Het papier rolt, 13 inch breed, uitgerekt tot 60 voet lang, dus Stefan Talke trok tafels in het Nationaal Archief samen om de vellen kronkels af te rollen die de opkomst en ondergang van getijden dateren van vóór de Burgeroorlog volgden. "Het was fantastisch", herinnert hij zich. "Ik nam aan dat deze archieven allemaal verloren waren, en hier ben ik met de sleutels van het paleis."
De gegevens zijn niet alleen van belang voor het begrijpen van het verleden, maar ook voor de toekomst van steden als Wilmington, North Carolina; Jacksonville, Florida; Jamaica Bay, New York en andere havens in het hele land. Onder invloed van deze getijdenrecords hebben Talke en zijn collega's computermodellen gemaakt die laten zien hoe diepere kanalen om vrachtschepen te huisvesten hogere getijden en dramatisch verhoogde overstromingen door stormvloeden in sommige steden kunnen veroorzaken.
De boekrollen die dag in 2011 waren afkomstig uit Astoria, Oregon, aan de Columbia River, in de buurt van Talke, universitair hoofddocent milieutechniek aan de Portland State University, waar hij de hydrodynamica van estuaria, rivieren en de oceanen bestudeerde. In de loop van de volgende jaren hebben Talke en zijn collega's meer verloren gegane getijdenverhalen opgegraven over New York, North Carolina, Massachusetts, Florida, Delaware, Virginia en andere kustgebieden. Elke keer namen ze foto's van de archieven en keerden terug naar de staat Portland, waar Talke's studenten de informatie gedurende de 19e eeuw nauwgezet overzetten in een digitale database met getijdeninformatie. De vroegste records dateren uit Boston in de jaren 1820, decennia ouder dan die eerder beschikbaar waren.
US Coast and Geodetic Survey Kaart van St. John River, uit 1899. Jacksonville is het kleine stadje aan de linkerkant van de afbeelding. Nabij Dame Point werd het kanaal in 1894 tot 18 voet uitgebaggerd. (Talke et al.) Talke combineerde dat ouderwetse speurwerk met hightech modellering om veranderingen in estuaria te onderzoeken die verband hielden met het baggeren dat ongeveer 150 jaar geleden in havensteden begon. Hij vroeg zich af of hij effecten zou vinden die vergelijkbaar zijn met wat hij ontdekte tijdens een post-doctoraal project dat de riviermond van de Eems op de grens van Duitsland en Nederland bestudeerde. In Europa probeerde hij uit te leggen waarom een dramatische toename van de sedimentconcentratie had plaatsgevonden, die leidde tot wijdverspreide zuurstofuitputting en een ecologische ramp. Wat hij daar leerde, was dat de getijden waren verschoven, bijna verdubbeld in een kwestie van decennia. Waarom? Het verdiepen, stroomlijnen en verbreden van het scheepvaartkanaal in de loop van de tijd had een dramatische verandering in de hydrodynamica van het estuarium veroorzaakt.
Sommige havensteden langs de Amerikaanse kusten vertonen vergelijkbare resultaten als de monding van de Ems-rivier, hoewel Talke waarschuwt dat elke monding anders is. Op enkele plaatsen heeft hij ontdekt dat kanaalverdieping het risico op overstromingen heeft beperkt. In andere zijn de veranderingen gedurende meer dan een eeuw dramatisch geweest, waardoor de verwachte hoogte van de stormvloed verdubbelde, ver boven wat de zeespiegelstijging, verhoogde stormintensiteit en andere factoren zouden kunnen aangeven. Het lijkt erop dat de effecten stroomopwaarts en ver van de kust het meest schadelijk zijn - op plaatsen waar mensen denken dat ze minder risico lopen.
De sleutel tot die bevindingen zijn de historische gegevens die Talke heeft ontdekt. Ze hebben onderzoekers in staat gesteld om de gebruikelijke rol van computermodellen om te draaien - de toekomst voorspellen - en terug in de tijd te reizen om te onderzoeken hoe estuaria en rivieren zich gedroegen voordat kanaalverdieping. Wanneer hun modellen de historische getijden reproduceren die Talke's team in de papieren archieven heeft gevonden, geeft dit hen vertrouwen dat de modellen correct zijn.
