Table of Contents

Введение в береговую геоморфологию

Прибрежная геоморфология - это научное исследование физических особенностей береговых линий - динамического интерфейса между сушей и морем - и процессов, которые создают, модифицируют и поддерживают их. Это поле имеет основополагающее значение для экологического управления, городского планирования, смягчения опасности и устойчивого использования прибрежных ресурсов. Береговые линии являются одними из самых быстро меняющихся ландшафтов на Земле, реагируя на силы, действующие в временных масштабах, начиная от единичных штормовых событий до тысячелетий колебаний уровня моря.

Понимание того, как развиваются прибрежные формы рельефа, имеет важное значение для прогнозирования будущих изменений, особенно в эпоху повышения уровня моря и повышения давления человека. В следующих разделах рассматриваются основные процессы, формирующие побережья, различные формы рельефа, которые они производят, воздействие человека и стратегии управления, направленные на баланс развития с устойчивостью.

Фундаментальные силы, формирующие береговые формы рельефа

Прибрежные ландшафты формируются сочетанием морских и наземных процессов. Доминирующими источниками энергии являются волны, приливы, течения и изменения относительного уровня моря. Климат и геология также играют критически важную роль.

Волновая энергия и преломление

Волны являются основными агентами эрозии и переноса осадков вдоль большинства береговых линий. Разрывные волны высвобождают энергию, которая может подрезать скалы, перемещать песок вдоль берега и изменять пляжи. Высота, период и направление волн определяют интенсивность этих процессов. Преломление волн - изгиб гребней волн, когда они приближаются к нерегулярным береговым линиям - концентрирует энергию на наголовьях и рассеивает ее в заливах, что приводит к дифференциальной эрозии. Этот процесс объясняет формирование береговых линий наголовья-залива и развитие волновых платформ у основания отступающих скал.

Приливные режимы

Приливы влияют на вертикальный диапазон, в котором работают морские процессы. Микротидные диапазоны (менее 2 м) производят относительно узкие приливные зоны, в то время как макротидные побережья (более 4 м) обнажают широкие плоскости и соляные болота. Приливные течения могут транспортировать большие объемы осадочных пород, особенно в устьях, входах и приливных каналах. Взаимодействие приливной и волновой энергии определяет, преобладает ли на побережье волны или приливы, которые, в свою очередь, формируют образовавшиеся рельефы.

Лонгшорные течения и литоральный дрейф

Когда волны приближаются к берегу под углом, они генерируют длиннобереговое течение, которое перемещает воду и осадок параллельно побережью. Этот процесс, известный как прибрежный дрейф, отвечает за транспортировку песка по пляжам, рост кос и барьерных островов и периодическое заполнение приливных впадин. Направление и величина прибрежного дрейфа являются ключевыми входными данными для прибрежных инженерных проектов, поскольку прерывание этого потока может вызвать эрозию или аккрецию в других местах.

Изменение уровня моря

Относительный уровень моря повышается или падает из-за эвстатических (объем мирового океана) и изостатических (высота поверхности суши) факторов. За последние 20 000 лет уровень моря поднялся примерно на 120 м из-за таяния ледяных щитов плейстоцена. В человеческих временных рамках изменение климата ускоряет повышение уровня моря за счет теплового расширения и таяния льда. Восходящие моря затопляют низменные прибрежные равнины, топят речные долины, чтобы сформировать эстуарии, разрушают скалы быстрее и стимулируют миграцию барьерных островов на суше. Для получения дополнительной информации об исторических тенденциях уровня моря страница NOAA Climate.gov на уровне моря предоставляет подробные данные.

Ключевые геоморфологические процессы

Четыре взаимосвязанных процесса — погодная обработка, эрозия, транспортировка и осаждение — работают вместе, формируя прибрежные формы рельефа. Понимание этих процессов имеет важное значение для объяснения распределения и эволюции прибрежных особенностей.

