L'expérience de la plupart des gens avec les herbiers, si seulement, équivaut à un peu plus qu'un chatouillement sur leurs chevilles en pataugeant dans les eaux côtières peu profondes. Mais il s'avère que ces plantes omniprésentes, dont les variétés existent dans le monde, pourraient jouer un rôle clé dans la protection des rivages vulnérables face aux assauts de la montée du niveau de la mer.

Une nouvelle recherche quantifie pour la première fois, par l'expérimentation et la modélisation mathématique, quelle doit être la taille et la densité d'une prairie continue d'herbes marines pour assurer un amortissement adéquat des vagues dans une zone géographique donnée, climatique, et le cadre océanographique.

Dans une paire d'articles publiés dans les numéros de mai de deux revues de recherche, Génie côtier et le Journal des fluides et des structures , Heidi Nepf, professeure d'ingénierie civile et environnementale au MIT, et Jiarui Lei, doctorante, décrivent leurs découvertes et les avantages environnementaux significatifs qu'offrent les herbiers marins. Il s'agit non seulement de prévenir l'érosion des plages et de protéger les digues et autres structures, mais aussi l'amélioration de la qualité de l'eau et la séquestration du carbone pour aider à limiter les futurs changements climatiques.

Ces services, couplé à des services mieux connus tels que la fourniture d'un habitat pour les poissons et de la nourriture pour d'autres créatures marines, signifient que la végétation aquatique submergée, y compris les herbiers marins, fournit une valeur globale de plus de 4 000 milliards de dollars dans le monde chaque année, comme l'ont montré des études antérieures. Pourtant aujourd'hui, certaines zones importantes d'herbes marines telles que la baie de Chesapeake sont réduites à environ la moitié de leur couverture historique d'herbes marines (après avoir rebondi à partir d'un minimum de seulement 2 pour cent), limitant ainsi la disponibilité de ces précieux services.

Nepf et Lei ont recréé des versions artificielles d'herbes marines, assemblé à partir de matériaux de rigidité différente pour reproduire le long, des lames flexibles et des bases beaucoup plus rigides typiques des herbiers comme la Zostera marina, également connu sous le nom de zostère commune. Ils ont mis en place une collection semblable à une prairie de ces plantes artificielles dans un réservoir à vagues de 79 pieds de long (24 mètres) dans le laboratoire Parsons du MIT, qui peuvent imiter les conditions des vagues et des courants naturels. Ils ont soumis la prairie à diverses conditions, y compris l'eau plate, courants forts, et ondulant d'avant en arrière. Leurs résultats ont validé les prédictions faites plus tôt à l'aide d'un modèle informatisé de plantes individuelles.

Les chercheurs ont utilisé les modèles physiques et numériques pour analyser comment les herbiers marins et les vagues interagissent dans diverses conditions de densité végétale, longueurs de lame, et les mouvements de l'eau. L'étude décrit comment le mouvement des plantes change avec la rigidité de la lame, période de vague, et l'amplitude des vagues, fournissant une prédiction plus précise de l'amortissement des vagues sur les herbiers marins. Alors que d'autres recherches ont modélisé certaines de ces conditions, le nouveau travail reproduit plus fidèlement les conditions du monde réel et fournit une plate-forme plus réaliste pour tester des idées sur la restauration des herbiers ou des moyens d'optimiser les effets bénéfiques de ces prairies submergées, ils disent.

Pour tester la validité du modèle, l'équipe a ensuite comparé les effets prédits des herbiers sur les vagues, regardant une prairie d'herbes marines au large de l'île espagnole de Majorque, en mer Méditerranée, qui est connu pour atténuer la force des vagues entrantes d'un facteur d'environ 50 pour cent en moyenne. À l'aide de mesures de la morphologie des prairies et de la vitesse des vagues recueillies dans une étude précédente dirigée par le professeur Eduardo Infantes, actuellement de l'Université de Göteborg, Lei a pu confirmer les prédictions faites par le modèle, qui a analysé la façon dont les pointes des brins d'herbe et les particules en suspension dans l'eau ont toutes deux tendance à suivre des chemins circulaires au fur et à mesure que les vagues passent, formant des cercles de mouvement appelés orbitales.

Les observations là-bas correspondaient très bien aux prédictions, Lei dit, montrant la façon dont la force des vagues et le mouvement des herbiers variaient avec la distance entre le bord de la prairie et son intérieur en accord avec le modèle. Donc, "avec ce modèle, les ingénieurs et les praticiens peuvent évaluer différents scénarios de projets de restauration des herbiers, ce qui est un gros problème en ce moment, " il dit que cela pourrait faire une différence significative, il dit, car maintenant certains projets de restauration sont considérés comme trop coûteux à entreprendre, considérant qu'une meilleure analyse pourrait montrer qu'une zone plus petite, moins cher à restaurer, pourrait être en mesure de fournir le niveau de protection souhaité. Dans d'autres domaines, l'analyse peut montrer qu'un projet ne vaut pas du tout la peine d'être réalisé, car les caractéristiques des vagues ou courants locaux limiteraient l'efficacité des graminées.

La prairie d'herbes marines de Majorque qu'ils ont étudiée est connue pour être très dense et uniforme, donc un futur projet est d'étendre la comparaison à d'autres zones d'herbiers, y compris celles dont la végétation est plus irrégulière ou moins dense, Nepf dit, démontrer que le modèle peut effectivement être utile dans diverses conditions.

En atténuant les vagues et en assurant ainsi une protection contre l'érosion, les herbiers peuvent piéger des sédiments fins sur le fond marin. Cela peut réduire considérablement ou empêcher la croissance incontrôlée des algues alimentées par les nutriments associés aux sédiments fins, qui à son tour provoque un épuisement de l'oxygène qui peut tuer une grande partie de la vie marine, un processus appelé eutrophisation.

Les herbiers ont également un potentiel important de séquestration du carbone, à la fois par sa propre biomasse et en filtrant les fines matières organiques de l'eau environnante, selon Nepf, et c'est l'objet de ses recherches en cours et de celles de Lei. Un acre d'herbes marines peut stocker environ trois fois plus de carbone qu'un acre de forêt tropicale, et Lei dit que les calculs préliminaires suggèrent qu'à l'échelle mondiale, les herbiers marins sont responsables de plus de 10 pour cent du carbone enfoui dans l'océan, même s'ils n'occupent que 0,2 pour cent de la superficie.

Alors que d'autres chercheurs ont étudié les effets des herbiers marins dans des courants constants, ou en ondes oscillantes, « ils sont les premiers à combiner ces deux types de flux, ce à quoi les vraies plantes sont généralement soumises. Malgré la complexité supplémentaire, ils trient vraiment la physique et définissent différents régimes d'écoulement avec des comportements différents, " dit Frédérick Gosselin, professeur de génie mécanique à Polytechnique Montréal, au Canada, qui n'était pas lié à cette recherche.

Gosselin ajoute, "Cette ligne de recherche est essentielle. Les promoteurs immobiliers sont prompts à remplir et à draguer les zones humides sans trop réfléchir au rôle que jouent ces environnements humides." Cette étude "démontre comment la végétation submergée a un effet quantifiable avec précision sur l'amortissement des vagues entrantes. Cela signifie que nous pouvons maintenant évaluer exactement dans quelle mesure une prairie protège la côte de l'érosion. … Cette information permettrait de meilleures décisions à nos législateurs."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.