Papirrullene, 13 tommer brede, strakte seg til 60 fot lange, så Stefan Talke trakk sammen bord inne i Arkivverket for å rulle ut arkene med krøllinger som spore økningen og fallet av tidevannet som dateres til før borgerkrigen. "Det var fantastisk, " husker han. "Jeg antok at disse postene alle gikk tapt, og her er jeg med nøklene til palasset."
Postene er ikke bare nøkkelen til å forstå fortiden, men også for fremtiden som byer som Wilmington, North Carolina, står overfor; Jacksonville, Florida; Jamaica Bay, New York og andre havner rundt om i landet. Spurte av disse tidevannsregistrene har Talke og kollegene laget datamaskinmodeller som viser hvordan fordypningskanaler for å få plass til lasteskip kan forårsake høyere tidevann og dramatisk økt flom fra stormbølger i noen byer.
Rekordrullene den dagen i 2011 var fra Astoria, Oregon, ved Columbia River i nærheten av der Talke er førsteamanuensis i miljøteknikk ved Portland State University som studerer hydrodynamikken i elvemunninger, elver og hav. I løpet av de neste årene avdekket Talke og hans kolleger mer lang mistet tidevannshistorier som dekker New York, North Carolina, Massachusetts, Florida, Delaware, Virginia og andre kystområder. Hver gang tok de bilder av postene og returnerte til Portland State, der Talkes studenter omhyggelig overførte informasjonen til en digital database med informasjon om tidevannsmåler gjennom hele 1800-tallet. De tidligste postene dateres til Boston på 1820-tallet, tiår eldre enn de som tidligere var tilgjengelige.
US Coast and Geodetic Survey Map of St. John River, fra 1899. Jacksonville er den lille byen på venstre side av bildet. I nærheten av Dame Point ble kanalen mudret til 18 fot i 1894. (Talke et al.) Talke kombinerte den gammeldagse sleutingen med høyteknologisk modellering for å undersøke endringer i elvemunninger relatert til mudringen som begynte for rundt 150 år siden i havnebyene. Han lurte på om han ville finne effekter som ligner det han avdekket under et post-doktorgradsprosjekt som studerte elvemunningen Ems River på grensen til Tyskland og Nederland. I Europa prøvde han å forklare hvorfor en dramatisk økning i sedimentkonsentrasjonen hadde skjedd, noe som førte til utbredt oksygenutryddelse og en økologisk katastrofe. Det han lærte der, var at tidevannet hadde skiftet, nesten doblet seg i løpet av tiår. Hvorfor? Utdyping, effektivisering og utvidelse av skipskanalen over tid hadde forårsaket en dramatisk endring i hydrodynamikken i elvemunningen.
Noen havnebyer langs USAs kyster viser lignende resultater som Ems River-elvemunningen, selv om Talke advarer om at hvert elvemunning er forskjellig. Noen få steder har han funnet at kanalutdyping har redusert risikoen for flom. I andre har endringene over mer enn et århundre vært dramatiske, og doblet den forventede høyden til stormflo, langt over hva havnivået stiger, økt stormintensitet og andre faktorer som kan indikere. Effektene, ser det ut til, er mest skadelige oppstrøms og bort fra kysten - på steder der folk tror de har mindre risiko.
Nøkkelen til disse funnene er de historiske registreringene som Talke avdekket. De har tillatt forskere å snu den vanlige rollen som datamodeller - forutsi fremtiden - og reise tilbake i tid for å undersøke hvordan elvemunninger og elver oppførte seg før kanaldypningen. Når modellene deres gjengir de historiske tidevannene som Talkes team fant i papirjournalen, gir det dem tillit til at modellene er riktige.
