Problematyka badawcza
Cel naukowy projektu:
Badania procesów niweoeolicznych i eolicznych posiadają długą historię, jednakże nie wszystkie problemy dotyczące
tej problematyki zostały dotychczas w pełni rozwiązane. Przewidziane do realizacji tego projektu zadania mają na celu
weryfikację hipotez dotyczących roli wspomnianych procesów w środowisku glacjalnym i peryglacjalnym. Szczególna uwaga
została zwrócona na akumulację materiału transportowanego przez wiatr.
Wymiernym efektem niniejszego projektu powinna być odpowiedź na pięć szczegółowych i ważnych pytań badawczych:
1. Jaka jest ogólna wielkość materiału akumulowanego przez wiatr w ciągu roku w środowisku peryglacjalnym i glacjalnym oraz
jak ta wielkość zmieniała się w ciągu ostatnich kilku dekad?
2. W jaki sposób różne czynniki klimatyczne i lokalne warunki środowiskowe wpływają na akumulację niweoeoliczną i eoliczną?
3. Jaki jest stopień degradacji lub nadbudowywania istniejących w terenie pokryw i form niweoeolicznych i eolicznych biorąc
pod uwagę specyficzną lokalizację obszaru badań?
4. Jaka jest relacja pomiędzy wielkościami akumulacji niweoeolicznej i eolicznej?
5. Jakie jest przypuszczalne pochodzenie zakumulowanego osadu oraz w jaki sposób jego poszczególne części składowe
(ziarna) są przekształcane w trakcie transportu eolicznego?
Znaczenie projektu
Prowadzone w dzisiejszych czasach badania w obszarach polarnych skupiają swoją szczególną uwagę na
charakterystyce ilościowej różnych procesów geomorfologicznych stanowiących odrębne elementy geoekosystemu polarnego.
Pomiędzy wszystkimi tymi elementami występują ścisłe zależności i współoddziaływania. Zarówno procesy niweoeolicznie jaki i
eoliczne w istotny sposób przekształcają środowisko peryglacjalne i glacjalne. Troll (1948) sugerował w swojej pracy, że procesy
eoliczne są jednymi z najbardziej istotnych czynników morfogenetycznych w strefie peryglacjalnej. Jednakże są one często
pomijane w analizach obiegu materii i energii. Na przykład Rachlewicz (2008 i 2009) zwraca uwagę, że w przypadku
konstruowania modelu systemu denudacyjnego zlewni zlodowaconej występuje wyraźny brak niezbędnych do tego celu danych.
Proponowane badania mogą w znacznym stopniu wzbogacić wiedzę na temat zmian współczesnych akumulacyjnych form
niweoeolicznych i eolicznych.
Badania procesów niweoeolicznych i eolicznych nie są prowadzone na szeroką skalę, jeśli porówna się je chociażby
z analizami dotyczącymi procesów fluwialnych, wieloletniej zmarzliny, czy ruchów masowych. Ponieważ zdecydowana
większość prac w rejonach polarnych prowadzona jest z reguły w obrębie wybrzeży morskich należy dążyć do tego, aby
weryfikacja istniejącego stanu wiedzy oparta była na nowych informacjach z miejsc charakteryzujących się innymi
warunkami środowiskowymi. Należy również dążyć do tego, aby uzyskiwać jak najdłuższe serie pomiarowe zarówno w ujęciu
sezonowym jak i wieloletnim.
Do najistotniejszych prac poruszających problematykę procesów eolicznych na Spitsbergenie należą publikacje:
Akerman (1980), Baranowski i Pekala (1982), Bryant (1982), Czeppe (1966), Gębica i Szczesny (1988), Kida (1981, 1986, 1995),
Migała i Sobik (1984), Piotrowski (1983), Pekala (1980), czy Szczypek (1982), natomiast ze szczególnym uwzględnieniem
Doliny Ebby - Paluszkiewicz (2003) oraz Górska-Zabielska (2007).
Wyniki badań prowadzonych w ramach niniejszego projektu przyczynią się z pewnością zrozumienia
funkcjonowania środowiska przyrodniczego obszarów polarnych, które w dzisiejszych czasach, ze względów ekonomicznych i
gospodarczych, stanowi istotny obiekt zainteresowania ze strony człowieka. Uzyskana wiedza może zostać również zaaplikowana
przy tworzeniu, opartych na zasadzie zrównoważonego rozwoju, planów zagospodarowania przestrzennego tych obszarów.
