Utanför kusten av Virginias östra kust finns en kedja av obebodda barriäröar som hjälper till att skydda fastlandskusten från stormar som – tack vare klimatförändringarna – ökar i både frekvens och intensitet.

Dock, dessa 23 öar som sträcker sig från Assateague Island vid Marylands gräns till Fisherman Island nära Chesapeake Bay Bridge-Tunnel är själva hotade av klimatförändringar och havsnivåhöjningar.

Eftersom medeltemperaturen stiger något, en buskeart — Morella cerifera (vaxmyrten) — har förökat sig i en svindlande grad över många av öarna. Förr, busken skulle dö under extrema vintrar. Nu växer den året runt, trycka ut gräs som bygger sanddyner som är avgörande för att skydda öarna.

"Den här busken har alltid funnits här, det är en inhemsk art. Men det har precis tagit över, sa Julie Zinnert, Ph.D., en biträdande professor vid institutionen för biologi vid College of Humanities and Sciences, på ett besök på Hog Island nyligen. "Om du ser över så här, det är bara buske. Det är en vägg av buske, bara enorma snår. Och det är på grund av klimatförändringarna."

Explosionen av Morella på Cobb Island ledde till så mycket erosion att en norra påsk på våren slog igenom ön, i huvudsak dela den i två delar.

Satellitbilder från 1984 till 2016 visar att 10 av öarna — Cedar, Cobb, Fiskare, Gris, Metompkin, Myrten, Parramore, Ship Shoal, Smith och Wreck—har krympt med 27 procent. Under den perioden, buskskydd expanderade till ungefär 40 procent av landskapet.

På Parramore Island, ett område som en gång vimlade av träd är nu en spökskog.

"Du kan bokstavligen se träd som har dött på stranden. Tomter som brukade vara maritim skog, nu kan du titta och de är i havet. Du kan bokstavligen se erosionen, sa Natasha Woods, Ph.D. en postdoktor vid VCU. "Människor som inte tror att klimatförändringar sker, dessa öar är ett bra exempel som du kan visa dem för att bevisa motsatsen."

Förstå ekologin

Med Virginias barriäröar hotade av klimatförändringar och höjning av havsnivån, Coastal Plant Ecology Lab vid Virginia Commonwealth University genomför en rad experiment som syftar till att utforska de ekologiska och geomorfa processer som påverkar deras motståndskraft.

"Vårt övergripande mål är att förstå samspelet mellan växtekologi och fysiska processer som svar på ett förändrat klimat, sa Zinnert, labbets huvudutredare. "Det är viktigt eftersom man länge har trott att de fysiska processerna strukturerar vegetationssamhällen. Men vi visar att det inte är en enkelriktad process utan en interaktion – systemets ekologi är viktig och måste beaktas om vi ska verkligen förstå och göra förutsägelser för framtiden."

Labbet är ett av flera som ingår i Virginia Coast Reserve Long-Term Ecological Research-projektet, som finansieras av National Science Foundation och som fokuserar på att undersöka "mosaiken av övergångar och stationära system som utgör barriärön/lagunen/fastlandets landskap i den östra kusten av Virginia."

Bidraget administreras genom Institutionen för miljövetenskaper vid University of Virginia, och inkluderar forskare från Boston University, University of North Carolina vid Chapel Hill, George Washington University, Virginia Tech, Virginia Institute of Marine Science, Naturvårdsverket och VCU.

En modell för att förutsäga framtiden

Ett mål med VCU-teamets forskning är att utveckla en matematisk modell som bedömer förändringar av barriäröarna under korta perioder utifrån olika miljöförhållanden för att förutsäga tillståndet på öarna långt in i framtiden.

Modellen, som utvecklas i samarbete med David M. Chan, Ph.D., en docent vid institutionen för matematik och tillämpad matematik, expanderar på en befintlig cellulär modell av sanddyner, strand- och vegetationsutveckling för att inkludera mer av öns dynamik, såsom interaktioner med flera vegetationsarter, salthaltseffekter, havsnivåhöjning och andra faktorer.

"Modeller är viktiga verktyg för forskare eftersom många experiment är omöjliga att utföra, " sa Chan. "I det här fallet, vi skulle vilja förutsäga framtiden för barriäröar, vilket vi planerar att göra baserat på simuleringar av dessa abstrakta modeller. Eftersom samspelet mellan landskapet och ekologiska samhällen är mycket komplicerat, det kan vara möjligt att påverka långsiktiga förändringar genom bättre förståelse för dessa interaktioner över hela ön."

