Wyniki

 

OSIĄGNIĘCIA
• uzyskanie trzyletnich serii danych pomiarowych o stanie i zmienności wybranych parametrów kriosfery w warunkach sub-regionalnego zróżnicowania klimatu obszaru wysokiej Arktyki (środkowy i zachodni Spitsbergen, Svalbard);
• standaryzacja prowadzonych badań dotyczących pomiarów termiki i miąższości warstwy czynnej wieloletniej zmarzliny, określenie lokalnych i regionalnych czynników wpływających na różnicowanie środowiska peryglacjalnego i jego ewolucję w warunkach zmieniającego się klimatu;
• rejestracja porównywalnych serii pomiarów bilansu masy małych lodowców w kontrastowych warunkach klimatu wysokiej Arktyki w ciągu trzech lat (bilans letni i bilans zimowy), identyfikacja czynników mających wpływ na warunki bilansowe, określenie tempa przyspieszonej ablacji i bardziej ujemnego bilansu w obszarze o znikomej alimentacji oraz niższych średnich rocznych temperaturach powietrza, przy jednoczesnych wyższych temperaturach okresu letniego; proces ten wiąże się także ze wzmożonym odprowadzaniem wody ze zlewni w okresie letnim;
• rozszerzenie standardu pomiarowego termiczno-wilgotnościowej charakterystyki gruntu dla uchwycenia procesów wymiany ciepła między gruntem i atmosferą, wykazanie przestrzennego zróżnicowania tego zjawiska w skali lokalnej (na poletkach testowych o powierzchni 1 ha);
• w relacji do bezpośrednich pomiarów stanu aktywnej warstwy zmarzliny określenie zmian parametrów geofizycznych za pomocą metody georadarowej;
• ustalenie charakterystyk geofizycznych różnych typów podłoża celem określenia miąższości i warunków sedymentacji osadów w dolinie polodowcowej a także miąższości, typu termicznego lodu lodowcowego i związanych z tym procesów inglacjalnych;
• określenie warunków tworzenia się i wieku pokryw glebowych za pomocą metod geochronologicznych, terenowych oraz modelowania, stworzenie klasyfikacji oraz zbadanie rozkładu przestrzennego
• uzyskanie pierwszych wyników analizy przestrzennego rozkładu temperatury powierzchni ziemi na podstawie zdjęć satelitarnych dla całego Svalbardu w okresie 2000-2015, zastosowanie metody analizy zdjęć satelitarnych dla detekcji zmian środowiskowych w skali regionalnej i lokalnej
• opis i analiza zaobserwowanej w czasie trwania projektu szarży lodowcowej i jej skutków morfologicznych i sedymentacyjnych
• zaprojektowanie i zastosowanie przenośnego systemu wiercenia w podłożu zmarzlinowym, uzyskanie pierwszej całorocznej serii danych pomiarowych nie tylko z warstwy czynnej zmarzliny, ale także z części nieodmarzającej;
• ustalenie struktury przestrzennej i zmienności czasowej zbiorowisk planktonu okrzemkowego jeziorek tundrowych w wysokiej Arktyce.

UZYSKANE WYNIKI
Badania prowadzone były w dwóch obszarach na wyspie Spitsbergen, oddalonych od siebie o około 100 km, przy czym odległość była ściśle południkowa. Położenie wpływa na odmienne charakterystyki klimatyczne, z cieplejszą zimą na zachodnim wybrzeżu i opadami około 400 mm rocznie, podczas gdy w interiorze wyspy temperatury są wyższe latem, a opady rocznie nie przekraczają 200 mm. Założenie badań porównawczych oddziaływań na kriosferę było pierwszą w Polsce próbą stworzenia sieci monitoringu środowiska przyrodniczego, rozwijanej obecnie z udziałem znacznie większej liczby partnerów w ramach np. Polskiego Svalbardzkiego Programu Śnieżnego, koordynowanego przez Polskie Konsorcjum Polarne. Badaniom monitoringowym poddano takie elementy kriosfery jak warstwa aktywna zmarzliny, warstwa nieodmarzająca, małe zlewnie zlodowacone, a także efekty środowiskowe zjawisk zachodzących w obszarach polarnych, jak hydrologia lodowcowa, ewolucja pokrywy glebowej, niemeteorologiczne zjawiska dynamiczne na lodowcowcach (szarże), ekologia mikrofauny zbiorników słodkowodnych, czy wreszcie antropopresja.