Brak ilościowych i szczegółowych danych pozwalających na ocenę roli akumulacji niweoeolicznej i eolicznej w
kształtowaniu strefy peryglacjalnej i glacjalnej oraz indywidualność obszaru badań (jego położenie w strefie suchej odmiany
klimaty polarnego) upoważniają do tego aby problem badawczy uznać za istotny.
Koncepcja i plan badań:
Podstawą prowadzonych prac będzie modelowanie przepływu strumieni wiatrowych w obrębie doliny przy wykorzystaniu systemu GIS oraz dostępnych materiałów kartograficznych oraz zdjęć lotniczych i satelitarnych. Utworzony
w ten sposób model cyfrowy będzie następnie zweryfikowany w terenie.
Badania terenowe prowadzone bedą podczas trzech letnich wypraw polarnych. Zaplanowano przede wszystkim
instalację nowej stacji meteorologicznej w reprezentatywnym miejscu w centralnej części doliny Ebby oraz uruchomienie
niezbędnych procedur obserwacyjnych. Pomiary meteorologiczne prowadzone będą bez przerwy od lata 2015 do końca sezonu
w 2017 roku. Ponadto zamontowanych zostanie 50 chwytaczy opadu eolicznego - planuje się umieszczenie po 10 chwytaczy
w lokalizacjach odzwierciedlających sepecyfikę 5 różnych środowisk występujących w proponowanym obszarze badań (miejsca
te zostaną wytypowane na podstawie stworzonego modelu):
1. podniesione terasy morskie z występowanie roślinności tundrowej,
2. pozbawiony zwartej roślinności obszar sandrowy rzeki Ebba,
3. stoki soliflukcyjne i stożki aluwialne pozbawione zwartej roślinności,
4. pozbawione roślinności moreny czołowe lodowca Ebba,
5. obszar lodowca Ebba.
Przy użyciu urządzeń ręcznych, prowadzone będą uszczegóławiające pomiary prędkości i kierunku wiatru oraz wilgotności
gruntu wzdłuż ustalonych transektów (co w powiązaniu z danymi ze stacjonarnej, automatycznej stacji meteorologicznej będzie
służyło wykazaniu przestrzennego zróżnicowania tych wielkości w obrębie doliny oraz zweryfikowaniu stworzonego modelu).
Ważnym aspektem projektu będzie ponawiane corocznie kartowanie istniejących w terenie form i pokryw niweoeolicznych
i eolicznych. Pozwoli to na ocenę stopnia degradacji i/lub narastania tych form. Ponadto w przypadku wybranych pokryw zostanie
wyselekcjonowany i wydatowany (przy użyciu metody radiometrycznej C14) materiał organiczny.
Zaplanowano również pobór próbek śniegu z pozostających jeszcze na początku lata płatów snieżnych oraz próbek
osadów mineralnych (w tym o nienaruszonej strukturze).
Jednym z efektów prowadzonych prac będzie także model przestrzennego zróżnicowania pokrywy śnieżnej w okresie zimowym.
Po zakończeniu każdej wyprawy zebrany materiał zostanie poddany dalszym analizom laboratoryjnym, natomiast
uzyskane dane liczbowe zostaną zebrane w bazie danych.
Połączenie analiz petrograficznych oraz informacji zawartych na mapach geologicznych pozwoli na określenie
przypuszczalnych źródeł pochodzenia materiału transportowanego przez wiatr.
Metodyka badań:
Pomiary meteorologiczne
Cogodzinne pomiary prowadzone będą przy użyciu automatycznej stacji meteorologicznej. Czujniki zlokalizowane zostaną
na standardowej wysokości 2 metrów nad poziomem gruntu (nie dotyczy wilgotności gruntu). Na stanowisku zlokalizowanym
w reprezentatywnym miejscu w centralnej części Doliny Ebby mierzone będą:
- kierunek wiatru (z dokładnością ±5°),
- prędkość wiatru (z dokładnością ±2 km/h),
- temperatura powietrza (z dokładnością ±0,2°C),
- wilgotność powietrza (z dokładnością of ±3%),
- wilgotność gruntu (z dokładnością ±3,5%).
Pomiary akumulacji eolicznej
W okresie od lipca do września prowadzone będą pomiary akumulacji eolicznej na 50 stanowiskach. Wykorzystane
zostaną chwytacze MDCO (marble dust collector). Zostały one po raz pierwszy zaproponowane przez Ganora w 1975 roku i są
obecnie szeroko stosowane przez badaczy procesów eolicznych na całym świecie w różnych środowiskach. Chwytacz skałada się
z plastikowej podstawy oraz podwójnej warstwy szklanych kulek (o średnicy 1,6 cm) (Goossens, Offer 2000).
