Nusa Penida è emersa come zona marina protetta nel 2010, quando un consorzio di gruppi ambientalisti ha stabilito un santuario di 20.229 ettari che circonda la costa calcarea dell'isola.
Le acque che circondano questo altopiano vulcanico fratturato sostengono 296 specie di corallo censite e fungono da corridoio migratorio per le mante oceaniche che viaggiano tra l'Oceano Indiano e lo Stretto di Lombok. La posizione dell'isola alla confluenza tra le correnti calde del Mar di Flores e le risalite fredde del Flusso Indonesiano crea condizioni ricche di nutrienti che attirano specie pelagiche tutto l'anno. Prima del 2010, la pesca con dinamite e la raccolta con cianuro avevano degradato il 60% delle barriere coralline poco profonde; gli sforzi di recupero hanno da allora riportato la copertura corallina ai livelli pre-1990 nei siti monitorati.
Manta Point, una stazione di pulizia sulla punta meridionale dell'isola, registra una media di 14 avvistamenti di mante al giorno durante l'alta stagione da aprile a novembre. Il sito si trova tra i 12 e i 18 metri di profondità, dove i labridi si riuniscono sui blocchi di corallo per ripulire le mante in visita. Crystal Bay, sulla costa nord-occidentale, presenta una parete inclinata che scende da tre metri oltre i limiti per le immersioni ricreative; le sue terrazze superiori sono popolate da coralli a tavola e aggregazioni di pesci pappagallo. Gamat Bay e Wall Bay, accessibili solo in barca, offrono snorkeling in deriva lungo pareti calcaree verticali colonizzate da coralli molli e gorgonie. La maggior parte degli itinerari del tour di snorkeling a Nusa Penida da Bali prevede dalle tre alle quattro ore in acqua in questi siti, con gli operatori che programmano le partenze in coincidenza con i momenti di bassa marea.
Le scogliere terrestri dell'isola, compostate di calcare del Pliocene sollevato, si innalzano per 200 metri sul livello del mare e creano frangivento naturali che calmano le acque vicino alla costa durante i mesi dei monsoni di sud-est. Le escursioni via terra solitamente includono il punto panoramico di Kelingking Beach, dove un promontorio a forma di T-rex si protende nello stretto, e Angel's Billabong, una piscina naturale a sfioro scavata nel calcare della barriera corallina. La tassa di ingresso all'isola di 25.000 IDR, raccolta al porto di Buyuk o Sampalan, finanzia le stazioni di monitoraggio della barriera corallina gestite dall'ente di gestione dell'Area Marina Protetta di Nusa Penida. Le traversate in barca da Sanur, Padang Bai o Kusamba durano dai 30 ai 50 minuti a seconda del tipo di imbarcazione e dello stato del mare, con le partenze mattutine che offrono le condizioni più calme prima che si sviluppino i venti termici di metà giornata.
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