Badania termiki zmarzliny wskazują na mezoregionalne oddziaływanie czynników zróżnicowanych w zależności od wpływu morza. Zmienność sezonowa także zwraca uwagę na uzależnienie przepływu energii od typu i wielkości opadu, w tym głównie występowania pokrywy śnieżnej. Zjawiska termiczne w gruncie manifestują się również lokalnym zróżnicowaniem wynikającym z typu i stanu podłoża, wpływającego na reżim termiczny gruntu. W skali lokalnej (1 ha) zastosowano też pomiary powierzchniowe bilansu energetycznego powierzchni terenu, stwierdzając anizotropowość relacji topograficznych, wynikających z układu reliefu o zasięgu 30-100 m, jakkolwiek zmienność ta jest bardzo istotna, a decyduje o niej rozkład wilgotności w gruncie i tempo przemieszczania się infiltrującej wody. Badania te zostały wsparte również obrazowaniem termowizyjnym.
Podobnie czynniki meteorologiczne oddziałują w przypadku małych zlewni z lodowcami, gdzie klimat bardziej kontynentalny sprzyja intensywniejszej ablacji a bilans masy jest bardziej ujemny także ze względu na niewielką akumulację śniegu. Ma to także wpływ na ilość odprowadzanej wody, nieoczekiwanie większą, nawet przy wyższym położeniu masy lodowej. Zanik pokryw lodowcowych wpływa także w istotny sposób na ich cechy termiczne, prowadząc do zaniku politermii, jakkolwiek inicjalny stan, cieńszej pokrywy lodowej, może nie prowadzić w ogóle do jej zaistnienia.
Zarówno na powierzchniach mineralnych jak i lodowcowych wykonano badania właściwości geofizycznych podłoża za pomocą georadaru. Dokładne zobrazowanie wnętrza lodowca Pollock ukazało po raz pierwszy jego strukturę oraz miąższość nie przekraczającą 60 m. W przypadku obszarów położonych w dolinie polodowcowej, powtarzalne zdjęcia georadarowe mogą wesprzeć powierzchniowo obserwacje rozkładu przestrzennego miąższości aktywnej warstwy zmarzliny, prowadziły także do identyfikacji zasięgu i miąższości osadów stokowych, fluwialnych oraz morskich.
Badania gleboznawcze pozwoliły na określenie wieku procesów glebotwórczych na terasach morskich w przedziale 1,5-133ka. Rozwój gleb nie jest zjawiskiem liniowym, a główną rolę w tworzeniu tych inicjalnych typów, biorąc pod uwagę ich słabe rozwinięcie, odgrywają rozpuszczanie i wietrzenie fizyczne. Zarysował się również wniosek, że same badania terenowe i opis makroskopowy nie są wystarczającymi metodami przy analizie złożonego procesu glebotwórczego w obszarach polarnych. Z użyciem zobrazowań satelitarnych spektroradiometrem MODIS przeanalizowano dane temperatury powierzchni terenu (TPT), najpierw dla otoczenia Petuniabukta, a potem dla całego Svalbardu w latach 2000-2016. Wyniki są bardzo obiecujące dla celów przestrzennego określania trendów zmian środowiskowych, niedostępnych dla bezpośrednich pomiarów. Prawie dla całego obszaru stwierdzono statystycznie istotny trend wzrostu TPT. Jedyne miejsca notujące spadek, to wyraziste, nie wywołane czynnikami klimatycznymi awanse lodowców (szarże), możliwe do odczytania z zapisu TPT.
Przy pomocy zdjęć satelitarnych Landsat określano także zmiany środowiskowe, biorąc pod uwagę przyrost wartości wskaźnika NDVI, obrazującego występowanie biomasy, który w ciągu 30 lat pokazał powiększenie się biomasy na obszarze niezlodowaconym o 66%, zróżnicowanym ze względu na warunki środowiskowe.
Niewątpliwie dużym osiągnięciem była możliwość obserwowania zaistniałego w ciągu jednego roku zjawiska szarży lodowca Aavatsmaark i jego efektów morfotwórczych oraz sedymentacyjnych. Czoło lodowca w latach 2013-2015 awansowało o ponad kilometr a najwyższe notowane prędkości wyniosły 4,9 m/dzień. Stwierdzono szereg form i struktur dynamicznego oddziaływania lodu lodowcowego, jak struktury ucieczkowe, mini żłobki lodowcowe, czy odrębny pokład wytworzonej ad hoc gliny bazalnej.
