Новое исследование впервые дает количественную оценку с помощью экспериментов и математического моделирования, насколько большим и насколько густым должен быть сплошной луг из морских водорослей, чтобы обеспечить адекватное гашение волн в заданных географических, климатических и океанографических условиях.
В паре статей, опубликованных в майских выпусках двух исследовательских журналов, Coastal Engineering и Journal of Fluids and Structures, профессор гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института Хайди Непф и докторант Джиаруй Лэй описывают свои выводы и значительные экологические преимущества, которые предлагает водоросль.
К ним относятся не только предотвращение эрозии пляжей и защита морских дамб и других сооружений, но также улучшение качества воды и улавливание углерода, чтобы помочь ограничить изменение климата в будущем.
Эти услуги в сочетании с более известными услугами, такими как обеспечение среды обитания для рыбы и пищи для других морских существ, означают, что общая стоимость подводной водной растительности, включая водоросли, составляет более 4 триллионов долларов в год во всем мире, как показали более ранние исследования. Тем не менее, сегодня некоторые важные районы водорослей, такие как Чесапикский залив, сократились примерно до половины своего исторического покрытия водорослями (поднявшись с минимума всего в 2 процента), что ограничивает доступность этих ценных услуг.
Nepf и Lei воссоздали искусственные версии морских водорослей, собранные из материалов разной жесткости, чтобы воспроизвести длинные гибкие лезвия и более жесткие основания, типичные для морских водорослей, таких как Zostera marina, также известная как угорь обыкновенная.
Они собрали подобную лугу коллекцию этих искусственных растений в волновом резервуаре длиной 79 футов (24 метра) в лаборатории Парсонс Массачусетского технологического института, который может имитировать условия естественных волн и течений. Они подвергли луг разнообразным условиям, включая стоячую воду, сильное течение и волнообразное покачивание взад и вперед. Их результаты подтвердили прогнозы, сделанные ранее с использованием компьютеризированной модели отдельных растений.
Исследователи использовали физические и численные модели, чтобы проанализировать, как водоросли и волны взаимодействуют при различных условиях плотности растений, длины лезвий и движения воды. В исследовании описывается, как движение растений изменяется в зависимости от жесткости лезвия, периода волн и амплитуды волн, что позволяет более точно прогнозировать затухание волн над лугами из водорослей. По их словам, в то время как другие исследования смоделировали некоторые из этих условий, новая работа более точно воспроизводит реальные условия и предоставляет более реалистичную платформу для проверки идей о восстановлении водорослей или способов оптимизации благотворного воздействия таких затопленных лугов.
Чтобы проверить достоверность модели, команда затем провела сравнение прогнозируемого воздействия водорослей на волны, глядя на один конкретный луг с водорослями у берега испанского острова Майорка в Средиземном море, который, как известно, ослабляет воздействие водорослей на волны. сила набегающих волн в среднем примерно на 50 процентов. Используя измерения морфологии луга и скорости волн, собранные в предыдущем исследовании под руководством профессора Эдуардо Инфантеса, в настоящее время работающего в Гетеборгском университете, Лей смог подтвердить прогнозы, сделанные моделью, в которой анализировалось, как кончики стеблей травы и частицы взвешиваются в ней. вода, как правило, движется по круговым траекториям, когда проходят волны, образуя круги движения, известные как орбитали.
Наблюдения там очень хорошо совпали с прогнозами, говорит Лей, показывая, как сила волн и движение 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 практики могут оценить различные сценарии проектов восстановления водорослей, что сейчас имеет большое значение», – говорит он, – это может иметь существенное значение, говорит он, потому что сейчас некоторые проекты восстановления считаются слишком дорогими, чтобы предпринять, в то время как более точный анализ может показать, что меньшая площадь, менее дорогая в восстановлении, может обеспечить желаемый уровень защиты. В других областях анализ может показать, что проект вообще не стоит делать, потому что характеристики местных волн или течений ограничивают эффективность трав.
Известно, что исследуемый ими луг морских водорослей на Майорке очень густой и однородный, поэтому одним из будущих проектов будет расширение сравнения на другие участки водорослей, в том числе на участки с более пятнистой или менее густой растительностью, говорит Непф, чтобы продемонстрировать, что модель действительно может быть полезен в различных условиях.
Ослабляя волны и тем самым обеспечивая защиту от эрозии, водоросли могут улавливать мелкий осадок на морском дне. Это может значительно уменьшить или предотвратить безудержный рост водорослей, питаемых питательными веществами, связанными с мелкими отложениями, что, в свою очередь, вызывает недостаток кислорода, который может убить большую часть морской жизни, процесс, называемый эвтрофикацией.
По словам Nepf, морские водоросли также обладают значительным потенциалом для связывания углерода, как за счет собственной биомассы, так и путем фильтрации тонкодисперсных органических материалов из окружающей воды, и это является предметом постоянных исследований, проводимых ею и Лей. Акр морских водорослей может хранить примерно в три раза больше углерода, чем акр тропических лесов, и Лей говорит, что предварительные расчеты показывают, что в глобальном масштабе луга водорослей ответственны за более 10 процентов углерода, захороненного в океане, хотя они занимают всего 0.2 процента площади.
Работа финансировалась U.S. Национальный научный фонд.