выветривание

Выветривание разрушает породы и минералы на побережье. Физическое выветривание происходит замораживанием-оттаиванием (особенно на умеренных и полярных побережьях) и кристаллизацией соли (солевым выветриванием) в зонах сушки спреев. Химическое выветривание включает растворение карбонатов в известняковых и меловых побережьях, а также гидролиз и окисление в силикатных породах. Биологическое выветривание вызвано норовящими организмами, ростом корней и активностью скучных двустворчатых и водорослей. Выветривающийся материал легче эродировать и транспортировать.

эрозия

Прибрежная эрозия включает в себя несколько различных механизмов. Гидравлическое действие является чистой силой воды, заталкивающейся в трещины и соединения, сжимая воздух и расширяя трещины. Истирание происходит, когда волны, вооруженные песком и галькой, измельчаются о поверхности пород. Приверженность является износом и округлением самих частиц осадка, когда они сталкиваются во время транспортировки. (коррозия) растворяет растворимую породу, особенно в известняковых побережьях. Относительная важность этих процессов зависит от энергии волны и типа породы. Эрозия создает такие особенности, как выемки, морские пещеры, арки, стеки и платформы для резки волн. Скорости могут достигать нескольких метров в год на мягких скалах и менее одного миллиметра в год на твердом граните.

Транспортировка

Осадок перемещается вдоль побережья волнами, течениями и ветром. В прибрежной зоне материал перевозится в виде постельного груза (катание, скольжение, соление) или подвесной нагрузки. Транспорт на берегу перемещает осадок вдоль берега, в то время как наземно-оффшорный транспорт реагирует на сезонные изменения энергии волн - более грубый осадок остается на шельфе во время штормов и возвращается на пляж в более спокойных условиях. Ветровой транспорт особенно важен при формировании прибрежных дюн, переносящих песок вглубь суши с пляжей.

Бюджеты на размещение и осадки

Осаждение происходит, когда транспортирующий агент теряет энергию, позволяя осадку оседать. Этот процесс создает такие функции, как пляжи, косы, томболос и дельты. Концепция бюджета осадка - баланс между входами осадка (из рек, эрозии утеса, морских источников) и выходами (потери на море, морские потери, добыча) - имеет решающее значение для понимания того, разрушается ли побережье, стабильный или аккреционный. Отрицательный бюджет приводит к эрозии, в то время как положительный бюджет приводит к росту рельефа.

Основные прибрежные формы рельефа и их формирование

Прибрежные формы рельефа сильно различаются в зависимости от доминирующих процессов, типа породы, тектонической обстановки и истории изменения уровня моря.

Платформы для скатывания волн и Wave-Cut

Утесы представляют собой крутые склоны или вертикальные грани, образованные волновой эрозией у их основания. По мере того, как волны подрезают скалу, развивается выемка, и накладывающиеся скалы разрушаются, вызывая отступление скалы. Обрушающийся мусор затем разрушается и транспортируется, позволяя процессу продолжаться. Со временем отступающий обрыв оставляет после себя мягко наклонную платформу скалы, известную как платформа с вырезанием волны. Ширина платформы зависит от скорости отступления скалы и приливного диапазона. Узоры преломления волн часто создают наголовье (устойчивая скала) и заливы (слабая скала). Образование стека - изолированный столб скалы - отмечает заключительную стадию обрушения арки.

Пляжи и барьерные системы

Пляжи представляют собой скопления неконсолидированных осадков (песок, гравий, черепица), простирающиеся от отметки низкой воды до предела штормовых волн на суше. Они являются динамическими особенностями, которые реагируют на энергию волн, снабжение осадками и приливные циклы. Пляжные профили включают в себя береговую (межприливную зону) и береговую (выше прилива, часто с бермами и песчаными дюнами). Барьерные острова, распространенные вдоль низко наклонных береговых линий, представляют собой удлиненные песчаные острова, отделенные от материка лагуной или устьем. Они мигрируют наземно в ответ на повышение уровня моря через процесс перемывания и формирования входных вод. Страница USGS Барьерные острова обеспечивает дальнейшее понимание их динамики.

