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

De oceaan is zelden stil, zelfs wanneer het oppervlak er kalm uitziet. Terwijl de meeste mensen golven beschouwen als de ritmische, door de wind aangedreven rollende bewegingen die op een strand neerslaan, bevat de zee ook een verborgen, tragere beweging die zich onder het oppervlak verplaatst. Wetenschappers noemen deze lange, rollende deining "infragravitatiegolven". In tegenstelling tot de bekende windgolven die elke paar seconden breken, kunnen deze tragere golven er wel enkele minuten tot een half uur over doen om een bepaald punt te passeren. Ze zijn vaak onzichtbaar voor het blote oog omdat ze niet lijken op brekend water; in plaats daarvan gedragen ze zich als een langzaam, stijgend en dalend vloer die het hele oceanoppervlak optilt. Wanneer een enorme storm een krachtige deining richting de kust stuurt, kunnen deze trage golven gevangen raken in baaien en havens, waarbij ze energie opbouwen zoals water in een badkuip die wordt geschud. Deze energie kan het waterniveau plotseling veel hoger doen stijgen dan verwacht, waardoor de snellere, brekende windgolven op deze verhoogde vloer kunnen rijden en ver land binnenkomen, wat leidt tot overstromingen en erosie die standaardvoorspellingen mogelijk missen.

Eind december 2023 stuurde een krachtige storm in de Noordelijke Stille Oceaan een enorme deining richting Zuid-Californië, wat een perfecte testcase vormde voor het begrijpen van hoe deze verborgen golven zich gedragen. Een team van onderzoekers, waaronder wetenschappers van het U.S. Army Corps of Engineers en de University of Southern California, trok uit om te onderzoeken waarom deze specifieke storm voor dergelijke dramatische en onverwachte schade zorgde langs het kanaal van Santa Barbara. Ze wilden weten of de langzame golven met een lange periode verantwoordelijk waren voor het veranderen van een grote storm in een lokale ramp. Door gegevens van offshore boeien, getijdenmeters, videobeelden en gedetailleerde computersimulaties te combineren, plaatsten de onderzoekers een verhaal in elkaar over hoe energie uit de diepe oceaan de haven binnenstroomde, werd versterkt door de vorm van de kustlijn, en resulteerde in een plotselinge, rogue wave die een straat overstroomde en het strand vormgaf.

De storm, die toesloeg van 28 tot 31 december 2023, maakte deel uit van een groter weerpatroon dat geassocieerd werd met El Niño-omstandigheden. Hoewel de golven groot waren, waren ze niet de grootste ooit geregistreerd in de open oceaan voor de kust van Californië. Echter, zodra de deining de complexe geografie van het kanaal van Santa Barbara bereikte, veranderde de situatie. Het kanaal is een lange, gebogen bekken dat wordt afgeschermd door eilanden en landpunten, wat ervoor zorgt dat golven buigen, reflecteren en focussen in specifieke gebieden. De onderzoekers ontdekten dat hoewel de golven in de open oceaan aanzienlijk waren, het echte gevaar voortkwam uit wat er daarna gebeurde. Terwijl de stormgolven het kanaal binnengingen, genereerden ze een sterke puls van infragravitatie-energie. Deze energie kwam niet aan als een enkele golf, maar als een aanhoudende, ritmische oscillatie van het waterniveau die urenlang aanhield.

Het meest opvallende bewijs van dit fenomeen vond plaats in de stad Ventura op de ochtend van 28 december. Rond 10:50 uur, precies toen het tij hoog was, stortte een enorme "sneaker wave" plotseling over het strand en een lage betonnen zeemuur. Dit was geen typische brekende golf; het was een plotselinge, krachtige waterstroom die een nabijgelegen parkeerplaats en straat overstroomde, waarbij een diepte van ongeveer één meter boven het wegdek werd bereikt. Getuigenvideo's en inspecties na de storm toonden aan dat het water tot een hoogte van 5,5 meter boven het normale waterniveau opspatte. De onderzoekers merkten op dat dit evenement zeer lokaal was; terwijl de hele kust werd geteisterd, werd deze specifieke plek getroffen met een kracht die disproportioneel leek aan de golfhoogte offshore. De timing van dit evenement viel samen met een periode van intense, laagfrequente energie in de haven, wat suggereert dat de trage golven genoeg momentum hadden opgebouwd om het waterniveau op te tillen, waardoor de stormgolven met een verwoestend effect over de zeemuur konden rijden.

