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Da Hafenstädte immer tiefer in die Lage versetzt werden, wachsende Frachtschiffe aufzunehmen, kann das Risiko von Überschwemmungen im Landesinneren steigen

Die Papierrollen, 13 Zoll breit und 60 Fuß lang, zogen Stefan Talke die Tische im Nationalarchiv zusammen, um die Schnörkelblätter, die den Auf- und Abstieg der Gezeiten vor dem Bürgerkrieg aufzeichnen, auseinander zu rollen. "Es war fantastisch", erinnert er sich. "Ich nahm an, diese Aufzeichnungen wären alle verloren, und hier bin ich mit den Schlüsseln zum Palast."

Die Aufzeichnungen sind nicht nur ein Schlüssel zum Verständnis der Vergangenheit, sondern auch für die Zukunft von Städten wie Wilmington, North Carolina. Jacksonville, Florida; Jamaica Bay, New York und andere Häfen im ganzen Land. Angeregt durch diese Gezeitenaufzeichnungen haben Talke und seine Kollegen Computermodelle erstellt, die zeigen, wie tiefere Kanäle zur Aufnahme von Frachtschiffen in einigen Städten zu höheren Gezeiten und dramatisch erhöhten Überschwemmungen durch Sturmfluten führen können.

Die Schriftrollen der Aufzeichnungen an diesem Tag im Jahr 2011 stammen aus Astoria, Oregon, am Columbia River, in der Nähe von Talke, einem außerordentlichen Professor für Umweltingenieurwesen an der Portland State University, der die Hydrodynamik von Flussmündungen, Flüssen und Ozeanen studiert. In den nächsten Jahren entdeckten Talke und seine Kollegen weitere längst vergangene Gezeitenmärchen in New York, North Carolina, Massachusetts, Florida, Delaware, Virginia und anderen Küstenregionen. Jedes Mal machten sie Fotos von den Aufzeichnungen und kehrten in den Staat Portland zurück, wo Talkes Schüler die Informationen während des gesamten 19. Jahrhunderts sorgfältig in eine digitale Datenbank mit Gezeitenmessdaten umwandelten. Die frühesten Aufzeichnungen stammen aus Boston in den 1820er Jahren und sind um Jahrzehnte älter als die zuvor verfügbaren.

Jacksonville Karte US-Küsten- und geodätische Übersichtskarte von St. John River aus dem Jahr 1899. Jacksonville ist die kleine Stadt auf der linken Seite des Bildes. In der Nähe von Dame Point wurde der Kanal 1894 auf 18 Fuß ausgebaggert. (Talke et al.)

Talke kombinierte dieses altmodische Sleuthing mit High-Tech-Modellierung, um Veränderungen in den Flussmündungen im Zusammenhang mit dem Ausbaggern zu untersuchen, das vor etwa 150 Jahren in Hafenstädten begann. Er fragte sich, ob er ähnliche Effekte wie bei einem Postdoktorandenprojekt an der Emsmündung an der Grenze zwischen Deutschland und den Niederlanden feststellen würde. In Europa wollte er erklären, warum ein dramatischer Anstieg der Sedimentkonzentration stattgefunden hatte, der zu einem weit verbreiteten Sauerstoffmangel und einer ökologischen Katastrophe führte. Was er dort erfuhr, war, dass sich die Gezeiten innerhalb von Jahrzehnten fast verdoppelt hatten. Warum? Die Vertiefung, Straffung und Erweiterung des Schifffahrtskanals im Laufe der Zeit hatte die Hydrodynamik der Flussmündung dramatisch verändert.