Chwytacze skonstruowane zostaną uwzględniając poprawki Halla i Uptona (1988) - wykorzystane zostanie frisbee (o
wewnętrznej średnicy 224 mm oraz wewnętrznej głębokości 25 mm) przystosowane do odprowadzania wody opadowej.
Urządzenie zostanie zamontowane blisko powierzchni gruntu (około 10 cm nad powierzchnią terenu). Szklane kulki zostaną
dodatkowo pokryte cienką warstwą ciekłej parafiny. Wspomniany system pomiarowy był testowany zarówno w tunelach
aerodynamicznych oraz podczas eksperymentów terenowych. Goossens i Offer (1995, 2000) zaproponowali krzywą korelacyjną,
przy pomocy której można określić wielkość (horyzontalnego) transportu materiału przez wiatr, wykorzystując dane z chwytaczy
MDCO. Co więcej Hall i Upton (1988) określili, że chwytacze te wyłapują 50% dostępnego materiału, co jest "najlepszym
rezultatem spośród wszelkich testowanych urządzeń". Zauważalny jest spadek w efektywności chwytacza w przypadku
zmniejszania się wielkości ziarn do około 100µm. Poniżej tej wartości efektywność znów wzrasta. Istotny jest również fakt, iż
wraz ze wzrostem prędkości wiatru efektywność każdego dostępnego urządzenia pomiarowego spada.
Pomiary akumulacji niweo-eolicznej
Z występujących w Dolinie Ebby jeszcze na początku lipca płatów śniegu pobrane zostaną próbki. Pobierane będą z
różnych głębokości i będą miały wielkość 2,5 dm3 (Czeppe 1966). Ze śniegu zostanie następnie wytopiony materiał mineralny
i organiczny. W trakcie poboru próbek zostanie zwrócona szczególna uwaga na procesy postdepozycyjne zachodzące
w środowisku niwalnym.
Pobór próbek osadów
Kartowanie pokryw i form niweo-eolicznych i eolicznych
Wykorzystując metodę DGPS (Differential Global Positioning System) skartowane zostaną wszelkie formy
pochodzenia niweo-eolicznego i eolicznego znajdujące się w obrębie doliny. Jest to technika stosowana na szeroką skalę.
Zapewnia ona dokładność geodezyjną dokonywanego pomiaru (1-3 cm w 3 wymiarach). Szczegółowe pomiary będą powtarzane
każdego lata. Na tej podstawie możliwe będzie między innymi oszacowanie stopnia degradacji i nadbudowywania istniejących
form i pokryw (poprzez redepozycję i zmywanie materiału). Urządzenie zostanie udostępnione przez Wydział Nauk
Geograficznych i Geologicznych.
Uszczegóławiające pomiary warunków anemometrycznych oraz wilgotności gruntu
Przy użyciu ręcznych instrumentów pomiarowych oraz odbiornika GPS prowadzone będą uszczegóławiające pomiary
w obrębie doliny. Wzdłuż ustalonych transektów, podczas wietrznych dni (średnia prędkość wiatru powyżej 5 m/s),
rejestrowane będą: prędkość i kierunek wiatru, wilgotność gruntu oraz dokładny czas (wyniki będzie można porównać z danymi
pochodzącymi z stacjonarnej automatycznej stacji meteorologicznej). Pomiary będą dokonywane co 100 m.
Analizy laboratoryjne
Analizy przeprowadzone w laboratorium Wydziału Nauk Geograficznych i Geologicznych:
- granulometria – standardowa metoda sitowa oraz metoda areometryczna wg. Prószyńskiego (Mycielska-Dowgiałło 1980,
Lamparski 1992, Racinowski 2001),
- petrografia – standardowa analiza mineralogiczna frakcji piaszczystej (Racinowski 1973),
- morfologia ziarn – wykorzystanie mikroskopu skaningowego oraz metody graniformometrycznej (Goździk 1995),
- analizy mikromorfologiczne osadów o strukturze nienaruszonej (Kemp 1985, Fedorof et al. 1990, Wilson 1992, van der
Meer 1996, Harris 1998, Kemp 1999, Carr 2004, Philips et al. 2007, Menzies et al. 2010).
Analizy przeprowadzone w wyspecjalizowanym laboratorium zewnętrznym:
- datowanie materiału organicznego pochodzącego z pokryw eolicznych i niweoeolicznych przy użyciu metody radiometrycznej C
14 (Pazdur 1995).
Prace kameralne
Niezmiernie istotnym elementem projektu będzie tworzony obecnie model przepływu strumieni wiatru w Dolinie
Ebby. Posłuży on głównie wyznaczeniu najbardziej reprezentatywnych stanowisk, w których prowadzone będą bezpośrednie
badania terenowe. Przewiduje się również dalsze analizy materiałów kartograficznych oraz zdjęć lotniczych i satelitarnych.