Om te begrijpen hoe dit gebeurde, bekeken de onderzoekers gegevens van getijdenmeters in zowel de havens van Santa Barbara als Ventura. Ze gebruikten een methode die de beweging van het water opdeelt in verschillende snelheden, wat onthulde dat de havens trilden op specifieke, natuurlijke ritmes. Het is vergelijkbaar met hoe een specifieke toon een glas kan laten breken, maar in dit geval resoneerde de oceaan met de trage, lange golven. De analyse toonde aan dat de havens golven met perioden tussen de 16 en 21 minuten versterkten. Wanneer de energie van de storm overeenkwam met deze natuurlijke ritmes, begon het waterniveau in de haven met toenemende intensiteit te oscilleren. In Ventura creëerde deze amplificatie een "hotspot" waar het water constant hoger en hoger werd geduwd, wat de weg vrijmaakte voor de sneaker wave.

De fysieke schade op de grond bevestigde de kracht van deze interacties. Na de storm onderzochten de onderzoekers de kustlijn en vonden zij dat het strand in sommige gebieden ongeveer 25 meter was teruggetrokken, met een steile, twee meter hoge zandklif in de duinen. Deze erosie werd niet alleen veroorzaakt door de brekende windgolven; het werd gedreven door de aanhoudende hoge waterstanden veroorzaakt door de infragravitatiegolven, die het water voor langere tijd tegen de duinen hielden en zand wegspoelden dat anders veilig zou zijn geweest. De schade strekte zich ook uit tot de havenstructuren. De offshore breakwater, een muur van grote rotsen ontworpen om de haven te beschermen, liep aanzienlijke schade op. Grote stenen werden verplaatst en de helling van de structuur werd gevaarlijk steil. De onderzoekers observeerden dat hoewel de infragravitatiegolven zelf de rotsen niet verbrijzelden, ze het waterniveau genoeg verhoogden om de kleinere, snellere stormgolven delen van de muur te laten raken die normaal gesproken veilig zijn, waardoor ze in de loop van de tijd werden afgesleten.

Met behulp van een geavanceerd computermodel simuleerden de onderzoekers de storm om te zien hoe de golven interageren met de vorm van de haven. Ze testten golven met verschillende lengtes om te zien welke de meeste problemen zouden veroorzaken. Het model bevestigde dat het kanaal van Santa Barbara specifieke resonantiemodi, of natuurlijke frequenties, heeft die lange golven kunnen vangen en versterken. Wanneer ze de werkelijke omstandigheden van 28 december simuleerden, toonde het model aan dat golven met een periode van ongeveer 120 seconden de energie rechtstreeks op de locatie van de sneaker wave concentreerden. Deze simulatie suggereerde dat de sneaker wave het resultaat was van een "perfecte storm" van omstandigheden: een hoog water, een sterke stormdeining en een specifiek, versterkt langgolvenritme dat de energie op dat specifieke deel van de kust focuste.

De studie benadrukte ook dat niet alle delen van de kust op dezelfde manier reageren. Terwijl het kanaal van Santa Barbara recordbrekende omstandigheden ervoer, bleven nabijgelegen gebieden zoals de Santa Monica Bay grotendeels gespaard van de ergste effecten, omdat de vorm van de kustlijn en de richting van de golven hen afschermden. Deze bevinding is cruciaal voor de kustveiligheid. Het suggereert dat extreme golfgebeurtenissen niet uniform zijn; een storm die gevaarlijk is in de ene haven, kan onschadelijk zijn in een andere haven slechts enkele kilometers verderop. De onderzoekers benadrukten dat het vertrouwen op enkel de hoogte van de golven in de open oceaan niet voldoende is om kustgevaren te voorspellen. De trage, lange-periode golven kunnen een beheersbare storm transformeren in een lokale ramp door het waterniveau te verhogen en golven verder land in te laten rijden dan men zou verwachten.

Uiteindelijk biedt dit onderzoek een duidelijker beeld van hoe kustgemeenschappen kwetsbaar kunnen zijn voor krachten die ze niet altijd kunnen zien. De infragravitatiegolven fungeerden als een verborgen versterker, die een grote deining transformeerde in een lokale overstromings- en erosiegebeurtenis. Door de specifieke ritmes te identificeren die ervoor zorgen dat havens resoneren, kunnen wetenschappers beter voorspellen wanneer en waar deze gevaarlijke omstandigheden zich kunnen voordoen. Het werk beweert niet het probleem van kusterosie te hebben opgelost, maar biedt een essentieel onderdeel van de puzzel: het begrijpen dat de trage, diepe ritmes van de oceaan net zo destructief kunnen zijn als de zichtbare, brekende golven. Voor de inwoners van Ventura en andere kuststeden betekent dit dat toekomstige veiligheidsplannen rekening moeten houden met deze langere-periode golven, om ervoor te zorgen dat zeemuren en stranden worden ontworpen om niet alleen de hoogte van de storm te weerstaan, maar ook de verborgen, stijgende vloer van de oceaan daaronder.