Einige Hafenstädte entlang der US-Küste weisen ähnliche Ergebnisse wie die Ems-Mündung auf, obwohl Talke darauf hinweist, dass jede Mündung anders ist. An einigen Stellen stellte er fest, dass die Kanalvertiefung das Risiko von Überschwemmungen verringert hat. In anderen Fällen waren die Veränderungen über mehr als ein Jahrhundert dramatisch und verdoppelten die projizierte Höhe der Sturmflut, weit über dem Meeresspiegelanstieg, der erhöhten Sturmintensität und anderen möglichen Faktoren. Die Auswirkungen scheinen flussaufwärts und küstenfern am schädlichsten zu sein - an Orten, an denen die Menschen glauben, weniger Risiken zu haben.

Der Schlüssel zu diesen Ergebnissen sind die historischen Aufzeichnungen, die Talke aufgedeckt hat. Sie haben es Forschern ermöglicht, die übliche Rolle von Computermodellen umzudrehen - die Zukunft vorherzusagen - und in die Vergangenheit zu reisen, um zu untersuchen, wie sich Flussmündungen und Flüsse verhalten, bevor sich die Kanäle vertiefen. Wenn ihre Modelle die historischen Gezeiten reproduzieren, die Talkes Team in den Akten gefunden hat, können sie sicher sein, dass die Modelle korrekt sind.

"Dies ist eine saubere Verwendung von Archivunterlagen, die wichtige unbemerkte Probleme beheben und Aufschluss darüber geben können, wie empfindlich ein System wie eine Flussmündung auf sich ändernde Bedingungen reagiert", sagt Talke. "Über einen Zeitraum von mehr als einem Jahrhundert haben wir die Unterwassertopographie unserer Häfen und Flussmündungen stark verändert. Wir haben Berge von Dreck bewegt, Seeberge gesprengt, Täler begradigt und Autobahnen für übergroße Schiffe geschaffen Unsere Häfen sind weltweit allgegenwärtig mit Effekten, die wir in vielen Fällen nicht vollständig in Betracht gezogen oder gar kartiert haben. "

Einer dieser Orte ist Wilmington im US-Bundesstaat North Carolina, der mit mehr als 80 Tagen im Jahr eines der häufigsten Überschwemmungen an sonnigen Tagen im Land aufweist. Laut Talke aus dem Jahr 1887 hat sich der Tidenhub in Wilmington in den letzten 130 Jahren verdoppelt und die Häufigkeit der so genannten störenden Überschwemmungen erheblich verändert.

In Küstennähe haben die Gezeiten nur geringfügig zugenommen - ein Zeichen dafür, dass die Veränderungen durch künstliche Änderungen des Flusses verursacht werden. Mithilfe von Computermodellen stellten Talke und ein Student, Ramin Familkhalili, fest, dass die von einem Hurrikan der Kategorie 5 erwartete Sturmflut im schlimmsten Fall von 12 Fuß im 19. Jahrhundert auf 18 Fuß angestiegen ist, als die Kanäle um Wilmington die Hälfte der heutigen Tiefe erreichten .

Frachtschiff Ein Containerschiff fährt am Donnerstag, den 8. August 2013, in der Nähe von Bald Head Island, NC, zum Hafen von Wilmington. (AP Photo / Harry Hamburg)

Der Hurrikan Florenz überschwemmte die Stadt im September. "Ich glaube, man kann sagen, dass ein Teil der Überschwemmungen höchstwahrscheinlich durch Änderungen am System verursacht wurde", sagt Talke. Er merkt an, dass Wilmington davon profitiert hat, auf der Seite des Hurrikans zu stehen, wobei Winde vor der Küste wehen und die Sturmflut dämpfen. Um dies vollständig zu verstehen, müssten Forscher ein vollständiges Modell erstellen, das Regenfälle und das Windfeld einschließt.