Zebrane w terenie dane ilościowe zostaną również poddane dalszej obróbce. Wymodelowane przy użyciu systemów GIS zostanie
również przestrzenne zróżnicowanie miąższości pokrywy śnieżnej w okresie zimowym w obrębie doliny. Wszelkie prace
polegające na stworzeniu cyfrowych modeli zostaną wykonane przy użyciu darmowego oprogramowania SAGA GIS oraz
Quantum GIS.
Literatura:
AKERMAN J., 1980: Studies on periglacial geomorphology in West Spitsbergen. Medd. fran Lunds Univ., Geogr. Inst.,
Avandlingar LXXXIX, 297 pp.
BARANOWSKI S., PĘKALA K., 1982: Nival-eolian processes in the tundra area in the nunatak zone of the Hans
and Werenskiold Glaciers, SW Spitsbergen. [in:] Res. of Investig. of the Pol. Sc. Spitsb. Expedit., vol. 4, Acta Univ. Wratisl., 525,
Wrocław, 9-27.
BRYANT I. D., 1982: Loess deposits in lower Adventdalen, Spitsbergen. Polar Research, 2, 93-103.
CARR S.J., 2004: Micro-scale features and structures. [in:] J.A. Evans and D.I. Benn (eds.), A Practical Guide to the Study
of Glacial Sediments. Arnold, London, 115-130.
CZEPPE Z., 1966: Przebieg głównych procesów morfogenetycznych w południowozachodnim Spitsbergenie. Zeszyty
Naukowe UJ, Prace Geograficzne, 13, 96-102.
FEDOROFF N., COURTY M.A., THOMPSON M.L., 1990: Micromorphological evidence of paleoenvironmental change
in Pleistocene and Holocene paleosols. [in:] L.A. Douglas (ed.), Soil Micromorphology: a Basic and Applied Science. Elsevier,
Amsterdam, 653–665.
GĘBICA P., SZCZĘSNY R., 1988: Symptoms of aeolian accumulation in western Sorkapp Land, Spitsbergen. [in:] Pol.
Polar. Res., 9, 4, 447-460.
GOOSSENS D., OFFER Z.Y., 1995: Comparisons of day-time and night-time dust accumulation in a desert region. Journal
of Arid Environments, 31, 253-281.
GOOSSENS D., OFFER Z.Y., 2000: Wind tunnel and field calibration of six aeolian dust samplers. Atmospheric Environment,
34, 1043-1057.
GOŹDZIK J., 1995: Wybrane metody analizy kształtu ziarn piasku dla celów paleogeograficznych i stratygraficznych. [in:]
E. Mycielska-Dowgiałło, J. Rutkowski (eds.), Badania Osadów czwartorzędowych. Warszawa, 115-130.
GÓRSKA-ZABIELSKA M., 2007: Formy eoliczne na przedpolu lodowca Ebba, środkowy Spitsbergen. [in:] Smolska E.,
Giriat D. (eds.), Rekonstrukcja dynamiki i procesów geomorfologicznych – formy rzeźby i osady. Uniwersytet Warszawski,
Wydział Geografii i Studiów Regionalnych, Komitet Badań Czwartorzędu Polskiej Akademii Nauk, 199- 204.
HALL D.J., UPTON S.L., 1988: A wind tunnel study of the particle collection efficiency of an inverted Frisbee used as a
dust deposition gauge. Atmospheric Environment, 22, 7, 1383-1394.
HARRIS C., 1998: The micromorphology of paraglacial and periglacial slope deposits: a case study from Morfa Bychan, west Wales, UK. Journal of Quaternary Science, 13, 73-84.
KEMP R.A., 1985: Soil Micromorphology and the Quaternary. Quaternary Research Association Technical Guide 2. QRA,
Cambridge.
KEMP R.A., 1999: Micromorphology of loess–paleosol sequences: a record of paleoenvironmental change. Catena, 35, 179–196.
KIDA J., 1981: Badania procesów i form eilicznych na Ziemi Wedel-Jarlsberga (Spitsbergen). [in:] VII Sympozjum Polarne
w Sosnowcu, Materiały cz. II, IG UŚl., Katowice, 36-37.
KIDA J., 1986: Eolian Processes in the Werenskiold, Nann and Torell glacier forefields (Wedel-Jarlsberg Land, SW
Spitsbergen). Acta Univ. Wratisl., 966, 25-43.
