Tides and their seminal impact on the geology, geography, history, and socio-economics of the Bay of Fundy, eastern Canada

Abstract

Tides are an ever-present reality in many coastal regions of the world, and their causes and influence have long been matters of intrigue. In few places do tides play a greater role in the economics and character of a region and its people than around the shores of the Bay of Fundy in eastern Canada. Indeed, the Bay of Fundy presents a wonderful natural laboratory for the study of tides and their effects. However, to understand these phenomena more fully, some large perspectives are called for on the general physics of the tides and their operation on an oceanic scale. The geologic history of the region too provides key insights into how and why the most dramatic tides in the world have come to be in the Bay of Fundy. Tidal characteristics along the eastern Canadian seaboard result from a combination of diurnal (daily) and semidiurnal (twice daily) tides, the latter mostly dominant. Tidal ranges in the upper Bay of Fundy commonly exceed 15 m, in large part a consequence of tectonic forces that initiated the Bay during the Triassic. The existence and position of the Bay is principally determined by a half-graben, the Fundy Basin, which was established at the onset of the opening of the Atlantic Ocean. Due to the proportions of the Bay of Fundy, differences in tidal range through the Gulf of Maine-Bay of Fundy-Georges Bank system are governed by near resonance with the forcing North Atlantic tides. Although Fundy tide curves are sinusoidal, tide prediction calls for consideration of distinct diurnal inequalities. Overlapping of the cycles of spring and perigean tides every 206 days results in an annual progression of 1.5 months in the periods of especially high tides. Depending on the year, these strong tides can occur at all seasons. The strongest Fundy tides occur when the three elements – anomalistic, synodical, and tropical monthly cycles – peak simultaneously. The closest match occurs at intervals of 18.03 years, a cycle known as the Saros. Tidal movements at Herring Cove, in Fundy National Park, illustrate the annual expected tidal variations. Vigorous quasi-equilibrium conditions characterize interactions between land and sea in macrotidal regions like the Bay of Fundy. Ephemeral on the scale of geologic time, estuaries progressively infill with sediments as relative sea level rises, forcing fringing salt marshes to grow to successively higher levels. Although closely linked to a regime of tides with large amplitude and strong tidal currents, Fundy salt marshes rarely experience overflow. Established about 1.2 m lower than the highest astronomical tide, only very large tides are able to cover the marshes with a significant depth of water. Peak tides arrive in sets at periods of 7 months, 4.53 years, and 18.03 years. For months on end no tidal flooding of the high marshes occurs. Most salt marshes are raised to the level of the average tide of the 18-year cycle. The exact locations of coastal zone water levels such as mean high water and mean low water is a recurring problem and the subject of much litigation. Marigrams constructed for selected river estuaries illustrate how the estuarine tidal wave is reshaped over its course, to form bores, and varies in its sediment-carrying and erosional capacity as a result of changing water surface gradients. Changing seasons bring about dramatic changes in the character of the estuaries, especially so as ice conditions develop during the second half of the 206-day cycle when the difference in height between Neap tide and Spring tide is increasing, the optimal time for overflow in any season. Maximum ice hazard, including build-up of "ice walls" in Fundy estuaries, occurs one or two months before perigean and spring tides combine to form the largest tide of the cycle. Although "ice walls" and associated phenomena pose hazards for man-made constructions, important natural purposes are served which need to be considered in coastal development and management schemes. Tides play a major role in erosion and in complex interactions among Fundy physical, biological, and chemical processes. Recent observations on mud flat grain size alterations, over deepening areas of the sea bed, and changes in the benthic community indicate changing environmental conditions in the Bay, caused possibly by increased hydrodynamic energy in the system. Résumé Les marées constituent une réalité omniprésente dans de nombreuses régions côtières du monde, et leurs causes et leur influence intriguent depuis longtemps. Il existe peu d'endroits où les marées jouent un rôle plus marquant au sein de l'économie et du caractère d'une région et de ses habitats que dans le secteur du rivage de la baie de Fundy, dans l'Est du Canada. La baie de Fundy représente effectivement un merveilleux laboratoire naturel pour l'étude des marées et de leurs effets. Il faut toutefois, pour mieux comprendre