Nusa Penida est devenue une zone marine protégée en 2010, lorsqu'un consortium de groupes de conservation a établi un sanctuaire de 20 229 hectares entourant le littoral calcaire de l'île.
Les eaux entourant ce plateau volcanique fracturé abritent 296 espèces de coraux recensées et servent de corridor migratoire pour les raies manta océaniques voyageant entre l'océan Indien et le détroit de Lombok. La position de l'île au confluent des courants chauds de la mer de Flores et des remontées froides de l'Indonesian Throughflow crée des conditions riches en nutriments qui attirent les espèces pélagiques toute l'année. Avant 2010, la pêche à la dynamite et la collecte au cyanure avaient dégradé 60 % des récifs peu profonds ; les efforts de restauration ont depuis ramené la couverture corallienne dure aux niveaux d'avant 1990 sur les sites surveillés.
Manta Point, une station de nettoyage située à la pointe sud de l'île, enregistre une moyenne de 14 observations de raies manta par jour pendant la haute saison d'avril à novembre. Le site se situe entre 12 et 18 mètres de profondeur, où les labres nettoyeurs se rassemblent sur les patates de corail pour s'occuper des raies en visite. Crystal Bay, sur la côte nord-ouest, présente une paroi en pente qui descend de trois mètres jusqu'au-delà des limites de plongée de loisir, ses terrasses supérieures étant peuplées de coraux tabulaires et d'agrégations de poissons-perroquets. Gamat Bay et Wall Bay, accessibles uniquement par bateau, offrent du snorkeling en dérive le long de parois calcaires verticales colonisées par des coraux mous et des gorgones. La plupart des itinéraires d'excursion de snorkeling à Nusa Penida depuis Bali consacrent trois à quatre heures dans l'eau sur ces sites, les opérateurs programmant les départs pour coïncider avec les périodes de marée étale.
Les falaises terrestres de l'île, composées de calcaire pliocène soulevé, s'élèvent à 200 mètres au-dessus du niveau de la mer et créent des brise-vents naturels qui calment les eaux proches du rivage pendant les mois de mousson du sud-est. Les visites terrestres incluent généralement le point de vue de Kelingking Beach, où un promontoire en forme de T-rex s'avance dans le détroit, et Angel's Billabong, une piscine naturelle à débordement creusée dans le calcaire récifal. Les frais d'entrée de 25 000 IDR, collectés au port de Buyuk ou de Sampalan, financent les stations de surveillance des récifs gérées par l'organisme de gestion de l'aire marine protégée de Nusa Penida. Les traversées en bateau depuis Sanur, Padang Bai ou Kusamba durent de 30 à 50 minutes selon le type de navire et l'état de la mer, les départs matinaux bénéficiant des conditions les plus calmes avant que les vents thermiques de l'après-midi ne se lèvent.
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