Dlaczego wraki statków są ważne?

Wraki nie tylko stwarzają unikalne możliwości badania względnie nienaruszonychdepozytów archeologicznych, ale mogą również generować niekontrolowane zanieczyszczenia środowiska. Wraki są ważnym elementem podwodnego dziedzictwa kulturowego i niektóre z nich stanowią miejsca pamięci jako mogiły wojenne. Ponadto, są one często związane z podwyższoną różnorodnością biologiczną, przyciagając nurków rekreacyjnych, a także rybaków.  Według UNESCO na świecie są około trzy miliony wraki statków, które często występują w gęstych skupiskach w półzamkniętych, stosunkowo płytkich i ruchliwych morzach. Dla przykładu, według Komisji Helsińskiej w samym Bałtyku znajduje się około 10000 wraków, natomiast Jednostka Archeologiczna w Dublinie szacuje około 18000 stanowisk w wodach wokół Irlandii (Rysunek 1). Skala występowania stanowisk wrakowych i związanie z nią zawiłości powodują, że stają się one problemem i wyzwaniem dla morskiego planowania przestrzennego (Firth, 2018). Dodatkowym utrudnieniem jest fakt, że większość znanych stanowisk jest przebadana w bardzo niewielkim stopniu, podczas gdy co roku odkrywane są nowe.

Podobnie jak w przypadku stanowisk archeologicznych na lądzie, wraki statków ulegają powolnej degradacji w morzu. Dynamiczne zmiany dna powodowane przez prądy, fale i sztormy na stanowiskach wrakowych mogą powodować znaczne uszkodzenia ich delikatnych struktur, już osłabionych przez wieloletnie korozyjne działanie wody morskiej. Aby zrozumieć, które wraki są podatne na przyspieszoną degradację i umożliwić skuteczne planowanie jakichkolwiek działań na wybranych stanowiskach podwodnych, konieczne jest zrozumienie wpływu lokalnych czynników środowiskowych. Ponadto, wpływy antropogeniczne, takie jak intensywne połowy ryb przy użyciu trałów dennych czy nielegalne rabowanie artefaktów, mogą również naruszać podwodne stanowiska. Wymienione czynniki środowiskowe i antropogeniczne można badać poprzez ocenę tzw. post-depozycyjnych procesów formowania się stanowisk na dnie (z ang. site formation processes).

Multidyscplinarna charakteryzacja stanowisk wrakowych w Morzu Irlandzkim – projekt doktorski

Praca doktorska Jana Majchera zakończona w kwietniu 2022 roku miała na celu poszerzenie wiedzy na temat wpływu powiązanych ze sobą procesów hydrodynamiczych i zmian dna poprzez erozję i akumulację osadów na wybrane wraki w Morzu Irlandzkim. W badaniu wykorzystano dane z echosondy wielowiązkowej o bardzo wysokiej rozdzielczości, które zebrane zostały na dwunastu stanowiskach na dnie Morza Irlandzkiego. Niektóre ze stanowisk odwiedzane były kilkukrotnie między 2015 i 2019 rokiem, umożliwiając rejestrację niedawnych, wciąż przebiegających zmian dna. Dodatkowe dane geologiczne i hydrodynamiczne zostały pozyskane poprzez pobór osadów przy pomocy czerpaczy dna, płytkiej sejsmiki oraz modelu oceanograficznego dostępnego dla regionu. Po stworzeniu modeli 3D stanowisk i integracji danych oceanograficznych, przeprowadzono symulacje komputerowe wykorzystując metody obliczeniowej mechaniki płynów w celu zrozumienia zarejestrowanych wcześniej zmian oraz prognozy ich dalszej degradacji. Ta multidyscyplinarna kombinacja metod badań wraków przy użyciu różnych danych geofizycznych i oceanograficznych została opisana w trzech opublikownych artykułach naukowych, realizujących założenia i sprawdzających hipotezy postawione w pracy doktorskiej.

