Beach and Coastal Structure Impacts of Infragravity Waves During the Late December 2023 Swells in Southern California

L'oceano è raramente calmo, anche quando la superficie sembra immobile. Mentre la maggior parte delle persone pensa alle onde come ai rullatori ritmici guidati dal vento che si infrangono su una spiaggia, il mare contiene anche un movimento nascosto e più lento che si muove sotto la superficie. Gli scienziati chiamano queste onde lunghe e rotolanti "onde infragravitazionali". A differenza delle familiari onde del vento che si infrangono ogni pochi secondi, queste onde più lente possono impiegare da alcuni minuti a mezz'ora per passare in un singolo punto. Sono spesso invisibili a occhio nudo perché non sembrano acqua che si infrange; invece, agiscono come un pavimento che sale e scende lentamente, sollevando l'intera superficie dell'oceano. Quando una tempesta massiccia invia una potente mareggiata verso la costa, queste onde lente possono rimanere intrappolate in baie e porti, accumulando energia come l'acqua in una vasca da bagno che viene scossa. Questa energia può improvvisamente spingere il livello dell'acqua molto più in alto del previsto, permettendo alle onde del vento più veloci e fragorose di cavalcare sopra questo pavimento elevato e raggiungere l'entroterra, causando inondazioni ed erosione che le previsioni standard potrebbero non rilevare.

Nel tardo dicembre 2023, una potente tempesta nel Pacifico settentrionale ha inviato una massiccia mareggiata verso la California meridionale, creando un caso di studio perfetto per comprendere come si comportano queste onde nascoste. Un team di ricercatori, tra cui scienziati dell'U.S. Army Corps of Engineers e della University of Southern California, si è messo in campo per indagare il motivo per cui questa specifica tempesta abbia causato danni così drammatici e inaspettati lungo il canale di Santa Barbara. Volevano sapere se le onde lente e a lungo periodo fossero responsabili dell'aver trasformato una grande tempesta in un disastro localizzato. Combinando i dati provenienti da boe offshore, mareografi, riprese video e simulazioni computerizzate dettagliate, il team ha ricostruito la storia di come l'energia dell'oceano profondo sia viaggiata verso il porto, amplificata dalla forma della costa, e abbia dato origine a un'improvvisa onda anomala che ha inondato una strada e rimodellato la spiaggia.

La tempesta, che ha colpito dal 28 al 31 dicembre 2023, faceva parte di un modello meteorologico più ampio associato alle condizioni di El Niño. Sebbene le onde fossero grandi, non erano le più grandi mai registrate nell'oceano aperto al largo della costa della California. Tuttavia, una volta che la mareggiata ha raggiunto la complessa geografia del canale di Santa Barbara, la situazione è cambiata. Il canale è un bacino lungo e curvo protetto da isole e promontori, il che causa la curvatura, la riflessione e la focalizzazione delle onde in aree specifiche. I ricercatori hanno scoperto che, mentre le onde dell'oceano aperto erano significative, il vero pericolo derivava da ciò che accadeva successivamente. Mentre le onde della tempesta entravano nel canale, generavano un forte impulso di energia infragravitazionale. Questa energia non arrivava come un'unica onda, ma come un'oscillazione ritmica e sostenuta del livello dell'acqua che durava per ore.

L'evidenza più sorprendente di questo fenomeno si è verificata nella città di Ventura la mattina del 28 dicembre. Intorno alle 10:50, proprio mentre l'alta marea era al culmine, una massiccia "onda anomala" (sneaker wave) è improvvisamente scivolata oltre la spiaggia e un basso muro di contenimento in cemento. Non si trattava di un'onda tipica che si infrange; era un'improvvisa e potente corsa d'acqua che ha inondato un parcheggio e una strada vicina, raggiungendo profondità di circa un metro sopra la superficie stradale. Le riprese video degli spettatori e i rilievi post-tempesta hanno mostrato che l'acqua ha schizzato fino a un'altezza di 5,5 metri sopra il livello normale. I ricercatori hanno notato che questo evento era altamente localizzato; mentre l'intera costa era colpita, questo punto specifico è stato colpito con una forza che sembrava sproporzionata rispetto all'altezza delle onde offshore. La tempistica di questo evento coincideva con un periodo di intensa energia a bassa frequenza nel porto, suggerendo che le onde lente avessero accumulato abbastanza quantità di moto da sollevare il livello dell'acqua, permettendo alle onde della tempesta di cavalcare sopra il muro con effetti devastanti.