"Dette er en ryddig bruk av arkivregister som kan løse viktige problemer som har gått upåaktet hen og også gi innsikt i hvor følsomt et system som en elvemunning er for å endre forholdene, " sier Talke. "Over en mer enn århundre tidsramme har vi forandret undervannstopografien til havner og elvemunninger sterkt. Vi har bokstavelig talt flyttet fjell av skitt, eksplodert sjøfester, rettet daler og laget superveier for superlativt store skip. Disse endringene til havnene våre er allestedsnærværende over hele verden med effekter som vi ikke helt har vurdert eller til og med kartlagt, i mange tilfeller. "
Et av disse stedene er Wilmington, North Carolina, som har en av de høyeste forekomstene av solskinnsdagflommer i landet - mer enn 80 dager per år nylig. Lesninger som Talke fant fra 1887 viser at tidevannsområdet i Wilmington har doblet seg i løpet av de siste 130 årene, noe som endret hyppigheten av såkalt ordensflom betydelig.
Nær kysten har tidevannet bare økt noe - et tegn på at endringene er drevet av kunstige endringer i elven. Ved hjelp av datamodellering, bestemte Talke og en student, Ramin Familkhalili, at den verste fallbølgen forventet fra en kategori 5-orkan har økt til 18 fot, opp fra 12 fot på 1800-tallet, da kanalene rundt Wilmington var halve dagens dybde .
Et containerskip passerer nær Bald Head Island, NC, på vei til havnen i Wilmington torsdag 8. august 2013. (AP Photo / Harry Hamburg) Orkanen Florence oversvømmet byen i september. "Jeg tror du kan si at en del av oversvømmelsen mest sannsynlig var forårsaket av endringer i systemet, " sier Talke. Han bemerker at Wilmington hadde godt av å være på siden av orkanen med vinder som blåste offshore, demper stormflo. For å forstå det fulle, legger han til, ville forskere måtte gjøre en fullskala-modell inkludert nedbør og vindfelt.
Etter hvert som containerskip har blitt stadig større, ansporet av fordypningen av Panamakanalen, har havner over hele verden mudret kanaler stadig dypere - til 50 fot eller mer for havnene i New York, Baltimore, Norfolk, Charleston og Miami. Mulighetsstudier for disse prosjektene, inkludert analyser fra Army Corps of Engineers, undersøker de økonomiske utsiktene og noen av miljøbelastningene, men har avvist virkningen av kanalutdypning på tidevannsendringer, flom og stormflo. På verdensbasis er mudringsprosjekter i arbeidene for Elbe-elven og havnen i Hamburg, Tysklands største havn; Rotterdam, Europas største havn; og Koreas Busan havn, blant andre.
Effekten noen steder har vært å invitere i havet og utsette byer titalls mil oppstrøms for ekstreme tidevann og flom. Men hvordan kan kanalutdypning øke tidevannsområdet og derfor stormflo og flom? Det er to primære faktorer.
Mudring jevner bunnen av en kanal og eliminerer naturlige hindringer som sanddyner, steiner, gress og østersenger som hindrer flyt, og forvandler den fra en grov terrengløype til en glatt NASCAR løpebane. Uten at det kommer vannstrømmen, går mindre energi tapt, noe som øker innkommende tidevann og stormflo. Utdypningskanaler reduserer også effekten av turbulens. Langsomt bevegende vann på bunnen blandes ikke så mye med raskere bevegende vann i nærheten av overflaten (tenk på det gamle ordtaket at stille vann renner dypt), så overflatevannet skøyt egentlig uten å bli bremset nesten like mye.
Talke og kollegene fant også ut at motsatsen til kanalutdyping kan være sant. I en artikkel fra 2015 modellerte de effekten av grunt New Yorks Jamaica Bay og oppdaget at å gjenopprette kanalen til naturlige, historiske dybder ville redusere tidevannsområdet og stormbølgen.
"Direkte ingeniørinngrep og modifikasjoner av kystlinjer og elvemunninger og havner kan ha stor effekt, " sier Talke. "Vi kan faktisk endre systemets fysikk."