Während die Containerschiffe durch die Vertiefung des Panamakanals immer größer wurden, haben die Häfen weltweit die Kanäle immer tiefer ausgebaggert - für die Häfen von New York, Baltimore, Norfolk, Charleston und Miami auf 50 Fuß oder mehr. Durchführbarkeitsstudien für diese Projekte, einschließlich Analysen des Army Corps of Engineers, untersuchen die wirtschaftlichen Aussichten und einige der Umweltauswirkungen, haben jedoch die Auswirkungen der Kanalvertiefung auf Gezeitenwechsel, Überschwemmungen und Sturmfluten vernachlässigt. Weltweit sind Baggerprojekte für die Elbe und den Hamburger Hafen, Deutschlands größten Hafen, in Arbeit. Rotterdam, Europas größter Hafen; und Koreas Busan Port, unter anderem.

Der Effekt an einigen Stellen war, in den Ozean einzuladen und Städte Dutzende Meilen stromaufwärts extremen Gezeiten und Überschwemmungen auszusetzen. Aber wie kann eine Kanalvertiefung die Gezeitenreichweite und damit die Sturmflut und das Hochwasser erhöhen? Es gibt zwei Hauptfaktoren.

Das Ausbaggern glättet den Boden eines Kanals und beseitigt natürliche Hindernisse wie Dünen, Felsen, Gräser und Austern, die den Fluss behindern, und verwandelt ihn von einem holprigen Offroad-Trail in eine glatte NASCAR-Rennstrecke. Ohne diese Belastung des Wasserflusses geht weniger Energie verloren, wodurch die Flut und die Sturmfluten zunehmen. Durch die Vertiefung der Kanäle werden auch die Auswirkungen von Turbulenzen verringert. Das sich langsam bewegende Wasser auf dem Boden vermischt sich nicht so gut mit dem sich schneller bewegenden Wasser in der Nähe der Oberfläche (man denke an das alte Sprichwort, dass stilles Wasser tief ist).

Talke und seine Kollegen stellten auch fest, dass die Umkehrung der Kanalvertiefung zutreffen könnte. In einer Studie aus dem Jahr 2015 modellierten sie die Auswirkungen der seichten Jamaica Bay in New York und stellten fest, dass die Wiederherstellung des Kanals in natürlichen, historischen Tiefen die Gezeitenreichweite und die Sturmflut verringern würde.

„Direkte technische Eingriffe und Änderungen an unseren Küsten, Flussmündungen und Häfen können große Auswirkungen haben“, sagt Talke. "Wir könnten tatsächlich die Physik des Systems verändern."

Geopotes 14, ein nachlaufender Saugbagger, hebt seinen Ausleger aus einem Kanal in den Niederlanden. Das Schiff kann bis zu einer Tiefe von 33, 8 Metern und mit einer Verlängerung sogar noch tiefer bohren. Geopotes 14, ein nachlaufender Saugbagger, hebt seinen Ausleger aus einem Kanal in den Niederlanden. Das Schiff kann bis zu einer Tiefe von 33, 8 Metern und mit einer Verlängerung sogar noch tiefer bohren. (Wikimedia Commons / CC 3.0)

Trotz allgemeiner Trends ist jeder Standort anders. Jeder Sturm ist anders. Eine Kanalvertiefung verringert beispielsweise die Wirkung von Winden, die Wasser eine Flussmündung hinauf treiben. Die Vertiefung von Kanälen an einigen Orten hat möglicherweise keine Auswirkung oder kann sogar Sturmfluten und Überschwemmungen lindern. Dies scheint laut Forschern in Portland, Oregon, und Albany, New York, der Fall zu sein. An diesen Stellen wirkte sich eine durch Kanalbaggerung verursachte Abnahme der Flusseinflüsse stärker aus als eine Kanalvertiefung.

In Jacksonville war die geplante Erhöhung der Kanaltiefe auf 47 Fuß nach den Überschwemmungen während des Hurrikans Irma, einem Sturm der Kategorie 1 im Jahr 2017, der trotz Ebbe einen historischen Anstieg verzeichnete, umstritten. Eine lokale Umweltgruppe, St. Johns Riverkeeper, hat geklagt, um das Ausbaggern zu stoppen. In den letzten 120 Jahren wurde der Kanal im St. Johns River, der sich beim Durchqueren der Innenstadt in einer Entfernung von 42 Kilometern vom Meer verengt, auf eine Tiefe von 41 Fuß aus 18 Fuß ausgebaggert. Wie in Wilmington hat die Vertiefung und Straffung des Kanals den Gezeitenbereich um Jacksonville laut Talke beinahe verdoppelt.