ces phénomènes, des perspectives élargies des caractéristiques physiques générales des marées et de leur fonctionnement à l'échelle océanique. Le passé géologique de la région fournit lui aussi des indices précieux sur la façon dont les marées les plus spectaculaires du globe sont apparues dans la baie de Fundy et sur les raisons de leur présence. Les caractéristiques des marées le long du littoral de l'Est du Canada découlent d'une combinaison de marées diurnes (quotidiennes) et semi-diurnes (biquotidiennes), parmi laquelle ces dernières prédominent principalement. Les amplitudes des marées dans la partie supérieure de la baie de Fundy dépassent communément 15 mètres, en grande partie en raison des forces tectoniques qui ont sculpté la baie au cours du Trias. L'existence et l'emplacement de la baie sont principalement déterminés par un semi-graben, le bassin de Fundy, dont l'établissement remonte au début de l'ouverture de l'océan Atlantique. Vu les proportions de la baie de Fundy, les différences d'amplitude des marées à l'intérieur du système du golfe du Maine, de la baie de Fundy et du Banc Georges sont régies par une quasi-résonance avec les marées de contrainte de l'Atlantique Nord. Même si les courbes des marées de Fundy sont sinusoïdales, les prévisions des marées nécessitent la considération d'inégalités diurnes distinctes. Le chevauchement des cycles des marées de vives-eaux et des marées de périgée tous les 206 jours entraîne une progression annuelle de 1,5 mois des périodes de marées particulièrement élevées. Selon l'année, ces marées de grande envergure peuvent survenir toutes les saisons. Les marées les plus fortes de Fundy apparaissent lorsque les trois éléments – les cycles mensuels anomalistique, synodique et tropique – culminent simultanément. Le jumelage le plus proche survient à des intervalles de 18,3 ans en vertu d'un cycle appelé le cycle Saros. Les mouvements des marées de l'anse Herring dans le parc national Fundy illustrent les variations annuelles des marées anticipées. Les interactions entre la terre et la mer dans les régions macrotidales comme la baie de Fundy sont caractérisées par des conditions de quasi-équilibre intenses. Des estuaires, éphémères à l'échelle des temps géologiques, se remplissent progressivement de sédiments au fur et à mesure que s'élève le niveau relatif de la mer, ce qui force les marais salés en bordure à passer à des niveaux successivement supérieurs. Même si les marais salés de Fundy sont étroitement liés à un régime de marées de grande amplitude et de courants périodiques puissants, ils débordent rarement. Comme ces marais sont établis à environ 1,2 mètre de moins que les marées astronomiques les plus élevées, seules les très grandes marées peuvent les recouvrir d'une couche d'eau d'une profondeur substantielle. Les marées les plus importantes se présentent en série à des périodes de sept mois, 4,53 ans et 18,03 ans. Aucune inondation des marais élevés due aux marées ne survient pendant des mois et des mois. La majorité des marais salés s'élèvent au niveau moyen du cycle de 18 ans. Les emplacements exacts des niveaux d'eau des zones côtières, comme le niveau moyen des hautes-eaux et le niveau moyen des basses-eaux, ne cessent de poser des problèmes et font l'objet de beaucoup de litiges. Les courbes de marées établies dans le cas de certains estuaires de rivières illustrent de quelle façon les vagues des marées estuariennes se transforment le long de leur trajet pour former des mascarets et dans quelle mesure varient leur capacité de transport de sédiments et capacité d'érosion par suite des variations des pentes de la ligne d'eau. Les saisons qui se succèdent entraînent des changements spectaculaires du caractère des estuaires, en particulier lorsque des glaces apparaissent au cours de la seconde moitié du cycle de 206 jours, quand la différence de hauteur entre la marée de mortes-eaux et la marée de vives-eaux s'accroît, moment optimal de débordement au cours de n'importe quelle saison. Le danger maximal de glaces, notamment l'apparition de « murs de glace » dans les estuaires de Fundy, survient un ou deux mois avant que les marées de périgée et de vives-eaux se combinent pour former la marée la plus importante du cycle. Même si les « murs de glace » et les phénomènes connexes posent des dangers aux constructions érigées, ils servent des fins naturelles importantes qu'il faut considérer dans les programmes d'aménagement et de mise en valeur des côtes. Les marées jouent un rôle marquant dans l'érosion et dans les interactions complexes au sein des processus physiques, biologiques et chimiques de Fundy. Les observations récentes des modifications des grosseurs des grains des vasières, les secteurs d'approfondissement marqué du plancher océanique et les changements survenus dans la communauté benthique révèlent que les conditions du milieu de la baie changent, possiblement en raison de l'énergie hydrodynamique accrue à l'intérieur du système. [Traduit par la rédaction]

