Sur des millions d'années, Les volcans hawaïens ont formé une chaîne d'îles volcaniques s'étendant à travers le Pacifique Nord, où les vagues de l'océan dans toutes les directions, agités par des orages lointains ou emportés par les alizés, ont battu et façonné les côtes des îles à des degrés divers.

Maintenant, des chercheurs du MIT et d'ailleurs ont découvert que, à Hawaii, la quantité d'énergie fournie par les vagues en moyenne sur chaque année est un bon indicateur de la vitesse à laquelle une côte rocheuse s'érodera. Si les vagues sont grandes et fréquentes, le littoral s'érodera plus vite, alors que plus petit, des vagues moins fréquentes entraîneront une érosion plus lente de la côte.

Leur étude permet d'expliquer les méandres du littoral des îles hawaïennes, où les falaises maritimes orientées au nord, subir de plus grosses vagues produites par des tempêtes lointaines et des alizés persistants, se sont érodés plus à l'intérieur des terres. En revanche, les côtes orientées au sud bénéficient généralement d'eaux plus calmes, petites vagues, et donc des côtes moins érodées.

Les résultats, publié ce mois-ci dans la revue Géologie , peut également aider les scientifiques à prévoir à quelle vitesse d'autres côtes rocheuses du monde pourraient s'éroder, basé sur la puissance des vagues qu'une côte connaît généralement.

« Plus de la moitié des côtes océaniques du monde sont des falaises rocheuses, donc l'érosion des falaises marines affecte beaucoup d'habitants et d'infrastructures côtières, " dit Kim Huppert, Doctorat, auteur principal de l'étude et ancien étudiant diplômé du Département de la Terre du MIT, Sciences atmosphériques et planétaires. « Si les tempêtes augmentent avec le changement climatique, et les vagues grossissent, nous devons comprendre spécifiquement comment les vagues affectent l'érosion."

Huppert, qui est maintenant chercheur principal au Centre de recherche allemand pour les géosciences, a co-écrit l'article avec Taylor Perron, professeur de terre, atmosphérique, et des sciences planétaires et chef de département associé au MIT, et Andrew Ashton de la Woods Hole Oceanographic Institution.

Évier et sculpter

Les scientifiques ont eu une idée que le taux d'érosion côtière dépend de la puissance des vagues qui agissent sur cette côte. Mais jusqu'à maintenant, il n'y a pas eu d'étude systématique pour confirmer cette relation, principalement parce qu'il peut y avoir tellement d'autres facteurs contribuant à l'érosion côtière qui peuvent gêner.

L'équipe a découvert que les îles hawaïennes offrent un environnement idéal pour étudier cette relation :les îles sont toutes constituées du même type de substrat rocheux, ce qui signifie qu'ils n'auraient pas à tenir compte de plusieurs types de roches et de sédiments et de leurs différences d'érosion ; et les îles habitent un grand bassin océanique qui produit un large éventail de "climats" de vagues, " ou des ondes de tailles et de fréquences variables.

"En contournant le rivage de différentes îles, vous voyez des climats de vagues très différents, simplement en tournant un coin de l'île, " note Huppert. " Et le type de roche est tout de même. Donc Hawaï est un beau laboratoire naturel."

Les chercheurs ont concentré leur étude sur 11 sites côtiers autour des îles d'Hawaï, Maui, et Kaho'olawe, chacun faisant face à différentes régions du Pacifique qui produisent des vagues de tailles et de fréquences variables.

Avant de considérer la puissance des vagues à ces divers endroits, ils ont d'abord travaillé pour estimer la vitesse moyenne à laquelle les falaises de chaque emplacement côtier se sont érodées au cours du dernier million d'années. L'équipe a cherché à identifier les taux d'érosion qui ont produit les profils côtiers des îles hawaïennes aujourd'hui, vu les profils originaux des îles, qui peut être estimée à partir de la topographie de chaque île. Pour faire ça, ils devaient d'abord tenir compte des changements dans le mouvement vertical de chaque île et du changement du niveau de la mer au fil du temps.