Jednym z praktycznych efektów projektu było wytworzenie aparatury badawczej w postaci przenośnej wiertni do wykonywania płytkich (do 2 m) i średnich (do 20 m) otworów geologicznych w utworach przemarzniętych lub w litej skale. Maksymalną głębokość wiercenia, 2,25 m, wykorzystano do instalacji profilu termicznego, który funkcjonował przez cały rok, ukazując stale ujemne temperatury poniżej 150 cm pod powierzchnią gruntu. Jest to najgłębszy jak dotąd odwiert wykonany dla celów badań permafrostu na środkowym Spitsbergenie i jedyny, w którym przewiercono warstwę aktywną.
Innym wykonanym w ramach projektu urządzeniem był mętnościomierz optyczny, mający za zadanie rejestrację koncentracji zawiesiny w wodach ablacyjnych lodowców. Ze względu na prototypowy charakter aparat był testowany i kalibrowany w warunkach laboratoryjnych oraz terenowych, w rzekach oraz w wodach fiordu. Pierwsze wyniki zdają się być obiecujące, pozwolą na wdrożenie pomiarów w trybie ciągłym, z automatyczną rejestracją danych.
Z zastosowaniem bezzałogowych urządzeń latających (dronów) wykonywano kartowanie form terenu oraz efektów oddziaływania współczesnych procesów morfogenetycznych na przedpolach lodowców, w dolinach polodowcowych, na stokach, stożkach napływowych oraz w strefie wybrzeża. Dokonano m.in. pierwszej próby kontrolowanych naziemnymi punktami reperowymi pomiarów erozji bocznej koryta rzeki lodowcowej w warunkach peryglacjalnych. Uzyskane w tym wypadku wyniki wskazują na niewielkie zmiany zachodzące rok do roku (rzędu 1-10 cm), jakkolwiek nie można wykluczyć zdarzeń o charakterze katastrofalnym, w warunkach intensywnego tajania pokryw lodowcowych oraz obniżania się poziomu przemarznięcia gruntu.
Z zagadnień biotycznych, związanych z funkcjonowaniem geoekosystemów polarnych, jako jeden z czułych wskaźników środowiskowych, badano zbiorowiska okrzemek rozwijające się w słodkowodnych zbiornikach na powierzchni teras morskich środkowego Spitsbergenu. Stwierdzono obecność ponad 94 gatunków okrzemek na podstawie szczegółowego monitoringu prowadzonego w odstępach tygodniowych w kolejnych sezonach letnich. Dominują gatunki bentosowe (głównie tychoplanktoniczne). W wyniku analiz czasowych związków elementów środowiskowych z rozwojem zbiorowisk mikrofauny, określono ich zależność głównie od warunków termicznych, co rokuje jako dobry indykator zmienności długookresowej, w związku z obniżaniem się poziomu wody, wzrostem jej temperatury. Zaznacza się możliwość odniesienia badań aktualistycznych także w rekonstrukcjach paleolimnologicznych.
Przeprowadzono także badania dotyczące oddziaływań antropogenicznych na geoekosystem kriogenny oraz relacji oddziaływań środowiskowych na pozostałości górniczej i osadniczej aktywności człowieka na przykładzie opuszczonej kopalni węgla kamiennego i miejscowości Pyramiden. Widoczne jest znaczne, aczkolwiek lokalne przekształcenie środowiska przyrodniczego oraz jego zanieczyszczenie, powiązane z chaotycznym składowaniem odpadów, odsłanianych obecnie przez aktywnie działające procesy morfogenetyczne. Może się to wiązać również z migracja zanieczyszczeń do wód fiordu i na dalsze odległości. Istotne zmiany zachodzą w krajobrazie postindustrialnym głównie poprzez liczne powodzie fluwioglacjalne, ale również ruchy masowe, nanoszące materiał mineralny oraz powodujące destrukcję porzuconej infrastruktury. Wyniki badań mogą być przydatne lokalnym władzom przy zarządzaniu działaniami proekologicznymi jak i nadzorem nad coraz bardziej intensywną presją turystyczną.