Modellen kommer att vara användbar för kustsamhällen runt om i världen, av vilka många brottas med svåra frågor relaterade till hur man anpassar sig till stigande havsnivå och klimatförändringar.

"Det kommer att ge allmänheten medvetenhet och utbildning om värdet av kustvegetation och hur naturliga processer strukturerar kustsamhällen och hur dessa kommer att förändras med havsnivåhöjning och stormar, ", sa Zinnert. "Jag liknar detta med vår medvetenhet nu om våtmarker och träsk och vilket skydd de erbjuder efter orkanen Katrina."

Till exempel, Hon sa, modellen kan ge värdefull hjälp till samhällen genom att förutsäga sådant som översvämningar och hur det kan vara annorlunda med tanke på vilken typ av vegetation som finns.

"Grundtanken är att den här modellen kan tillämpas var som helst, längs vilken kust som helst, " Sa Zinnert. "[Med tidigare modeller], det har lagts mindre vikt vid systemets ekologi. Men vår forskning visar att ekologi är verkligen viktigt för vår förståelse."

I sista hand, Zinnert sa, teamets forskning matar in i frågan:Kan vi förutsäga hur kustlinjen kommer att förändras?

"Först, vi börjar med barriäröarna, men jag tror att det kan skala upp till en naturlig kustlinje också, " sa hon. "Kan vi göra förutsägelser om hur [öar och kustlinjer] kommer att se ut om 20 år, 50 år, 100 år med tanke på klimatuppvärmningen, given störningsaktivitet, med tanke på att havsnivån stiger?"

67 procent av en ö är borta

Under hela sommaren, VCU-forskarna har tagit en 30-minuters båttur från den östra kusten till barriäröarna för att utföra experiment. På en ny resa, teamet - som innehöll två magisterstudenter och en grundutbildning i miljöstudier - besökte Hog Island för att ta vattenprover, kontrollera status för experiment som involverar tillväxt av sanddynande gräs, och mer.

Spencer Bissett, Ph.D., en VCU biologiinstruktör, använde en jordvarning för att gräva hål ner till grundvattenytan och pumpade sedan ut prover.

"Vi kommer att ta dem tillbaka till labbet och sedan kommer de att testas för kolhalt, "sa han." Vi försöker ta reda på var det fasta kolet som kommer in i systemet genom växterna, vart är det på väg? Håller den sig fast i jorden och kommer sedan ut i en enda stor rapning när ön välter? Är det bara att återandas av mikrober och återvända till atmosfären? Flödar det då ut i grundvattnet och leder ut i havet? Stanna i vattenytan?"

Närliggande, ett annat experiment testade tillväxten av gräs på olika djup för att se om det finns en punkt där de är nödvändiga för tillväxten av busken som sprider sig över ön.

"I vårt system, vi vet att busken till slut tar över, men för att exakt fånga det och kunna modellera det, vi måste veta:När tar det över exakt?", sa Zinnert. "Och är gräset verkligen avgörande för tillväxten av den busken? Vi tror att de är för att vi ser det, men [detta experiment] testar faktiskt för att veta det. "

Det experimentet, Hon sa, är avgörande för att förstå de komplexa ekologiska processer som är involverade i öns övergång från ett gräs- till buskdominerat system.

"En av de saker vi har bidragit med hittills är att vi har visat att det inte är en linjär utveckling. Det är en plötslig förändring som sker och den är oåterkallelig, ", sa Zinnert. "Vi har några tomter där vi faktiskt klipper ut buskarna. Vi tittar på vad som kommer tillbaka efter att vi tagit bort buskarna och det är inte samma system. Så det är en oåterkallelig förändring i systemet. Och detta är något som uppmärksammas över hela världen, speciellt med buskar, men med andra arter också."

Ingenstans är den oåterkalleliga förändringen mer uppenbar än Cobb Island, Hon sa.

"Cobb hade den här expansionen av buskar och sedan ser du bara att det eroderar med tiden, " sa hon. "När du tittar på Cobb Islands landmassa från 1984 till 2016, något som 67 procent av det är bara borta. Det är otroligt. Och vi tillskriver det till expansionen av busken."