Stan i współczesne zmiany systemów lodowcowych południowego Spitsbergenu. W świetle badań metodami radarowymi

Książka podejmuje problem zmian zachodzących w obszarach zlodowaconych południowego Spitsbergenu w kontekście współczesnej ewolucji środowiska przyrodniczego. Celem przedstawionych studiów jest określenie, w jaki sposób systemy lodowcowe reagują na zmieniające się warunki środowiskowe, a zwłaszcza na ocieplenie klimatu. Poprzez przedstawienie stanu poszczególnych elementów środowiska glacjalnego, a także mechanizmów regulujących ich funkcjonowanie przedstawiona jest sieć wzajemnych interakcji zachodzących w systemach lodowcowych. W poszczególnych rozdziałach książki omawiane są kwestie uwarunkowań topograficznych i topoklimatycznych akumulacji śniegu na lodowcach, roli firnu i zasilania wewnętrznego w kształtowaniu bilansu masy lodowców, ewolucji stanu termicznego lodowców, czy wreszcie zmiany w sieci drenażu podlodowcowego po Małej Epoce Lodowej. Praca wykorzystuje w analizie zestaw badań terenowych z lat 2007 – 2014 wykonywanych na południowym Spitsbergenie pomiędzy fiordami van Keulenfjorden na północy i Hornsund na południu. Główną metodą badawczą szeroko omówioną w książce jest naziemne sondowanie radarowe. Wyniki z kilkuset kilometrów profili georadarowych zostały poddane analizie celem przestudiowania procesów zachodzących pod powierzchnią pokryw lodowych, nieuchwytnych innymi metodami badawczymi. Książka kierowana jest zarówno do osób studiujących procesy glacjalne i reakcję kompleksów lodowcowych Arktyki na zmiany środowiskowe, specjalistów wykorzystujących metody geofizyczne, a zwłaszcza georadarowe, w obszarach zlodowaconych, a także do pasjonatów obszarów polarnych.

Spis treści Podziękowania / 9 Zestawienie symboli / 13 Wstęp. Koncepcja dynamicznego systemu glacjalnego i jego funkcjonowanie w warunkach zmian klimatu / 19 1. Sondowania radarowe w studiach systemu glacjalnego / 29 1.1. Geofizyczne podstawy technik radarowych / 30 1.1.1. Równania Maxwella i parametry definiujące właściwości elektryczne ośrodka / 32 1.1.2. Prędkość propagacji fal elektromagnetycznych (v) / 34 1.1.3. Straty energii w różnych utworach geologicznych / 34 1.2. Właściwości ośrodków występujących w systemie glacjalnym wpływające na propagację fal radarowych / 38 1.3. Techniki radarowych sondowań systemów lodowcowych / 44 1.3.1. Typy radarów stosowane w badaniach lodowców / 45 1.3.2. Schemat budowy zestawu radarowego / 46 1.4. Metodyka wykonywania naziemnych sondowań radarowych / 50 1.4.1. Sondowania refleksyjne / 51 1.4.2. Sondowanie w celu określenia prędkości propagacji fal radarowych (sondowanie prędkościowe) / 70 1.5. Przetwarzanie i interpretacja danych radarowych / 74 1.5.1. Przetwarzanie wstępne / 76 1.5.2. Przetwarzanie zasadnicze / 79 1.5.3. Interpretacja danych radarowych / 93 1.6. Przegląd zastosowań metod radarowych w badaniach systemu glacjalnego / 99 1.6.1. Początki badań radarowych. Sondowania miąższości i szacowania objętości lodowców / 99 1.6.2. Badania struktury wewnętrznej lodowców na podstawie sondowań radarowych / 101 1.6.3. Badania stanu hydrotermalnego lodowców na podstawie sondowań radarowych / 104 1.6.4. Inne zastosowania metody radarowej / 106 2. Czynniki warunkujące przestrzenne zróżnicowanie depozycji śniegu na obszarach zlodowaconych (na przykładzie Lodowca Hansa) / 107 2.1. Znaczenie pokrywy śnieżnej w świetle obserwowanych zmian środowiskowych / 107 2.2. Warunki meteorologiczne determinujące akumulację śniegu w obszarze badań / 109 2.3. Metodyka badań zmienności przestrzennej pokrywy śnieżnej oraz dane wejściowe / 113 2.3.1. Wskaźniki topograficzne / 114 2.3.2. Numeryczny model terenu / 116 2.3.3. Waga kierunkowa wskaźników topograficznych / 117 2.3.4. Dane anemologiczne i ekstrapolacja przestrzenna kierunku wiatru / 119 2.3.5. Dane miąższości pokrywy śnieżnej / 121 2.3.6. Znormalizowane wartości miąższości śniegu / 127 2.4. Dystrybucja śniegu na Lodowcu Hansa na podstawie sondowań radarowych / 128 2.5. Przestrzenna klasyfikacja predyspozycji akumulacji śniegu na podstawie wskaźników topograficznych / 131 