Après la formation d'une île volcanique, il commence inévitablement à se calmer, ou couler sous son propre poids. Comme une île s'enfonce, le niveau auquel la mer interagit avec l'île change, comme si vous vous abaissiez dans une piscine :la surface de l'eau peut commencer à vos chevilles, et empiler progressivement sur vos genoux, ta taille, et éventuellement vos épaules et votre menton.

Pour une île, plus il coule lentement, plus la mer a de temps pour creuser le littoral à une altitude particulière. En revanche, si une île coule rapidement, la mer n'a qu'un temps fugace pour s'enfoncer dans la côte avant que l'île ne s'affaisse davantage, exposant un nouveau littoral à l'usure de la mer. Par conséquent, la vitesse à laquelle une île s'enfonce affecte fortement dans quelle mesure la côte s'est retirée à l'intérieur des terres à une altitude donnée, sur des millions d'années.

Pour calculer la vitesse de naufrage de l'île, l'équipe a utilisé un modèle pour estimer combien la lithosphère, la couche la plus externe de la Terre sur laquelle reposent des îles volcaniques, affaissé sous le poids de chaque volcan hawaïen formé au cours du dernier million d'années. Parce que les îles hawaïennes sont proches les unes des autres, le naufrage d'une île peut également affecter le naufrage ou la montée des îles voisines, semblable à la façon dont un enfant peut rebondir lorsqu'un autre enfant s'enfonce dans un trampoline.

L'équipe a utilisé le modèle pour simuler diverses histoires possibles de naufrage d'îles au cours du dernier million d'années, et l'érosion subséquente des falaises maritimes et des côtes. Ils ont cherché le scénario qui reliait le mieux les côtes d'origine des îles aux côtes modernes d'aujourd'hui, et fait correspondre les divers taux d'érosion résultants aux 11 emplacements sur lesquels ils se sont concentrés dans leur étude.

"Nous avons trouvé des taux d'érosion qui varient de 17 millimètres par an à 118 millimètres par an sur les différents sites, " dit Huppert. " L'extrémité supérieure de cette fourchette est de près d'un demi-pied par an, donc certains de ces taux sont assez rapides pour le rock."

Des vagues d'une taille

Ils ont choisi les 11 sites côtiers de l'étude pour leur variabilité :certaines falaises font face au nord, où ils sont battus par des vagues plus fortes produites par des tempêtes lointaines. D'autres côtes exposées au nord subissent des alizés qui viennent du nord-est et produisent des vagues plus petites mais plus fréquentes. Les localités côtières qui font face au sud sont plus petites, ondes moins fréquentes en revanche.

L'équipe a comparé les taux d'érosion sur chaque site avec la puissance des vagues typique rencontrée sur chaque site, qu'ils ont calculé à partir des mesures de la hauteur et de la fréquence des vagues dérivées des données des bouées. Ils ont ensuite comparé la puissance des vagues des 11 sites à leurs taux d'érosion à long terme.

Ce qu'ils ont trouvé était plutôt simple, relation linéaire entre la puissance des vagues et le taux d'érosion côtière. Plus les vagues qu'une côte connaît, plus vite cette côte s'érode. Spécifiquement, ils ont découvert que des vagues d'une taille qui se produisent tous les quelques jours pourraient être un meilleur indicateur de la vitesse à laquelle une côte s'érode que des vagues de tempête plus grosses mais moins fréquentes. C'est-à-dire, si les vagues sont normales, les jours sans orage sont grands, une côte s'érode probablement rapidement; si les vagues typiques sont plus petites, une côte recule plus lentement.

Les chercheurs disent que la réalisation de cette étude à Hawaï leur a permis de confirmer cette relation simple, sans confondre les facteurs naturels. Par conséquent, les scientifiques peuvent utiliser cette relation pour aider à prédire comment les côtes rocheuses dans d'autres parties du monde peuvent changer, avec des variations du niveau de la mer et de l'activité des vagues en raison du changement climatique.

« Le niveau de la mer monte le long de la plupart des côtes du monde, et les changements dans les vents et les tempêtes avec le changement climatique en cours pourraient modifier les régimes des vagues, trop, » fait remarquer Perron. « Pouvoir isoler l'influence du climat des vagues sur le taux d'érosion côtière vous rapproche un peu plus d'un endroit particulier et d'un calcul de l'évolution du taux d'érosion là-bas.

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.