KIDA J., 1995: Procesy eoliczne na wybrzeżach SW Spitsbergenu. [in:] Pereyma J., Piasecki J., XXII Sympozjum Polarne,
Wrocław – Książ, 27-28 października 1995, 41-47.
LAMPARSKI Z., 1992: Metody litologiczne. [in:] L. Lindner (ed.), Czwartorzęd, osady, metody badań, stratygrafia. Warszawa,
276-293.
MENZIES J., VAN DER MEER J.J.M., DOMACK E., WELLNER S.W., 2010: Micromorphology: as a tool in the detection,
analyses and interpretation of (glacial) sediments and man-made materials. Proceedings of the Geologists’ Association, 121,
281-292.
MIGAŁA K., SOBIK M., 1984: Deflation and nival eolian phenomena observed under conditions of congelation in the
forefield of the Werenskiold Glacier (SW Spitsbergen). Zeitschrift fur Gletscherkunde und Glazialgeologie, 20, 197-206.
MYCIELSKA-DOWGIAŁŁO E., 1980: Wstęp do sedymentologii (dla geografów). Wyższa Szkoła Pedagogiczna im.
Jana Kochanowskiego, Kielce.
PALUSZKIEWICZ R., 2003: Zróżnicowanie natężenia transportu eolicznego w warunkach polarnych jako efekt
zmienności czynników meteorologicznych na przykładzie doliny Ebby (Petuniabukta, Billefjorden, Spitsbergen Środkowy). [in:]
Olech M. A. (ed.), XXIX Międzynarodowe Sympozjum Polarne. Funkcjonowanie ekosystemów polarnych na tle globalnych
zmian środowiska. Instytut Botaniki Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków, 235- 237.
PAZDUR M.F., 1995: Oznaczanie wieku osadów metodami izotopowymi. [in:] E. Mycielska-Dowgiałło, J. Rutkowski (eds.),
Badania Osadów czwartorzędowych. Warszawa, 329-353.
PĘKALA K., 1980: Rzeźba, współczesne procesy morfogenetyczne i utwory pokrywowe na nunatakach w rejonie
Hornsundu (SW Spitsbergen). UMCS Lublin, 90 pp.
PHILIPS E., MERRITT J., AUTON C., GOLLEDGE N., 2007: Microstructures in subglacial and proglacial
sediments: understanding faults, folds and fabrics, and the influence of water on the style of deformation. Quaternary Science
Reviews, 26, 1499-1528.
PIOTROWSKI A., 1983: Results of investigations over a magnitude of aeolian transport in the western part of Oscar II Land
(NW Spitsbergen) during summer 1979. Acta. Univ. Bicolai Copernici, Geografia XVII, 56, 63-67.
RACHLEWICZ G., 2008: Bilans denudacyjny zlewni zlodowaconej – model i przykłady ze środkowego Spitsbergenu. [in:]
A. Kowalska, A. Latocha, H. Marszałek, J. Pereyma (eds.), Środowisko przyrodnicze obszarów polarnych, Wrocław, 56-63.
RACHLEWICZ G., 2009: Contemporary sediment fluxes and relief changes in high Arcitc glacierized valley
systems (Billefjorden, Central Spitsbergen). Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań.
RACINOWSKI R., 1973: Analiza mineralogiczna. [in:] E. Ruhle (ed.), Metodyka badań osadów czwartorzędowych, Warszawa,
356-382.
RACINOWSKI R., SZCZYPEK T., WACH J., 2001: Prezentacja i interpretacja wyników badań uziarnienia
osadów czwartorzędowych. Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, Katowice.
RUTKOWSKI J., 1995: O opróbkowaniu i reprezentatywności wyników w badaniach laboratoryjnych. [in:] E. Mycielska-
Dowgiałło, J. Rutkowski (eds.), Badania Osadów czwartorzędowych. Warszawa. 9-28.
SZCZYPEK T., 1982: Działalność eoliczna w rejonie Zatoki Gas (południowy Spitsbergen). [in:] Wyprawy polarne
Uniwersytetu Śląskiego 1977-1980, t. I., Prace Naukowe U. Śl., 543, 87-108.
TROLL C., 1948: Der subnivale oder periglaziale Zyklus der Denudation. Erdkunde, 2,1–21.
VAN DER MEER J.J.M., 1996: Micromorphology. [in:] J. Menzies (ed.), Past Glacial Environments – sediments, forms
and techniques. Butterworth-Heineman, Oxford, 335-356.
WILSON M.D., 1992: Inherited grain-rimming clays in sandstones from eolian and shelf environments: their origin and
control on reservoir properties. SEPM Spec. Publ., 47, 209- 225.