"Dit is een goed gebruik van archiveringsarchieven die belangrijke onopgeloste problemen kunnen aanpakken en ook inzicht geven in hoe gevoelig een systeem als een estuarium is voor veranderende omstandigheden, " zegt Talke. "In een tijdsbestek van meer dan een eeuw hebben we de onderwatertopografie van onze havens en estuaria sterk veranderd. We hebben letterlijk bergen vuil verplaatst, zee-bergen geëxplodeerd, rechtgetrokken valleien gemaakt en snelwegen gecreëerd voor supergrote grote schepen. Deze aanpassingen aan onze havens zijn overal alomtegenwoordig met effecten die we in veel gevallen niet volledig hebben overwogen of zelfs in kaart hebben gebracht. "
Een van die plaatsen is Wilmington, North Carolina, met een van de hoogste voorvallen van zonnige dagoverstromingen in het land - meer dan 80 dagen per jaar onlangs. Uit metingen die Talke aantrof daterend uit 1887 blijkt dat het getijdenbereik in Wilmington de afgelopen 130 jaar is verdubbeld, waardoor de frequentie van zogenaamde overstromingen aanzienlijk is veranderd.
Dichtbij de kust zijn de getijden slechts licht toegenomen - een teken dat de veranderingen worden veroorzaakt door kunstmatige veranderingen in de rivier. Met behulp van computermodellen hebben Talke en een student, Ramin Familkhalili, vastgesteld dat de ergste stormvloed die werd verwacht van een orkaan van categorie 5 is toegenomen tot 18 voet, een stijging van 12 voet in de 19e eeuw, toen de kanalen rond Wilmington de halve diepte van vandaag waren .
Een containerschip passeert dicht bij Bald Head Island, NC, op weg naar de haven van Wilmington op donderdag 8 augustus 2013. (AP Photo / Harry Hamburg) Orkaan Florence overspoelde de stad in september. "Ik denk dat je kunt zeggen dat een deel van de overstromingen hoogstwaarschijnlijk is veroorzaakt door veranderingen in het systeem", zegt Talke. Hij merkt op dat Wilmington er baat bij had aan de kant van de orkaan te staan met wind die offshore waaide, waardoor de stormvloed werd gedempt. Om volledig te begrijpen, voegt hij eraan toe, zouden onderzoekers een volledig model moeten doen, inclusief regenval en het windveld.
Omdat containerschepen steeds groter zijn geworden, aangespoord door de verdieping van het Panamakanaal, hebben havens wereldwijd kanalen steeds dieper gebaggerd - tot 50 voet of meer voor de havens van New York, Baltimore, Norfolk, Charleston en Miami. Haalbaarheidsstudies voor die projecten, inclusief analyses door het Army Corps of Engineers, onderzoeken de economische vooruitzichten en enkele van de milieueffecten, maar hebben het effect van kanaalverdieping op veranderingen in het getij, overstromingen en stormvloed verworpen. Wereldwijd zijn baggerprojecten in de maak voor de rivier de Elbe en de haven van Hamburg, de grootste haven van Duitsland; Rotterdam, Europa's grootste haven; en de Busan Port van Korea, onder anderen.
Het effect op sommige plaatsen was om uit te nodigen in de oceaan en steden tientallen kilometers stroomopwaarts bloot te stellen aan extreme getijden en overstromingen. Maar hoe kan kanaalverdieping het getijdenbereik vergroten en dus stormvloed en overstromingen? Er zijn twee primaire factoren.
Baggeren maakt de bodem van een kanaal glad en elimineert natuurlijke obstakels zoals duinen, rotsen, grassen en oesterbanken die de stroming belemmeren, en transformeren het van een ruw off-road pad in een glad NASCAR-raceway. Zonder dat slepen op de waterstroom gaat er minder energie verloren, waardoor het vloed en stormvloeden toenemen. Verdiepende kanalen verminderen ook de effecten van turbulentie. Langzaam stromend water op de bodem mengt niet zo veel met sneller bewegend water in de buurt van het oppervlak (denk aan het oude gezegde dat stilstaand water diep loopt), dus oppervlaktewaters schaatsen in wezen voorbij zonder bijna even lang te worden vertraagd.
Talke en zijn collega's ontdekten ook dat het omgekeerde van kanaalverdieping waar kan zijn. In een paper uit 2015 hebben ze het effect gemodelleerd van het oppervlakkig maken van de New Yorkse Jamaica Bay en ontdekt dat het herstellen van het kanaal naar natuurlijke, historische diepten het getijdenbereik en de stormvloed zou verminderen.
"Directe technische ingrepen en aanpassingen aan onze kustlijnen en estuaria en havens kunnen een groot effect hebben", zegt Talke. "Mogelijk veranderen we de fysica van het systeem."