Per capire come ciò sia accaduto, il team ha esaminato i dati dei mareografi sia nel porto di Santa Barbara che in quello di Ventura. Hanno utilizzato un metodo che scompone il movimento dell'acqua in diverse velocità, rivelando che i porti stavano vibrando a ritmi naturali specifici. È simile a come una nota specifica può far rompere un bicchiere, ma in questo caso l'oceano stava risonando con le onde lente e lunghe. L'analisi ha mostrato che i porti stavano amplificando onde con periodi compresi tra i 16 e i 21 minuti. Quando l'energia della tempesta ha coinciso con questi ritmi naturali, il livello dell'acqua nel porto ha iniziato a oscillare con intensità crescente. A Ventura, questa amplificazione ha creato un "punto critico" dove l'acqua veniva costantemente spinta sempre più in alto, preparando il terreno per l'onda anomala.

Il danno fisico al suolo ha confermato la potenza di queste interazioni. Dopo la tempesta, i ricercatori hanno esaminato la linea costiera e hanno scoperto che la spiaggia si era ritirata di circa 25 metri in alcune zone, con una scogliera di sabbia ripida di due metri scavata nelle dune. Questa erosione non è stata causata solo dalle onde del vento che si infrangono; è stata guidata dai livelli d'acqua elevati e sostenuti causati dalle onde infragravitazionali, che hanno mantenuto l'acqua contro le dune per periodi più lunghi, portando via la sabbia che sarebbe stata altrimenti al sicuro. Il danno si è esteso anche alle strutture del porto. Il frangiflutti esterno, un muro di grandi rocce progettato per proteggere il porto, ha subito danni significanti. Grandi pietre sono state spostate e la pendenza della struttura è diventata pericolosamente ripida. I ricercatori hanno osservato che, sebbene le onde infragravitazionali stesse non abbiano frantumato le rocce, hanno alzato il livello dell'acqua abbastanza da permettere alle onde della tempesta, più piccole e veloci, di colpire parti del muro solitamente al sicuro, logorandole nel tempo.

Utilizzando un sofisticato modello computerizzato, il team ha simulato la tempesta per vedere come le onde interagivano con la forma del porto. Hanno testato onde di diverse lunghezze per vedere quali avrebbero causato maggiori problemi. Il modello ha confermato che il canale di Santa Barbara possiede specifici modi di risonanza, o frequenze naturali, che possono intrappolare e amplificare le onde lunghe. Quando hanno simulato le condizioni reali del 28 dicembre, il modello ha mostrato che onde con un periodo di circa 120 secondi stavano concentrando l'energia proprio nella posizione dell'onda anomala. Questa simulazione ha suggerito che l'onda anomala fosse il risultato di una "tempesta perfetta" di condizioni: un'alta marea, una forte mareggiata da tempesta e un ritmo specifico di onde lunghe amplificate che concentrava l'energia proprio su quel tratto di costa.

Lo studio ha anche evidenziato che non tutte le parti della costa reagiscono allo stesso modo. Mentre il canale di Santa Barbara ha vissuto condizioni record, aree vicine come la baia di Santa Monica sono state ampiamente risparmiate dal peggio perché la forma della costa e la direzione delle onde le hanno schermate. Questo risultato è fondamentale per la sicurezza costiera. Suggerisce che gli eventi estremi di moto ondoso non sono uniformi; una tempesta che è pericolosa in un porto può essere innocua in un altro a poche miglia di distanza. I ricercatori hanno sottolineato che affidarsi esclusivamente all'altezza delle onde nell'oceano aperto non è sufficiente per prevedere i pericoli costieri. Le onde lente e a lungo periodo possono trasformare una tempesta gestibile in un disastro locale sollevando il livello dell'acqua e permettendo alle onde di raggiungere l'entroterra molto più di quanto ci si aspetti.

In definitiva, questa ricerca fornisce un quadro più chiaro di come le comunità costiere possano essere vulnerabili a forze che non sempre si possono vedere. Le onde infragravitazionali hanno agito come un amplificatore nascosto, trasformando una grande mareggiata in un evento di inondazione ed erosione localizzato. Identificando i ritmi specifici che causano la risonanza dei porti, gli scienziati possono prevedere meglio quando e dove potrebbero verificarsi queste condizioni pericolose. Il lavoro non sostiene di aver risolto il problema dell'erosione costiera, ma offre un tassello vitale del puzzle: comprendere che i ritmi lenti e profondi dell'oceano possono essere altrettanto distruttivi delle visibili onde che si infrangono. Per i residenti di Ventura e di altre città costiere, questo significa che i futuri piani di sicurezza devono tenere conto di queste onde a lungo periodo, assicurando che i muri di contenimento e le spiagge siano progettati per resistere non solo all'altezza della tempesta, ma anche al pavimento invisibile e ascendente dell'oceano sottostante.