Flood Hazard Assessment for a Hyper-Tidal Estuary as a Function of Tide-Surge-Morphology Interaction

“…a drop in pressure greater than 5 kPa, coincides within 1 to 2 h of high water of large spring tides (Greenberg et al 2012). Significant lowpressure systems have coincided with a very high spring tide on only a few occasions; November 1759, October 1869, during the Saxby Gale and the 1976 Groundhog Day storm (Desplanque and Mossman 2004). During all events, seawalls and wharfs were breached, leading to severe flooding, damage to boats and infrastructure, and lives lost (Desplanque and Mossman 1999).…”

“…The tidal range is so large due to near resonance with incoming North Atlantic tides (Desplanque and Mossman 1999) and shallow water depths amplify the tide through the bay (Marvin and Wilson 2016). Shallow water depths and dimensions of the bay also amplify extratropical storm surges through the bay (Desplanque and Mossman 2004). Therefore, when a surge coincides with an amplified, high astronomical tide, the results may be little short of catastrophic (Desplanque and Mossman 1999).…”

“…Therefore, when a surge coincides with an amplified, high astronomical tide, the results may be little short of catastrophic (Desplanque and Mossman 1999). The concurrence of a rapid drop in pressure and a 'higher than normal' tide meant that water levels were elevated 2.5 m above predicted level on the Groundhog Day storm, 1976 (Desplanque and Mossman 2004).…”

“…Surges can also be amplified through hyper-tidal estuaries, due to reduced hydraulic drag caused by greater mean depths, as seen along the Orissa coast of India (Sinha et al 2008) and narrowing topography and orientation of the coastline, as seen in the Cape Fear River Estuary, North Carolina (Familkhalili and Talke 2016). Maximum water levels and storm surge impacts are not simply linearly related to increased tidal range (Spencer et al 2015), but the complex interactions seen in hyper-tidal estuaries between tide, surge and landscape changes increases sensitivity to timing of storm events (Desplanque and Mossman 2004), and thus exaggerate water levels. Tidal amplification and extreme surge development in hyper-tidal estuaries means concurrence of a large astronomical tide and extreme surge can be catastrophic, as seen in the Bay of Fundy, Canada (Desplanque and Mossman 1999), Meghna Estuary, Bangladesh (As-Salek and Yasuda 2001) and Severn Estuary, UK (Pye and Blott 2010).…”

Movement patterns drive within-mudflat distribution of an intertidal amphipod

“…The upper Bay of Fundy on the western North Atlantic coast has the highest tidal amplitude in the world (Desplanque & Mossman 2004) and extensive intertidal mudflats (some are >10 km wide along-shore with a 2 km long intertidal area). On these mudflats, the burrow-dwelling amphipod Corophium volutator is often the dominant macro-invertebrate, with densities reaching > 50 000 ind.…”