REALIZOWANE CELE
W projekcie, w którym skupiono się na analizie problemu rozpoznania stanu kriosfery i przebiegu współczesnych procesów jej przemian przy uwzględnieniu odmiennej charakterystyki obiegu wody i jej retencji (zlewnie lodowcowe i niezlodowacone) w warunkach zróżnicowanego w czasie i przestrzeni występowania wieloletniej zmarzliny, założono dwa główne cele badawcze, dotyczące a) rozpoznania sezonowej zmienności struktury termicznej i dynamiki warstwy czynnej wieloletniej zmarzliny oraz rozkładu temperatury stale przemarzniętego podłoża w różnych odmianach klimatu wysokiej Arktyki; b) porównania stanu bilansowego i reakcji na zmiany klimatu dwóch małych lodowców dolinnych, położonych w obszarach kontrastowych warunków klimatycznych Spitsbergenu, w relacji do innych elementów kriosfery i szerzej, innych elementów środowiska przyrodniczego. Obu tym celom zostały podporządkowane zadania badawcze, realizowane w oparciu o działania ekspedycyjne na Spitsbergenie, prowadzące do utworzenia zunifikowanego systemu monitoringowego do badań elementów kriosfery, wypracowania lub/i udoskonalenia metod pomiarowych służących kwantyfikacji procesów glacjo-morfogenetycznych w warunkach polarnych, zastosowania przestrzennych analiz z użyciem teledetekcji satelitarnej w celu uzyskania obrazu stanu środowiska w czułych na zmiany klimatyczne obszarach podbiegunowych, referencyjne pomiary terenowe oraz detekcja możliwych do identyfikacji oddziaływań antropogenicznych.
W zakresie uzyskanych na badania środków, największym problemem przy realizacji zadań związanych z wykorzystaniem aparatury do badan terenowych okazała się jej zawodność w surowych warunkach klimatycznych, głównie ze względu na niedostateczne systemy zasilania, ograniczające autonomiczność i bezobsługowość, co spowodowało przerwy w akwizycji danych. Funkcjonowanie sprzętu pomiarowego, który był pozostawiony na okres zimowy było także narażone na działanie zwierząt, które dokonały jego zniszczeń, a w dwu przypadkach stacji meteorologicznych dzieła dopełniły również warunki wiatrowe o wyjątkowym natężeniu, nie spotykane dotąd w prowadzonych pomiarach (podczas jednego dnia prędkość porywów przekraczała 30 m/s i osiągnęła maksymalnie 46,9 m/s). Zawodność sprzętu odnotowano także w przypadku georadaru, który nie mógł zostać naprawiony podczas ekspedycji, co wyeliminowało jego funkcjonowanie podczas jednego sezonu, jak i wystąpił problem z realizacją zamówień na wiertnię i mętnościomierz, gdyż ze względu na ich prototypowy charakter kolejne firmy nie podejmowały się ich wykonania. W początkowej fazie projektu, ze względu na udokumentowaną niezdolność kierownika do realizacji badan terenowych, musiano zmienić harmonogram ich prowadzenia, w związku z czym rozpoczęcie przesunęło się z sezonu wiosennego na letni. Wpłynęło to także na termin zakończenia prac terenowych i opracowywania wyników. Jednak dzięki temu, zorganizowano dwie zaplanowane kampanie wiosenne oraz cztery, tzn. jedną ponad plan, kampanie letnie, z których ostatnia odbyta w roku 2016, była praktycznie w całości finansowana ze środków spoza projektu.
Uzyskane w tym czasie serie danych, jakkolwiek posiadające braki, stanowią unikalny materiał pomiarowy, którego pełne opracowanie i publikacja tylko w części została dotąd zrealizowana. W ramach kwerend zgromadzono ponadto bardzo bogaty materiał dokumentacyjny, większości dostępnych dla obszaru Svalbardu obrazów satelitarnych. We współpracy z innymi jednostkami badawczymi (nie biorącymi bezpośrednio udziału w projekcie) zbierane są także referencyjne ciągi danych (przede wszystkim meteorologicznych), które posłużą walidacji modeli zmian środowiskowych wypracowanych metodami teledetekcyjnymi. We współpracy z jednostkami tworzącymi Polskie Konsorcjum Polarne (18 jednostek akademickich, instytutów badawczych i Polskiej Akademii Nauk) przygotowujemy się do umieszczenia wyników prowadzonych badań w Polskiej Bazie Danych Polarnych, której realizacja jest na etapie uzgodnień technicznych i tworzenia zbioru metadanych.
