3个问题:利用海浪发电来重建岛屿

由于全球气候变化导致的海平面上升，包括印度洋上的马尔代夫在内的许多岛国正面临生存威胁。由建筑系设计研究副教授Skylar Tibbits领导的麻省理工学院的一组研究人员正在测试利用自然力量来帮助维护和重建受威胁的岛屿和海岸线的方法。

全球约40%的人口生活在未来几十年因海平面上升而受到威胁的沿海地区，但目前尚无行之有效的应对措施。一些人建议修建隔离墙，疏浚海岸线以重建海滩，或者建造漂浮城市以逃避不可避免的灾难，但对更好方法的探索仍在继续。

麻省理工学院的研究小组是应马尔代夫的Invena组织的邀请，该组织目睹了研究人员的自我组装和自我组织工作，并希望就解决海平面上升问题的方案进行合作。由此产生的项目现在已经显示出了有希望的初步成果，在短短四个月的时间里就沉积了一英尺半的局部沙子。《麻省理工新闻》请Tibbits描述一下这种新方法及其潜力。

问:几个世纪以来，人们一直在试图改变和控制沙子的移动。重建海滩和海岸线的这种新的和不同的方法的灵感是什么?

答:我们第一次去马尔代夫的时候，被带到当地一个刚刚形成的沙洲。令人难以置信的是，仅在几个月的时间里，就看到了沙洲的大小，大约100米长，20米宽，以及超过1米深的沙子，完全是自己建造的。我们开始了解到，这些沙洲在一年中的不同时间出现和消失，是基于海洋的力量和水下测深。当地的历史学家告诉我们，他们将如何与海洋合作，种植植物来扩大岛屿或改变其形状。这些通过沙子自我组织的自然和协作的方式来增加土地量的方法与人类从深海中挖掘沙子形成了鲜明的对比，后者也被用于岛屿开垦。我们花了几个月的时间，用同样的时间来挖掘一个岛屿，通过卫星图像，我们看到了三个不同的沙洲形成。

我们开始意识到，如果我们能够理解为什么沙洲会自然形成并利用这种自组织的自然现象，那么由疏浚引起的对海洋环境的大量精力、时间、金钱、劳动和破坏就有可能停止。我们的实验室和现场实验的目的是测试关于沙洲形成的原因的假设，并将其转化为促进其在战略位置积累的机制。

我们相信，通过与海洋的自然力量合作，我们可以促进沙结构的自组织，以种植岛屿和重建海滩。我们认为，这是解决这一问题的一种可持续的办法，最终可扩大到世界各地的许多沿海地区，就象森林管理被用来帮助加强和保护森林免受失控的火灾或过度生长。

问:你能描述一下这个系统是如何工作的吗?它是如何利用海浪的能量在需要的地方建造沙子的?

答:我们正在与我们在马尔代夫的合作伙伴一起设计、测试、建造和部署潜水设备，这些设备基于它们与海浪和洋流的简单几何关系，促进特定区域的沙子堆积。在我们的第一个野外实验中，我们用厚帆布制作了膀胱，缝在精确的坡道上。在我们的第二次现场实验中，我们从数百个实验室实验中选取了最好的设计，并用土工膜制作了它们。在这两项实验中，我们都在膀胱里填满沙子以使它们下沉，然后将它们浸入水中。在我们的下一个现场实验中，我们要制造一种膀胱，它有内部的腔室，就像潜水艇里的压舱物，让膀胱下沉或漂浮，并能快速移动或展开。每个实验都试图使制造和安装过程尽可能简单和可扩展。

我们正在测试的最简单的机制是一个斜坡状的几何体，它位于海底，垂直上升到水面。据我们所知，我们所看到的是，当水流过坡道顶部时，会在坡道另一侧产生紊流，使沙子和水混合，然后产生泥沙输送。沙子开始在坡道的背面堆积，不断地堆积在坡道的顶部。我们已经测试了许多其他的几何图形，这些图形试图最小化环绕效应，或者集中在特定区域的积累，并且我们正在继续寻找最优的几何图形。在许多方面，它们的行为类似于自然深度变化、珊瑚礁结构或火山构造，在促进沙子堆积方面可能也有类似的作用。我们的目标是创建这些几何图形的适应性版本，可以在季节变化或风暴增加时轻松移动、重新定向或部署。

自2018年以来，我们一直在麻省理工学院(MIT)的实验室与地球、大气和行星科学系(Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences)的泰勒·珀龙(Taylor Perron)合作进行实验。我们已经建立了两个波箱，在那里我们测试了各种波的条件，沙的行为，和几何形状，以促进积累。目标是使我们的实验室实验和模型与马尔代夫两个主要季节的实际情况相一致。到目前为止，我们已经做了数百个罐实验，并利用这些研究来获得直觉和深入了解是什么机制导致了最大的沙子堆积。这些最好的实验室实验然后被翻译成现场实验一年两次。

问:你是如何检测和量化你的实验的效果的?你对继续和扩大这个项目的计划是什么?

答:我们在2019年2月安装了第一个现场实验，在2019年10月/ 11月安装了第二个现场实验，从那时起我们已经收集了卫星图像、无人机镜头和物理测量数据。卫星图像和无人机镜头给我们一个沙子堆积的视觉指示;然而，从这些图像中量化沙子的数量是一个挑战。所以我们很大程度上依赖于物理深度测量。我们有一系列的坐标发送给我们在马尔代夫的合作者，他们会乘坐一艘船或摩托艇到达这些坐标并进行深度测量。然后我们将这些测量值与之前的测量值进行比较，考虑到日期/时间以及与潮汐高度的关系。

通过最新的野外试验，我们已经收集了图像和物理测量数据来分析沙子的堆积。自去年11月以来，我们看到大约半米(约20英寸)的新沙堆积，面积约为20米乘30米。在大约四个月的时间里，大约有300立方米的沙子堆积起来。我们认为这些有希望的初步成果是一项长期倡议的一部分，我们的目标是继续在马尔代夫和世界各地其他地方试验这些方法。

我们最近获得了国家地理杂志的勘探拨款，并计划在今年晚些时候和2021年再回到马尔代夫进行两次实地安装。我们的长期目标是创建一个潜水结构系统，能够适应多变的天气条件，自然生长和重建海岸线。我们的目标是扩大这一方法的规模，并使其适用于世界各地的许多地方，以帮助重建和稳定人口稠密的海岸线和脆弱的岛国。