Under miljoner år, Hawaiianska vulkaner har bildat en kedja av vulkaniska öar som sträcker sig över norra Stilla havet, där havsvågor från alla håll, uppväckt av avlägsna stormar eller transporterade in på vindvindar, har slagit och format öarnas kustlinjer i varierande grad.

Nu har forskare vid MIT och på andra håll funnit att, på Hawaii, mängden energi som levereras av vågor i genomsnitt varje år är en bra förutsägelse för hur snabbt eller långsamt en stenig kust kommer att urholka. Om vågorna är stora och frekventa, kusten kommer att urholkas snabbare, medan mindre, mindre frekventa vågor kommer att resultera i en långsammare eroderande kust.

Deras studie hjälper till att förklara Hawaiian Islands slingrande strandlinjer, där norrläge havsklippor, upplever större vågor som produceras av avlägsna stormar och ihållande handelsvindar, har eroderat längre in i landet. I kontrast, söderläge kuster njuter vanligtvis av lugnare vatten, mindre vågor, och därför mindre urholkade kuster.

Resultaten, publicerad denna månad i tidningen Geologi , kan också hjälpa forskare att förutse hur snabbt andra steniga kuster runt om i världen kan urholka, baserat på kraften i vågorna som en kust vanligtvis upplever.

"Över hälften av världens oceaniska kustlinjer är klippiga klippor, så havsklipp erosion påverkar många kustinvånare och infrastruktur, "säger Kim Huppert, Ph.D, huvudförfattare till studien och en tidigare doktorand vid MIT:s Department of Earth, Atmosfär och planetvetenskap. "Om stormigheten ökar med klimatförändringarna, och vågorna blir större, vi måste specifikt förstå hur vågor påverkar erosion. "

Huppert, som nu är senior forskare vid det tyska forskningscentret för geovetenskap, har författat tidningen tillsammans med Taylor Perron, professor i jorden, atmosfärisk, och planetvetenskap och associerad avdelningschef vid MIT, och Andrew Ashton från Woods Hole Oceanographic Institution.

Handfat och hugga

Forskare har haft en uppfattning om att hastigheten för kusterosion beror på kraften i vågorna som verkar på den kusten. Men tills nu, det har inte gjorts någon systematisk studie för att bekräfta detta förhållande, främst för att det kan finnas så många andra faktorer som bidrar till kusterosion som kan komma i vägen.

Teamet fann att Hawaiian Islands ger en idealisk miljö för att studera detta förhållande:Öarna är alla gjorda av samma typ av berggrund, vilket betyder att de inte skulle behöva ta hänsyn till flera typer av berg och sediment och deras skillnader i erosion; och öarna bor i ett stort havsområde som producerar ett brett spektrum av vågklimat, "eller vågor av olika storlekar och frekvenser.

"När du går runt kusten på olika öar, du ser väldigt olika vågklimat, helt enkelt genom att vända ett hörn av ön, "Huppert noterar." Och bergarten är likadan. Så Hawaii är ett trevligt naturlaboratorium. "

Forskarna fokuserade sin studie på 11 kustplatser runt öarna Hawaii, Maui, och Kaho'olawe, var och en vetter mot olika regioner i Stilla havet som producerar olika storlekar och frekvenser av vågor.

Innan man överväger vågkraften på dessa olika platser, de arbetade först med att uppskatta den genomsnittliga takt med vilken havsklipporna på varje kustplats har eroderat under de senaste miljoner åren. Teamet försökte identifiera erosionshastigheterna som producerade kustprofilerna på Hawaiiöarna idag, med tanke på öarnas ursprungliga profiler, som kan uppskattas utifrån varje ös topografi. Att göra detta, de var först tvungna att redogöra för förändringar i varje ös vertikala rörelse och havsnivåförändringar över tid.

Efter att en vulkanisk ö bildats, det börjar oundvikligen avta, eller sjunka under sin egen vikt. När en ö sjunker, nivån på vilken havet interagerar med ön förändras, precis som om du skulle sänka dig ner i en pool:Vattenytan kan börja vid dina anklar, och stegvis knacka på knäna, din midja, och så småningom dina axlar och haka.

För en ö, ju långsammare det sjunker, ju längre tid havet har att hugga ut kusten vid en viss höjd. I kontrast, om en ö sjunker snabbt, havet har bara flyktig tid att skära in i kusten innan ön avtar ytterligare, avslöjar en ny kustlinje för havet att slita bort. Som ett resultat, hastigheten med vilken en ö sjunker påverkar starkt hur långt kusten har dragit sig tillbaka inåt landet vid en given höjd, över miljoner år.

För att beräkna öns sjunkande hastighet, laget använde en modell för att uppskatta hur mycket litosfären, det yttersta lagret på jorden som vulkaniska öar sitter på, sjunkit under vikten av varje Hawaiian vulkan som bildats under de senaste miljoner åren. Eftersom Hawaiiöarna ligger nära varandra, sänkning av en ö kan också påverka sjunkande eller stigande av närliggande öar, på samma sätt som ett barn kan studsa upp när ett annat barn sjunker ner i en studsmatta.

Teamet använde modellen för att simulera olika möjliga historier om ösänkning under de senaste miljoner åren, och den efterföljande erosionen av havsklippor och kustlinjer. De letade efter det scenario som bäst kopplade öarnas ursprungliga kustlinjer med dagens moderna kustlinjer, och matchade de olika resulterande erosionshastigheterna till de 11 platser som de fokuserade på i sin studie.

"Vi hittade erosionshastigheter som varierar från 17 millimeter per år till 118 millimeter per år på de olika platserna, "Säger Huppert." Den övre änden av det intervallet är nästan en halv fot per år, så några av dessa priser är ganska snabba för rock. "

Vågor av en storlek

De valde de 11 kustplatserna i studien för sin variation:Vissa havsklippor vetter mot norr, där de misshandlas av starkare vågor som alstras av avlägsna stormar. Andra kuster som vetter mot norr upplever vindvindar som kommer från nordost och ger vågor som är mindre men mer frekventa. De kustnära platser som vetter mot söder upplever mindre, mindre frekventa vågor i kontrast.

Teamet jämförde erosionshastigheterna på varje plats med den typiska vågkraften som upplevdes på varje plats, som de beräknat från våghöjd och frekvensmätningar som härrör från bojdata. De jämförde sedan de 11 ortenas vågkraft med sina långsiktiga erosionshastigheter.

Vad de hittade var ganska enkelt, linjärt samband mellan vågkraft och hastigheten för kusterosion. Ju starkare vågor som en kust upplever, desto snabbare ökar kusten. Specifikt, de fann att vågor av en storlek som inträffar varannan dag kan vara en bättre indikator på hur snabbt en kust urholkar än större men mindre frekventa stormvågor. Det är, om vågorna är normala, oroliga dagar är stora, en kust tärs sannolikt snabbt; om de typiska vågorna är mindre, en kust drar sig långsammare tillbaka.

Forskarna säger att genomföra denna studie på Hawaii tillät dem att bekräfta detta enkla förhållande, utan att förvirra naturliga faktorer. Som ett resultat, forskare kan använda detta förhållande för att förutse hur steniga kuster i andra delar av världen kan förändras, med variationer i havsnivå och vågaktivitet till följd av klimatförändringar.

"Havsnivån stiger längs stora delar av världens kuster, och förändringar i vindar och storm med pågående klimatförändringar kan förändra vågregimer, för, "Perron påpekar." Att kunna isolera vågklimatets inflytande på hastigheten vid kusterosion får dig ett steg närmare att gå till en viss plats och beräkna förändringen i erosionshastigheten där. "

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.