De flesta människors erfarenhet av sjögräs, om någon, uppgår till lite mer än en kittling på anklarna medan de vadar i grunda kustvatten. Men det visar sig att dessa allestädes närvarande växter, sorter som finns runt om i världen, kan spela en nyckelroll för att skydda sårbara stränder när de utsätts för angrepp från stigande havsnivåer.

Ny forskning kvantifierar för första gången, genom experiment och matematisk modellering, hur stor och hur tät en kontinuerlig äng med sjögräs måste vara för att ge tillräcklig dämpning av vågor i en viss geografisk, klimat, och oceanografisk miljö.

I ett par uppsatser som publicerades i majnumren av två forskningstidsskrifter, Kustteknik och den Journal of Fluids and Structures , MIT -professor i civil- och miljöteknik Heidi Nepf och doktorand Jiarui Lei beskriver deras resultat och de betydande miljöfördelar som sjögräs erbjuder. Dessa inkluderar inte bara att förhindra stranderosion och skydda havsväggar och andra strukturer, men också förbättring av vattenkvaliteten och avlägsnande av kol för att begränsa framtida klimatförändringar.

Dessa tjänster, i kombination med mer kända tjänster som att tillhandahålla livsmiljöer för fisk och mat för andra marina varelser, innebära att nedsänkt vattenväxtlighet inklusive sjögräs ger ett övergripande värde på mer än 4 biljoner dollar globalt varje år, som tidigare studier har visat. Men idag, några viktiga sjögräsområden som Chesapeake Bay är nere på ungefär hälften av deras historiska sjögräs täckning (efter att ha återhämtat sig från en lägst på bara 2 procent), vilket begränsar tillgängligheten för dessa värdefulla tjänster.

Nepf och Lei återskapade konstgjorda versioner av sjögräs, sammansatt av material med olika styvhet för att reproducera det långa, flexibla blad och mycket styvare baser som är typiska för sjögräsväxter som Zostera marina, även känd som vanligt ålegräs. De satte upp en ängliknande samling av dessa konstgjorda växter i en 79 fot lång (24 meter) vågtank i MIT:s Parsons Laboratory, som kan efterlikna förhållanden för naturliga vågor och strömmar. De utsatte ängen för en mängd olika förhållanden, inklusive stilla vatten, starka strömmar, och vågliknande sloshing fram och tillbaka. Deras resultat validerade förutsägelser som gjorts tidigare med hjälp av en datoriserad modell av enskilda växter.

Forskarna använde de fysiska och numeriska modellerna för att analysera hur havsgräs och vågor interagerar under olika förhållanden av växtens densitet, bladlängder, och vattenrörelser. Studien beskriver hur växternas rörelse förändras med bladstyvhet, vågperiod, och vågamplitud, ger en mer exakt förutsägelse av vågdämpning över sjögräsängar. Medan annan forskning har modellerat några av dessa villkor, det nya verket återger mer troget verkliga förhållanden och ger en mer realistisk plattform för att testa idéer om restaurering av sjögräs eller sätt att optimera de fördelaktiga effekterna av sådana nedsänkta ängar, de säger.

För att testa modellens giltighet, laget gjorde sedan en jämförelse av de förutsagda effekterna av sjögräs på vågor, tittar på en specifik sjögräsäng utanför stranden på den spanska ön Mallorca, i Medelhavet, som är känt för att dämpa kraften hos inkommande vågor med en faktor på cirka 50 procent i genomsnitt. Med hjälp av mätningar av ängsmorfologi och våghastigheter som samlats in i en tidigare studie ledd av professor Eduardo Infantes, för närvarande vid Göteborgs universitet, Lei kunde bekräfta de förutsägelser som modellen gjorde, som analyserade hur spetsarna av grässtrån och partiklar som hänger i vattnet tenderar att följa cirkulära banor när vågorna går, bildar rörelsecirklar som kallas orbitaler.

Observationerna där stämde mycket bra med förutsägelserna, Lei säger, visar hur vågstyrka och sjögräsrörelse varierade med avståndet från kanten av ängen till dess inre överens med modellen. Så, "med denna modell kan ingenjörerna och utövarna bedöma olika scenarier för restaurering av sjögräsprojekt, vilket är en stor grej just nu, "Han säger att det kan göra en betydande skillnad, han säger, eftersom vissa restaureringsprojekt nu anses vara för dyra att genomföra, En bättre analys kan visa att ett mindre område, billigare att återställa, kan ge den önskade skyddsnivån. På andra områden, analysen kan visa att ett projekt inte är värt att göra alls, eftersom egenskaperna hos de lokala vågorna eller strömmarna skulle begränsa gräsens effektivitet.

Den särskilda sjögräsängen på Mallorca som de studerade är känd för att vara mycket tät och enhetlig, så ett framtida projekt är att utvidga jämförelsen till andra sjögräsområden, inklusive de som är fläckigare eller mindre tjockväxta, Nepf säger, för att visa att modellen verkligen kan vara användbar under olika förhållanden.

Genom att dämpa vågorna och därmed ge skydd mot erosion, havsgräset kan fånga fint sediment på havsbotten. Detta kan avsevärt minska eller förhindra tillväxt av alger som matas av de näringsämnen som är associerade med det fina sedimentet, som i sin tur orsakar en utarmning av syre som kan döda mycket av det marina livet, en process som kallas eutrofiering.

Seagrass har också en betydande potential för att binda kol, både genom sin egen biomassa och genom att filtrera bort fint organiskt material från det omgivande vattnet, enligt Nepf, och detta är ett fokus för henne och Leis pågående forskning. En tunnland sjögräs kan lagra ungefär tre gånger så mycket kol som en tunnland regnskog, och Lei säger att preliminära beräkningar tyder på att globalt sett sjögräsängar är ansvariga för mer än 10 procent av kolet begravt i havet, även om de bara upptar 0,2 procent av området.

Medan andra forskare har studerat effekterna av sjögräs i stadiga strömmar, eller i oscillerande vågor, "de är de första som kombinerar dessa två typer av flöden, som är vad riktiga växter normalt utsätts för. Trots den extra komplexiteten, de sorterar verkligen ut fysiken och definierar olika flödesregimer med olika beteenden, "säger Frédérick Gosselin, professor i maskinteknik vid Polytechnique Montréal, i Kanada, som inte var kopplad till denna forskning.

Gosselin tillägger, "Den här forskningen är kritisk. Markutvecklare är snabba med att fylla och muddra upp våtmarker utan att tänka mycket på vilken roll dessa fuktiga miljöer spelar." Denna studie "visar hur nedsänkt vegetation har en exakt kvantifierbar effekt på dämpning av inkommande vågor. Det betyder att vi nu kan utvärdera exakt hur mycket en äng skyddar kusten från erosion. ... Denna information skulle möjliggöra bättre beslut av våra lagstiftare."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.