Nel corso di milioni di anni, I vulcani hawaiani hanno formato una catena di isole vulcaniche che si estende attraverso il Pacifico settentrionale, dove le onde dell'oceano da ogni direzione, agitati da tempeste lontane o trasportati da alisei, hanno martoriato e modellato le coste delle isole in varia misura.

Ora i ricercatori del MIT e altrove hanno scoperto che, alle Hawaii, la quantità di energia fornita dalle onde in media ogni anno è un buon predittore di quanto velocemente o lentamente si eroderà una costa rocciosa. Se le onde sono grandi e frequenti, la costa si eroderà più velocemente, considerando che più piccolo, onde meno frequenti provocheranno un'erosione della costa più lenta.

Il loro studio aiuta a spiegare le coste tortuose delle Isole Hawaii, dove le scogliere rivolte a nord, sperimentando onde più grandi prodotte da tempeste lontane e alisei persistenti, hanno eroso più nell'entroterra. In contrasto, le coste esposte a sud godono tipicamente di acque più calme, onde più piccole, e quindi coste meno erose.

I risultati, pubblicato questo mese sulla rivista Geologia , può anche aiutare gli scienziati a prevedere quanto velocemente potrebbero erodersi altre coste rocciose in tutto il mondo, in base alla potenza delle onde che tipicamente sperimenta una costa.

"Più della metà delle coste oceaniche del mondo sono scogliere rocciose, quindi l'erosione della scogliera colpisce molti abitanti e infrastrutture costiere, "dice Kim Huppert, dottorato di ricerca, autore principale dello studio ed ex studente laureato presso il Dipartimento della Terra del MIT, Scienze dell'atmosfera e planetarie. "Se la tempesta aumenta con il cambiamento climatico, e le onde si ingrandiscono, dobbiamo capire in modo specifico come le onde influenzano l'erosione".

Huppert, che ora è un ricercatore senior presso il Centro di ricerca tedesco per le geoscienze, è coautore del documento con Taylor Perron, professore di terra, atmosferico, e scienze planetarie e capo dipartimento associato al MIT, e Andrew Ashton della Woods Hole Oceanographic Institution.

Affonda e scolpisci

Gli scienziati hanno avuto qualche idea che il tasso di erosione costiera dipende dalla potenza delle onde che agiscono su quella costa. Ma fino ad ora, non c'è stato uno studio sistematico per confermare questa relazione, principalmente perché ci possono essere tanti altri fattori che contribuiscono all'erosione costiera che possono intralciare.

Il team ha scoperto che le isole Hawaii forniscono un ambiente ideale in cui studiare questa relazione:le isole sono tutte fatte dello stesso tipo di roccia, il che significa che non dovrebbero tenere conto di più tipi di roccia e sedimenti e delle loro differenze nell'erosione; e le isole abitano un grande bacino oceanico che produce una vasta gamma di "climi ondulatori", "o onde di varie dimensioni e frequenze.

"Mentre percorri il litorale di diverse isole, vedi climi ondoso molto diversi, semplicemente girando un angolo dell'isola, " osserva Huppert. "E il tipo di roccia è lo stesso. Quindi le Hawaii sono un bel laboratorio naturale".

I ricercatori hanno concentrato il loro studio su 11 località costiere intorno alle isole Hawaii, Maui, e Kaho'olawe, ciascuno rivolto verso diverse regioni del Pacifico che producono onde di varie dimensioni e frequenze.

Prima di considerare la potenza delle onde in queste varie posizioni, hanno prima lavorato per stimare la velocità media con cui le scogliere del mare in ogni località costiera si sono erose negli ultimi milioni di anni. Il team ha cercato di identificare i tassi di erosione che hanno prodotto oggi i profili costieri delle isole Hawaii, visti i profili originari delle isole, che può essere stimato dalla topografia di ciascuna isola. Per fare questo, prima hanno dovuto tenere conto dei cambiamenti nel movimento verticale di ogni isola e del cambiamento del livello del mare nel tempo.