Прибрежные дюны

Дюны — это холмы или гряды песка, образованные ветром над линией прилива. Растительность, такая как трава маррама, помогает стабилизировать дюны, захватывая песок и уменьшая скорость ветра. Первая линия дюн (форедуны), параллельная пляжу, имеет решающее значение для защиты внутренних районов от штормовых нагонов и эрозии. Выпадения — депрессии, вызванные ветровой эрозией — могут нарушить дюнные поля и привести к миграции песка, если растительность повреждена. Деятельность человека, такая как удаление дюн или попирание, может дестабилизировать эти системы, делая их уязвимыми для эрозии.

Убежища и лагуны

Устья встречаются там, где реки встречаются с морем, подвержены приливному влиянию. Они представляют собой полузакрытые прибрежные тела со свободной связью с открытым морем, смешивая пресную и соленую воду. Устья являются высокопродуктивными экосистемами и действуют как ловушки для осадков. Они включают прибрежные равнинные эстуарии (утопленные речные долины), барные эстуарии (разделенные барьерными островами) и устья фьордового типа (ледниковые резные долины). Лагуны похожи, но с ограниченным или прерывистым приливным обменом. Обе среды поддерживают богатое биоразнообразие и являются критическими местами обитания питомников для многих видов рыб и моллюсков.

Коралловые рифы и карбонатные платформы

В тропических и субтропических водах коралловые рифы образуют массивные структуры из карбонатные скелеты коралловых полипов. Окаймляющие рифы растут непосредственно с берега, а барьерные рифы отделены лагуной, а атоллы заключают центральную лагуну в глубоких океанских условиях. Рифы защищают береговые линии, рассеивая энергию волн и поддерживая высокое биоразнообразие. Однако им угрожает потепление океана (обесцвечивание кораллов), подкисление, загрязнение и чрезмерный вылов рыбы. Здоровые рифы могут идти в ногу с умеренным повышением уровня моря за счет вертикального роста, но текущие темпы изменений бросают вызов их выживанию.

Классификация береговых линий

Геоморфологи классифицируют побережья, чтобы понять их происхождение и предсказать будущее поведение. Две фундаментальные классификации: эмерджент против субмерджента и первичные против вторичных . Эмерджентные побережья (например, поднятые морские террасы) поднимаются тектонической активностью или изостатическим отскоком; подводные побережья (например, утопленные речные долины) затопляются повышением уровня моря. Первичные береговые линии формируются в основном неморскими процессами (например, дельты рек, вулканические берега), в то время как вторичные береговые линии формируются морской эрозией и осаждением (например, барьерные пляжи, скалы).

Еще одна полезная дихотомия — скалистые и мягкоосадочные побережья. Скалистые побережья медленно разрушаются и занимают скалы, платформы и бухты. Мягкоосадочные побережья, такие как песчаные пляжи и грязевые грязевые глади, быстро реагируют на изменения в волновой энергии и осадочных отложениях. Многие береговые линии являются композитными, содержащими элементы нескольких классификаций.

Влияние человека на морфодинамику побережья

Деятельность человека стала доминирующей силой в формировании многих прибрежных ландшафтов, часто ускоряя природные процессы или создавая совершенно новые модели эрозии и осаждения.

Урбанизация и жесткая инженерия

Прибрежные города и инфраструктура изменяют запасы осадочных пород и динамику волн. Морские стены, рифы и борозды построены для защиты собственности, но могут истощать осадочные пляжи, вызывая эрозию в других местах. Реактивы и волнорезы влияют на прибрежный транспорт, что приводит к аккреции пляжей с одной стороны и эрозии с другой. Непроницаемые поверхности увеличивают стоки и уменьшают подпитку грунтовых вод, влияя на стабильность утеса. Кумулятивное воздействие этих вмешательств может дестабилизировать прибрежные системы на больших площадях.

Загрязнение и эвтрофикация

Загрязнение питательных веществ в результате сельского хозяйства и канализации вызывает цветение водорослей и гипоксические условия, которые ухудшают русла морских водорослей и коралловые рифы. Загрязнение осадков в результате обезлесения и строительства может задушить бентические среды обитания. Химические загрязнители влияют на здоровье организмов, которые связывают осадки или строят рифовые структуры. Потеря биологических сообществ может снизить устойчивость рельефов — например, деградация рифов увеличивает энергию волн, достигающих береговых линий, ускоряя эрозию.