Geopotes 14, een sleephopperzuiger, tilt zijn giek uit een kanaal in Nederland. Het schip kan baggeren tot een diepte van 33, 8 meter, en zelfs dieper met een verlenging. (Wikimedia Commons / CC 3.0) Ondanks algemene trends is elke locatie anders. Elke storm is anders. Kanaalverdieping vermindert bijvoorbeeld het effect van winden die water een estuarium opdrijven. Dieptekanalen op sommige plaatsen hebben mogelijk geen effect of kunnen zelfs stormvloeden en overstromingen verminderen, iets dat volgens onderzoekers het geval lijkt te zijn in Portland, Oregon en Albany, New York. Op die locaties had een vermindering van de helling van de rivieren als gevolg van kanaalbaggeren een grotere invloed dan kanaalverdieping.
Maar in Jacksonville zijn plannen om de kanaaldiepte te vergroten tot 47 voet controversieel na overstromingen tijdens orkaan Irma, een storm van categorie 1 in 2017 die ondanks hoge vloed historische piekniveaus bereikte. Een lokale milieugroep, St. Johns Riverkeeper, heeft een aanklacht ingediend om het baggeren te stoppen. In de afgelopen 120 jaar is het kanaal in de St. Johns rivier, dat smaller wordt naarmate het door het centrum snijdt 26 mijl van de oceaan, uitgebaggerd tot een diepte van 41 voet vanaf 18 voet. Net als Wilmington heeft kanaalverdieping en stroomlijning van de rivier het getijdenbereik rond Jacksonville bijna verdubbeld, volgens Talke.
Carl Friedrichs, voorzitter van de afdeling Natuurwetenschappen van het Virginia Institute of Marine Science, een onderdeel van het College van William & Mary, zegt dat Talke een leider is geweest in het gebruik van historische getijdenregistraties om veranderingen in kustsystemen te onderzoeken. "Ik ben erg onder de indruk van het werk dat ik heb gezien", zegt Friedrichs. "Een van de thema's van zijn werk die echt netjes is, is dat hij onverwachte niet-lineaire feedback beschrijft, waarbij je denkt dat er één ding gebeurt, maar er gebeurt een hele reeks andere dingen."
Dieptekanalen leiden bijvoorbeeld tot sediment dat zich naar onverwachte plaatsen verplaatst, waardoor het water letterlijk wordt modderig, en verhoogt ook de indringing van zout water in zoetwaterrivieren, wat cascade-effecten heeft. Christopher Sommerfield, een oceanograaf en geoloog aan de kust van de Universiteit van Delaware, heeft met Talke en anderen artikelen gepubliceerd over Newark Bay en Delaware Bay. In de monding van Delaware, zegt Sommerfield, heeft kanaalverdieping het zoutgehalte hoger naar dichter bij Philadelphia en Trenton verhoogd. Terwijl de zoutlijn stroomopwaarts kruipt, verandert het niet alleen het leven in zee, maar bedreigt het ook de zoetwatervoorziening voor Philadelphia (de rivier de Delaware) en voor industrieën die het water gebruiken (zout water is duur corrosief). Bovendien zegt Sommerfield dat onderhoudsbaggerwerken sediment verwijdert dat ooit wadden en moerassen langs de rivier creëerde - belangrijke kenmerken in het dempen van golfenergie.
In een recent artikel beweren Talke en zijn collega-auteurs dat kwetsbare kustgemeenschappen de gecombineerde impact van veranderingen in stormvloeden, golfsterkte, het verlies van wetlands en zeespiegelstijging wellicht onderschatten. "Ik denk dat mensen beginnen in te perken op het feit dat je niet alleen een getij hebt, en dat je geen stormvloed alleen hebt of dat je de zeespiegel alleen laat stijgen, " zegt hij. "Je kunt ze niet allemaal onafhankelijk behandelen, alles bij elkaar optellen en de verandering in het risico krijgen. Je moet ze gezamenlijk overwegen."
Voor Talke is de vraag nu hoe die aanwijzingen die ooit door het verleden waren gehuld, een veiligere toekomst kunnen vormen. "Je hebt dit variabele effect waar er in zekere zin winnaars en verliezers zijn. Er zijn sommige plaatsen zoals Albany die risico's zien afnemen, en er zijn sommige plaatsen die een grote toename van het risico zien, " zegt hij. "Ik maak me zorgen dat we dit echt niet volledig hebben onderzocht, dus we weten niet welke regio's meer te lijden hebben en welke regio's een beetje meer beschermd zijn.
"Door van het verleden te leren, " voegt Talke eraan toe, "kunnen we ons beter voorbereiden op de toekomst."