Geopotes 14, en etterfølgende sugtrattmudder, løfter bommen ut av en kanal i Nederland. Skipet kan mudre til en dybde på 33, 8 meter, og enda dypere med en forlengelse. (Wikimedia Commons / CC 3.0) Til tross for generelle trender, er hvert sted forskjellig. Hver storm er forskjellig. Kanalutdyping reduserer for eksempel effekten av vinder som fører vann opp i en elvemunning. Utdypningskanaler noen steder har kanskje ingen effekt eller kan til og med dempe stormflo og oversvømmelse, noe forskere sier ser ut til å være tilfelle i Portland, Oregon og Albany, New York. På disse stedene hadde en reduksjon i elvenes skråning forårsaket av kanalmudring større innflytelse enn kanalutdypning.
Men i Jacksonville har planene om å øke kanaldybden til 47 fot vært kontroversielle etter flom under orkanen Irma, en kategori 1-storm i 2017 som nådde historiske bølgenivå til tross for at de skjedde under lavvann. En lokal miljøgruppe, St. Johns Riverkeeper, har saksøkt for å stoppe mudringen. I løpet av de siste 120 årene er kanalen i St. Johns-elven, som smalner når den skjærer gjennom sentrum 26 miles fra havet, blitt mudret til en dybde på 41 fot fra 18 fot. I likhet med Wilmington har kanalutdypning og effektivisering av elven nesten doblet tidevannet rundt Jacksonville, ifølge Talke.
Carl Friedrichs, styreleder for avdeling for fysiske fag ved Virginia Institute of Marine Science, en del av College of William & Mary, sier Talke har vært ledende når det gjelder å bruke historiske tidevannsregister for å undersøke endringer i kystsystemer. "Jeg har blitt veldig imponert over arbeidet jeg har sett, " sier Friedrichs. "Et av temene i arbeidet hans som er veldig pent, er at han beskriver uventede ikke-lineære tilbakemeldinger, der du tror en ting skjer, men det er en kaskade av andre ting som skjer."
Utdypningskanaler fører for eksempel til at sediment beveger seg til uventede steder, bokstavelig talt gjør mudring av vannet, og øker også inntrenging av saltvann til ferskvannselver, som har sammenfallende effekter. Christopher Sommerfield, en kyst-oseanograf og geolog ved University of Delaware, har publisert artikler med Talke og andre om Newark Bay og Delaware Bay. I Delaware-elvemunningen, sier Sommerfield, har kanaldybning økt saltholdigheten oppover nærmere Philadelphia og Trenton. Når saltlinjen kryper oppstrøms, endrer den ikke bare livet i havet, men truer ferskvannstilførselen til Philadelphia (Delaware-elven) så vel som for næringer som bruker vannet (saltvann er dyrt etsende). I tillegg sier Sommerfield at vedlikeholdsmudring fjerner sediment som en gang skapte søleflater og myrer langs elven - viktige funksjoner for å dempe bølgeenergi.
I en fersk artikkel argumenterer Talke og hans medforfattere for at sårbare kystsamfunn kan undervurdere den samlede virkningen av endringer i stormvann, bølgestyrke, tap av våtmarker og havnivåstigning. "Jeg tror folk begynner å finpusse på det faktum at du ikke bare har tidevann av seg selv, og at du ikke har en stormbølge av seg selv eller at havnivået stiger av seg selv, " sier han. "Du kan ikke behandle dem alle uavhengig, legge det til og få endringen i risikoen. Du må vurdere dem i fellesskap."
For Talke er spørsmålet nå hvordan ledetrådene en gang er hylt av fortiden kan forme en tryggere fremtid. "Du har denne variabelen effekten der det på en måte er vinnere og tapere. Det er noen steder som Albany som ser reduksjon i risiko, og det er noen steder som ser en stor økning i risiko, " sier han. "Det jeg er bekymret for er at vi virkelig ikke har undersøkt dette fullt ut, så vi ikke vet hvilke regioner som vil bli mer påvirket og hvilke regioner som er litt mer beskyttet.
"Ved å lære av fortiden, " legger Talke til, "kan vi bedre forberede oss på fremtiden."