Dodatkowymi celami zrealizowanymi w czasie trwania projektu, których wcześniej nie planowano, było włączenie do realizacji programów monitoringu biotycznego w relacji do zmian kriosfery, w zakresie badań okrzemek (wspólnie z dr Moniką Rzodkiewicz z UAM Poznań) oraz, czekających jeszcze na opracowanie pobranych ze środowisk tundrowych i lodowcowych dalszych próbek na określenie zbiorowisk zooplanktonu stagnującego (wspólnie z dr hab. prof. IOP PAN Agnieszką Pociechą). Za bardzo dobrze wykorzystaną nadarzającą się okazję, uznać należy badania przeprowadzone nad szarżą lodowca Aavatsmaarka. Pomimo iż zjawiska szarży lodowcowej są coraz częściej identyfikowane i obserwowane na Spitsbergenie, jest to pierwszy przypadek w polskiej literaturze, gdzie zajęto się tym zjawiskiem w czasie jego oddziaływania oraz opisano skutki i obraz sedymentacyjny. Korzystając ze współpracy nawiązanej m.in. przy realizacji projektu, wzbogacono jego zakres o wyniki badań zespołu dr. Mateusza Strzeleckiego (Uniwersytet Wrocławski) nie tylko odnośnie interakcji człowiek-środowisko, ale także, znajdujących się w przygotowaniu, wyników dotyczących procesów litoralnych i brzegowych wobec oddziaływań kriosferycznych.

WPŁYW NA DYSCYPLINĘ
Wypracowane w ramach projektu standardy badawcze, polegające na porównaniu stanu i zmienności elementów kriosfery w wysokiej Arktyce, w relacji do innych elementów środowiska przyrodniczego, o zmienności odpowiadającej wpływom skrajnie różnych warunków, które można obserwować w sąsiedztwie wybrzeża morskiego zachodniej części Spitsbergenu oraz w lokalizacji wewnątrzfiordowej, izolowanej od wpływów otwartego oceanu, mają szansę, po ugruntowaniu się poprzez wejście do literatury, stać się punktem odniesienia dla innych sieci pomiarowych, zyskując na wartości wraz z rozszerzeniem zasięgu terytorialnego, poprzez włączanie do systemu także innych partnerów. Polska jest w o tyle dobrej sytuacji, że posiada szereg stacji badawczych na Spitsbergenie, a także w Antarktyce jak i zaplecze instytucjonalne w postaci Polskiego Konsorcjum Polarnego, dzięki powiązaniom w ramach którego, można zaproponowane procedury rozwijać. Zadania takie są wysoce pożądane dla stworzenia systemu referencyjnego w obszarach o niewielkim oddziaływaniu człowieka, wobec innych badań, w których wyników takiej interakcji nie można wykluczyć. I chociaż oddziaływania o charakterze globalnym, przenoszą sygnał antropogeniczny na różne obszary, jego wykluczenie bądź tylko zminimalizowanie może w istotny sposób pomóc w zrozumieniu mechanizmów zachodzących w środowisku zmian.
W szczególny sposób wiele można sobie obiecywać poprzez efekty, które zostały osiągnięte odnosząc się do wyników analiz przestrzennych wykonywanych w oparciu o zobrazowania satelitarne. Coraz bardziej dostępne są obecnie procedury pozwalające na przetwarzanie wielkich zbiorów danych, tak w zakresie ich pozyskiwania jak i technologii obróbki. Przy właściwej implementacji wypracowanych metod, będzie można je stosować powszechnie, co pozwoli także na uzyskanie porównywalnych wyników dla wielu obszarów. Na obecnym etapie rozwoju technologicznego, obróbka danych może następować wręcz w czasie rzeczywistym, a odpowiednie algorytmy, wykorzystujące już przetworzone serie danych, pozwolą na lepsze i bardziej długoterminowe prognozowanie tendencji rozwoju środowiska. Nie jest to możliwe także bez dalszego prowadzenia referencyjnych badań terenowych. Należy wyrazić opinię, że doświadczenia zebrane podczas realizacji grantu, zarówno w sferze technicznej, logistycznej jak i odnośnie merytorycznych aspektów realizowanych badań, przyczynią się do ugruntowania nowych standardów pomiarowych a także zachęty do włączania się coraz szerszego grona współdziałających stacji, przede wszystkim w obszarach polarnych, realizujących kompleksowe obserwacje środowiskowe i dalej wymieniające doświadczenia w tym zakresie.