Szczegółowa charakteryzacja dna wokół wraków

Pierwsze badanie miało na celu szczegółową charakteryzację stanowisk i dokładne, obiektywne zmapowanie form geomorfologicznych wokół nich (Majcher i in., 2020). Oprócz często wystepujących form geomorfologicznych, takich jak podmorskie, przemieszczające się po dnie wydmy i ripplemarki o różnych rozmiarach, wraki statków często wiążą się z powstawaniem dołów erozyjnych na dnie morskim. Wraki są dużymi obiektami, które lokalnie modyfikują przepływ wody. Powoduje to zmianę rozkładu sił na dnie morskim i jego erozję (tzw. wymywanie lub z ang. scour), prowadząc do powstawania zagłębień i grzbietów o głębokości/wysokości do kilkunastu metrów i długości sięgającej setek metrów, jak pokazano na rysunku 2. Takie zmiany dna, dobrze znane inżynierom z branży budownictwa wodnego, mogą znacząco wpływać na stabilność struktur wraków (Quinn, 2006), dlatego opracowano metodologię skutecznego ich mapowania.

Monitorowanie zmian na stanowiskach wrakowych

Skale czasowe i przestrzenne, w jakich zachodzą zmiany na wrakach, pozostają w dużej mierze niezbadane. Aby wypełnić tę lukę w wiedzy, w ramach drugiej części projektu przeanalizowano dane zebrane wielokrotnie na sześciu wybranych wrakach między 2015 a 2019 rokiem, a także pozyskano dodatkowe archiwalne dane zebrane przez Instytut Morski w Irlandii w 2010. Umożliwiło to zarejestrowanie tygodniowych, rocznych i wieloletnich (do dziesięciu lat) zmian na dnie morskim wokół stanowisk (Majcher i in., 2021). Badania znacząco rozszerzyły case studies dotyczące zmian dna z biegiem lat wokół wraków, co daje także analogie do badań dynamiki dna wokół jakichkolwiek metalowych struktur zbudowanych lub zdeponowanych na dnie przez człowieka. Tego typu badania są zatem ważne nie tylko dla archeologii podwodnej i nauk o środowisku, ale również inżynierii i budownictwa wodnego.

Wyniki drugiej części projektu pokazały dużą zmienność między poszczególnymi stanowiskami, nawet pomimo tego, że wszystkie położone są w tym samym półzamkniętym obszarze szelfowym gdzie hydrodynamika przy dnie jest kontrolowana głównie przez pływy morskie. Przykład modelu 3D przedstawiającego zmiany wokół jednego ze stanowisk jest pokazany na rysunku 3, gdzie w bezpośrednim sąsiedztwie wraku między rokiem 2015 a 2019 wystąpiły ekstremalne zmiany topograficzne (lokalne obniżenia dna o blisko 5 m). Lokalne uwarunkowania geologiczne i oceanograficzne, takie jak kompozycja powierzchni dna i siła prądów morskich, okazały się istotnymi czynnikami wpływającymi na ewolucję indywidualnych stanowisk. Na jednym z badanych stanowisk zaobserwowano również rowy lub tzw. blizny w dnie powstałe wskutek trałowania dennego, które bezpośrednio przecinają wrak. Dowodzi to wpływu człowieka na obecny stan niektórych wraków w obszarze badań. Tego typu niekontrolowane naruszenie stanowiska może doprowadzić na przykład do wycieku paliwa z wraku lub przemieszczenia obiektów takich jak niewybuchy, często obecnych na wrakach okrętów wojennych.