Изменение климата и повышение уровня моря

Изменение климата, возможно, является наиболее актуальной долгосрочной угрозой для береговых линий. Повышение уровня моря приводит к затоплению районов с низким уровнем подъема, увеличению наводнений во время штормов и более быстрому отступлению скал. Потепление температуры океана усиливает тропические циклоны, увеличивая высоту штормовых нагонов и энергию волн. Проекты МГЭИК, согласно которым глобальный средний уровень моря может подняться на 0,5-1 м к 2100 году при сценариях с высоким уровнем выбросов, со значительными региональными изменениями. Для политиков и планировщиков глава МГЭИК AR6 Изменение уровня моря предлагает всеобъемлющие прогнозы.

Прибрежные подходы к управлению

Управление прибрежными рельефами требует балансирования экономических, социальных и экологических целей.Стратегии делятся на три широкие категории: жесткая инженерия, мягкая инженерия и управляемый откат.

Твердая инженерия

Жесткая инженерия включает в себя строительство прочных сооружений, таких как морские стены, борозды, волнорезы и каменные доспехи. Эти меры обеспечивают немедленную защиту, но часто имеют негативные побочные эффекты: они отражают энергию волн, увеличивают эрозию на прилегающих береговых линиях и ухудшают естественные среды обитания. Они дороги в строительстве и обслуживании и могут запирать сообщества в цикл все более широкой защиты по мере повышения уровня моря.

Мягкая инженерия

Мягкая инженерия работает с естественными процессами для управления динамикой осадков. Питание пляжей добавляет песок к разрушающимся пляжам, обеспечивая буфер против штормов. Восстановление дюн использует растительность для стабилизации песка. Управляемая перестройка отбрасывает защитные механизмы, позволяющие приливные наводнения и восстановление соленой болотистой зоны, создавая естественные буферы. Эти подходы, как правило, более устойчивы, более эстетичны и дешевле в долгосрочной перспективе, хотя они требуют достаточного пространства и осадка.

Управляемое отступление и адаптация

Во многих районах наиболее реалистичным долгосрочным ответом на повышение уровня моря является перемещение инфраструктуры и предоставление возможности побережью мигрировать внутри страны. Это управляемое отступление, также называемое стратегической перестройкой, избегает высоких затрат и экологического ущерба от жесткой обороны. Планирование отступления включает зонирование землепользования, прокатные сервитуты и программы выкупа. Сообщества, которые принимают этот подход, могут сохранять естественные среды обитания и поддерживать рекреационные пляжи. В статье Nature Communications об управляемом отступлению обсуждается глобальный тематический анализ.

Комплексное управление прибрежными зонами (ICZM)

ICZM - это целостный, многодисциплинарный подход, который координирует действия правительства, сообществ, промышленности и ученых. Он рассматривает всю прибрежную систему, включая речные водосборы, и уравновешивает развитие с сохранением. Планы ICZM часто включают мониторинг геоморфических показателей, адаптивные рамки управления и участие общественности. Успешный ICZM требует сильного управления, обмена данными и долгосрочной приверженности.

Заключение

Динамика прибрежных рельефов обусловлена взаимодействием волн, приливов, течений, изменения уровня моря и осадочных пород, все это опосредовано геологией и человеческой деятельностью. Понимание этих геоморфологических процессов имеет важное значение для прогнозирования того, как береговые линии будут развиваться в ответ на изменение климата и для принятия обоснованных решений о развитии, сохранении и смягчении рисков. Ни один подход к управлению не работает везде; местные условия и долгосрочная устойчивость должны направлять выбор. Благодаря интеграции научных знаний с адаптивными, основанными на экосистеме стратегиями общество может лучше защитить как экономическую ценность, так и естественную красоту наших постоянно меняющихся берегов.