2.6. Analiza przestrzennej zmienności miąższości śniegu w sezonach 2011—2014 a modele warunków akumulacji / 138 2.7. Porównanie warunków depozycji na podstawie wskaźników topograficznych / 144 2.8. Analiza przydatności wskaźników topograficznych dla prognozowania / rekonstrukcji warunków akumulacji śniegu / 148 2.9. Prawidłowości dystrybucji śniegu na Lodowcu Hansa / 150 2.10. Czasoprzestrzenna zmienność akumulacji śniegu w relacji do warunków meteorologicznych / 152 2.11. Stabilność oraz zmienność stanu pokrywy śnieżnej / 152 2.12. Dysproporcje w przestrzennej dystrybucji śniegu a zmiany geometrii powierzchni lodowca / 154 2.13. Prawidłowości depozycji śniegu na Lodowcu Hansa — podsumowanie / 156 3. Firn i jego rola we współczesnym systemie glacjalnym na przykładzie Lodowca Hansa / 159 3.1. Definicja firnu i procesy kształtujące jego właściwości / 159 3.2. Rola firnu w funkcjonowaniu systemu glacjalnego / 160 3.2.1. Retencja wody / 160 3.2.2. Wtórne zamarzanie wody / 162 3.3. Aktualne problemy badań firnu / 163 3.4. Metody badań firnu na Lodowcu Hansa / 166 3.4.1. Płytkie wiercenia lodowe w strefie akumulacji lodowca / 166 3.4.2. Naziemne sondowania radarowe (GPR) / 167 3.4.3. Identyfikacja stref glacjalnych na obrazie radarowym SAR oraz walidacja na podstawie sondowania GPR / 170 3.4.4. Pomiary i modelowanie temperatury wierzchniej warstwy lodowca / 178 3.4.5. Kalkulacja zasilania wewnętrznego lodowca / 183 3.5. Zasięg firnu w przestrzennej dystrybucji stref glacjalnych na Lodowcu Hansa / 188 3.5.1. Wydzielenie stref glacjalnych na podstawie obrazów SAR / 188 3.5.2. Określenie facji lodowcowych na podstawie analizy i interpretacji naziemnych sondowań radarowych / 191 3.5.3. Porównanie wyników SAR i GPR / 196 3.6. Struktura i właściwości firnu na podstawie analizy rdzenia z odwiertu / 198 3.7. Miąższość firnu aktywnego / 199 3.8. Temperatura firnu / 201 3.9. Wtórne zasilanie lodowca / 202 3.10. Właściwości firnu na Lodowcu Hansa — podsumowanie / 211 4. Ewolucja hydrotermalna lodowców południowego Spitsbergenu / 213 4.1. Cechy struktury termalnej lodowców Spitsbergenu / 214 4.2. Potencjalne kierunki zmian struktury hydrotermalnej w warunkach ocieplenia klimatu / 216 4.3. Metody i obszar badań struktury hydrotermalnej lodowców / 218 4.4. Struktura hydrotermalna lodowców południowego Spitsbergenu w świetle sondowań radarowych / 223 4.5. Lodowce na różnych etapach ewolucji hydrotermalnej / 228 4.6. Symulacja adaptacji struktury hydrotermalnej do współczesnych warunków klimatycznych na przykładzie Lodowca Hansa / 234 4.7. Projekcja zmian struktury hydrotermalnej lodowca wskutek ocieplenia / 238 4.8. Wrażliwość symulacji ewolucji struktury hydrotermalnej na zmianę parametrów / 240 4.9. Uwarunkowania i skutki środowiskowe zmian struktury hydrotermalnej lodowców / 243 4.10. Stan i ewolucja reżimu termalnego — podsumowanie / 248 5. Wpływ zmian geometrii lodowców południowego Spitsbergenu na system drenażu subglacjalnego / 251 5.1. Drenaż podlodowcowy — zagadnienia badawcze / 251 5.2. Zmiany geometrii lodowców na południowym Spitsbergenie od małej epoki lodowej (MEL) oraz charakterystyka obiektów badawczych / 254 5.3. Metody aproksymacji dróg spływu podlodowcowego / 258 5.4. Wrażliwość modeli drenażu podlodowcowego oraz potencjalne skutki zmian geometrii i współczynnika ciśnienia subglacjalnego / 261 5.5. Wyniki modelowania sieci drenażu podlodowcowego / 263 5.6. Miejsca wypływów wód subglacjalnych — porównanie obserwacji i modeli / 266 5.7. Pozostałe przesłanki świadczące o funkcjonowaniu systemu drenażu subglacjalnego / 275 5.8. Krążenie wód subglacjalnych w przegłębionych fragmentach dolin lodowcowych / 279 5.9. Uzyskane wyniki a rezultaty wcześniejszych badań drenażu subglacjalnego / 281 5.10. Wpływ zmian geometrii lodowców na sieć spływu podlodowcowego / 282 5.11. Funkcjonowanie drenażu subglacjalnego w warunkach recesji lodowców — podsumowanie / 286 6. Reakcja lodowców południowego Spitsbergenu na zmieniające się warunki środowiskowe, kierunki ewolucji systemu glacjalnego — wnioski / 289 Bibliografia / 303 Summary / 326 Zusammenfassung / 327