Dlaczego dno wokół wraków się zmienia? Analiza przy użyciu obliczeniowej mechaniki płynów

Na ostatnim etapie badań przeprowadzono symulacje numeryczne przy użyciu obliczeniowej mechaniki płynów. W tym celu, najpierw wykorzystano zebrane dane z echosondy wielowiązkowej, by  stworzyć modele 3D wraków. Następnie, modele 3D zostały wykorzystane w symulacjach obliczeniowej mechaniki płynów, modelując przepływy prądów pływowych na stanowiskach, na których zarejestrowane wcześniej zmiany dna znacznie się między sobą różniły (Majcher i in., 2022). Zaobserwowano generację wirów wokół oraz za wrakami (Rysunek 4), a wymodelownie sił wywieranych na dno przez przepływ wody pomogło wyjaśnić zmiany (a także ich brak w niektórych miejscach) zarejestrowane na poprzednim etapie badań (Rysunek 3). Ponadto, dogłębna analiza modeli 3D stworzonych dla symulacji pozwoliła wykryć nowe uszkodzenia w strukturach wraków, które korelują z obszarami podwyższonego naprężenia ścinającego i ciśnienia w symulacjach obliczeniowej mechaniki płynów.

Nowa wiedza pozyskana w projecie doktoranckim ma potencjał, by przyczynić się do podejmowania decyzji w zakresie zarządzania dziedzictwem podwodnym i morskiego planowania przestrzennego. Ponieważ projekt skupił się na dużych, metalowych strukturach stworzonych przez człowieka i przebywających na dnie morskim przez długi okres, dostarcza również analogii dla inżynierii offshore.

Podziękowania

Badanie zostało przeprowadzone dzięki współpracy multidyscyplinarnych zespołów badaczy z różnorodnymi ekspertyzami, w tym promotorów: Rory Quinn (Ulster University), Ruth Plets (Flanders Marine Institute) i Chris McGonigle (Ulster University) oraz doradców technicznych i partnerów projektu; Fabio Sacchetti (Marine Institute of Ireland), Thomas Smyth (University of Huddersfield), Mark Coughlan (Irish Centre for Research in Applied Geosciences) i Kieran Westley (Ulster University).

Projekt został realizowany w ramach grantów: Integrated Mapping for the Sustainable Development of Ireland’s Marine Resource (INFOMAR) project’s ship-time application grants: APP-CV15021, CV16031 titled “World War I shipwrecks in the Irish Sea: commemoration, visualization and heritage management”, APP-CV19027 o tytule “Geohazard Investigation in the Irish Sea using Seismic and Seabed Mapping Techniques” oraz stypendium Ulster University’s Vice-Chancellor’s Research Studentship.

Powyższe zagadnienia dostarczają wiedzy kluczowej dla planowania działań na terenach podwodnych, co stawia Polskę wobec podobnych wyzwań związanych z ochroną dziedzictwa podwodnego i środowiska morskiego.

Projekt był realizowany pod patronatem: School of Geography and Environmental Sciences, Ulster University

Bibliografia:

Firth, A. (2018). Managing Shipwrecks. Fjord Limited for Honor Frost Foundation.

Majcher, J., Plets, R., & Quinn, R. (2020). Residual relief modelling: digital elevation enhancement for shipwreck site characterisation. Archaeological and Anthropological Sciences, 12(6). https://doi.org/10.1007/s12520-020-01082-6

Majcher, J., Quinn, R., Plets, R., Coughlan, M., McGonigle, C., Sacchetti, F., & Westley, K. (2021). Spatial and temporal variability in geomorphic change at tidally influenced shipwreck sites: The use of time-lapse multibeam data for the assessment of site formation processes. Geoarchaeology, 36, 429–454.

Majcher, J., Quinn, R., Smyth, T., Plets, R., Mcgonigle, C., Westley, K., Sacchetti, F., & Coughlan, M. (2022). Using difference modelling and computational fluid dynamics to investigate the evolution of complex , tidally influenced shipwreck sites. Ocean Engineering, 246, 110625.

Quinn, R. (2006). The role of scour in shipwreck site formation processes and the preservation of wreck-associated scour signatures in the sedimentary record – evidence from seabed and sub-surface data. Journal of Archaeological Science, 33(10), 1419–1432. https://doi.org/10.1016/j.jas.2006.01.011