего в Гетеборгском университете, Лей смог подтвердить прогнозы, сделанные моделью, которая анализировала то, как кончики травинок и взвешенные частицы и вода имеет тенденцию следовать по круговым траекториям по мере прохождения волн, образуя круги движения, известные как орбитали.
Наблюдения там очень хорошо совпали с предсказаниями, говорит Лей, показывая, как сила волны и движение морских водорослей менялись в зависимости от расстояния от края луга до его внутренней части, что согласуется с моделью. Таким образом, «с помощью этой модели инженеры и специалисты-практики могут оценивать различные сценарии проектов по восстановлению морских водорослей, что сейчас очень важно», - говорит он. предпринять, в то время как более тщательный анализ мог бы показать, что меньшая площадь, менее дорогостоящая для восстановления, могла бы обеспечить желаемый уровень защиты. В других областях анализ может показать, что проект вообще не стоит делать, потому что характеристики местных волн или течений ограничат эффективность трав.
Конкретный луг из морских водорослей на Майорке, который они изучали, известен как очень плотный и однородный, поэтому один из будущих проектов состоит в том, чтобы расширить сравнение с другими районами водорослей, в том числе с более пятнистой или менее густой растительностью, говорит Непф. чтобы продемонстрировать, что модель действительно может быть полезна в различных условиях.
Ослабляя волны и, таким образом, обеспечивая защиту от эрозии, морские водоросли могут задерживать мелкие отложения на морском дне. Это может значительно уменьшить или предотвратить безудержный рост водорослей, питающихся питательными веществами, содержащимися в мелкозернистых отложениях, что, в свою очередь, вызывает истощение кислорода, что может убить большую часть морской жизни, процесс, называемый эвтрофикацией..
Морские водоросли также обладают значительным потенциалом для улавливания углерода, как за счет собственной биомассы, так и за счет фильтрации тонкого органического материала из окружающей воды, по словам Непф, и это находится в центре внимания ее текущих исследований с Лей. Акр морских водорослей может хранить примерно в три раза больше углерода, чем акр тропических лесов, и, по словам Лея, предварительные расчеты показывают, что в глобальном масштабе на луга водорослей приходится более 10 процентов углерода, захороненного в океане, хотя они занимают всего 0,2 процента. площади.
Работа финансировалась Национальным научным фондом США.