Carl Friedrichs, Vorsitzender der Abteilung für Physikalische Wissenschaften am Virginia Institute of Marine Science, einem Teil des College of William & Mary, sagt, Talke sei führend darin gewesen, historische Gezeitenaufzeichnungen zur Untersuchung von Veränderungen in Küstensystemen zu verwenden. "Ich war sehr beeindruckt von der Arbeit, die ich gesehen habe", sagt Friedrichs. "Eines der Themen seiner Arbeit ist, dass er unerwartete nichtlineare Rückkopplungen beschreibt, bei denen man denkt, dass eine Sache passiert, aber es gibt eine Kaskade von anderen Dingen, die passieren."

Die Vertiefung von Kanälen führt beispielsweise dazu, dass Sedimente an unerwartete Orte gelangen, das Wasser buchstäblich trüben und Salzwasser in Süßwasserflüsse eindringen kann, was zu einer Kaskadenbildung führt. Christopher Sommerfield, Küstenozeanograph und Geologe an der Universität von Delaware, hat mit Talke und anderen in Newark Bay und Delaware Bay Artikel veröffentlicht. In der Delaware-Mündung, sagt Sommerfield, hat die Kanalvertiefung den Salzgehalt flussaufwärts näher an Philadelphia und Trenton erhöht. Wenn die Salzleitung flussaufwärts verläuft, verändert dies nicht nur die Unterwasserwelt, sondern bedroht auch die Süßwasserversorgung von Philadelphia (Delaware River) sowie von Industrien, die das Wasser nutzen (Salzwasser ist teuer korrosiv). Laut Sommerfield werden durch Unterhaltsbaggerungen Sedimente entfernt, die einst Watten und Sümpfe entlang des Flusses bildeten - wichtige Merkmale für die Dämpfung der Wellenenergie.

In einem kürzlich erschienenen Artikel argumentieren Talke und seine Kollegen, dass gefährdete Küstengemeinden die kombinierten Auswirkungen von Änderungen der Sturmfluten, der Wellenstärke, des Verlusts von Feuchtgebieten und des Anstiegs des Meeresspiegels möglicherweise unterschätzen. "Ich denke, die Leute fangen an, sich auf die Tatsache einzulassen, dass man nicht nur eine Flut von alleine hat und dass man keinen Sturmflut von alleine hat oder dass der Meeresspiegel von alleine ansteigt", sagt er. "Sie können nicht alle unabhängig voneinander behandeln, alles zusammenzählen und das Risiko ändern. Sie müssen sie gemeinsam berücksichtigen."

Für Talke stellt sich jetzt die Frage, wie diese Hinweise, die einst von der Vergangenheit verhüllt waren, eine sicherere Zukunft gestalten können. "Sie haben diesen variablen Effekt, wenn es in gewisser Weise Gewinner und Verlierer gibt. Es gibt Orte wie Albany, an denen das Risiko abnimmt, und es gibt Orte, an denen das Risiko stark zunimmt", sagt er. "Was mich beunruhigt, ist, dass wir das wirklich nicht vollständig untersucht haben, so dass wir nicht wissen, welche Regionen stärker betroffen sein werden und welche Regionen etwas besser geschützt sind.

"Indem wir aus der Vergangenheit lernen", fügt Talke hinzu, "können wir uns besser auf die Zukunft vorbereiten."

Da Hafenstädte immer tiefer in die Lage versetzt werden, wachsende Frachtschiffe aufzunehmen, kann das Risiko von Überschwemmungen im Landesinneren steigen