Dopo che un'isola vulcanica si è formata, inizia inevitabilmente a diminuire, o affondare sotto il suo stesso peso. Come un'isola affonda, cambia il livello al quale il mare interagisce con l'isola, proprio come se ti tuffassi in una piscina:la superficie dell'acqua può iniziare alle tue caviglie, e progressivamente lambire le tue ginocchia, la tua vita, e infine le spalle e il mento.

Per un'isola, più lentamente affonda, più tempo ha il mare per ritagliarsi la costa ad una particolare quota. In contrasto, se un'isola affonda velocemente, il mare ha solo il tempo per tagliare la costa prima che l'isola si abbassi ulteriormente, esponendo una nuova costa da portare via dal mare. Di conseguenza, la velocità con cui un'isola affonda influenza fortemente quanto la costa si è ritirata nell'entroterra a una data elevazione, nel corso di milioni di anni.

Per calcolare la velocità di affondamento dell'isola, il team ha utilizzato un modello per stimare quanto la litosfera, lo strato più esterno della Terra su cui si trovano le isole vulcaniche, ceduto sotto il peso di ogni vulcano hawaiano formato negli ultimi milioni di anni. Perché le isole Hawaii sono vicine tra loro, l'affondamento di un'isola può anche influenzare l'affondamento o l'innalzamento delle isole vicine, simile al modo in cui un bambino può rimbalzare mentre un altro bambino sprofonda in un trampolino.

Il team ha utilizzato il modello per simulare varie possibili storie di naufragio dell'isola negli ultimi milioni di anni, e la successiva erosione delle scogliere e delle coste. Hanno cercato lo scenario che meglio collegasse le coste originarie delle isole con le coste moderne di oggi, e abbinato i vari tassi di erosione risultanti alle 11 posizioni su cui si sono concentrati nel loro studio.

"Abbiamo trovato tassi di erosione che variano da 17 millimetri all'anno a 118 millimetri all'anno nei diversi siti, " dice Huppert. "L'estremità superiore di quella gamma è quasi mezzo piede all'anno, quindi alcuni di questi tassi sono piuttosto veloci per il rock."

Onde di una dimensione

Hanno scelto le 11 località costiere dello studio per la loro variabilità:alcune scogliere sul mare si affacciano a nord, dove sono battuti da onde più forti prodotte da tempeste lontane. Altre coste esposte a nord sperimentano alisei che provengono da nord-est e producono onde più piccole ma più frequenti. Le località costiere che si affacciano a sud sono più piccole, onde meno frequenti in contrasto.

Il team ha confrontato i tassi di erosione in ciascun sito con la tipica potenza delle onde sperimentata in ciascun sito, che hanno calcolato dall'altezza delle onde e dalle misurazioni della frequenza derivate dai dati delle boe. Hanno quindi confrontato la potenza delle onde delle 11 località con i loro tassi di erosione a lungo termine.

Quello che trovarono fu piuttosto semplice, relazione lineare tra la potenza delle onde e il tasso di erosione costiera. Più forti sono le onde che sperimenta una costa, più velocemente si erode la costa. Nello specifico, hanno scoperto che le onde di una dimensione che si verificano ogni pochi giorni potrebbero essere un indicatore migliore della velocità di erosione di una costa rispetto alle onde di tempesta più grandi ma meno frequenti. Questo è, se le onde sono normali, i giorni non tempestosi sono grandi, è probabile che una costa si stia rapidamente erodendo; se le onde tipiche sono più piccole, una costa si sta ritirando più lentamente.

I ricercatori affermano che lo svolgimento di questo studio alle Hawaii ha permesso loro di confermare questa semplice relazione, senza confondere i fattori naturali. Di conseguenza, gli scienziati possono usare questa relazione per aiutare a prevedere come potrebbero cambiare le coste rocciose in altre parti del mondo, con variazioni del livello del mare e dell'attività delle onde a causa dei cambiamenti climatici.

"Il livello del mare si sta alzando lungo gran parte delle coste del mondo, e i cambiamenti nei venti e nelle tempeste con il cambiamento climatico in corso potrebbero alterare i regimi delle onde, pure, " Fa notare Perron. "Essere in grado di isolare l'influenza del clima ondoso sul tasso di erosione costiera ti avvicina di un passo all'andare in un luogo particolare e calcolare la variazione del tasso di erosione lì".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.