Skąd wiemy, że lodu ubywa? Podstawowe metody badań bilansu masy lodowców

Zmiany zachodzące współcześnie w ziemskim klimacie oraz procesy im towarzyszące powodują ubytek masy lodowców prawie na całym świecie. Jak mierzone są sezonowe i wieloletnie zmiany masy/objętości lodu? Skąd wiemy w których obszarach lodu przybywa, a w których następuje redukcja miąższości (grubości)? Poniżej przedstawiam krótki przegląd najważniejszych metod pomiarowych stosowanych w ostatnich latach w badaniach bilansu masy.

Bilans masy to zmiana masy lodowca (lub jego części) w określonym odcinku czasu. Odcinki te są różne w zależności od potrzeb danego opracowania – może to być sezon (najczęściej zimowy i letni), rok lub kilka, a nawet kilkadziesiąt lat. Bilans masy netto to w uproszczeniu różnica pomiędzy zyskami masy lodowca, a jej stratami. Jako taki, może być dodatni (jeżeli więcej masy przybywa niż ubywa) lub ujemny (gdy ubytek masy przewyższa akumulację).


1. Metoda glacjologiczna

Do badań sezonowych i rocznych zmian masy lodowców najlepiej nadaje się klasyczna metoda glacjologiczna. Ma ona bardzo długą tradycję – jej początki sięgają końca XIX wieku, kiedy rozpoczęto systematyczne pomiary na kilku lodowcach w Alpach. Metoda glacjologiczna oparta jest na bezpośrednich pomiarach terenowych bilansu zimowego i letniego, których nałożenie daje bilans roczny – całościową zmianę masy lodowca w ciągu jednego roku glacjologicznego (liczonego od jesieni do jesieni).

Pomiary gęstości śniegu w szurfie. Fot. J. Małecki

Ryc. 1. Pomiary gęstości śniegu w szurfie. Fot. J. Małecki

Zimowa akumulacja masy (najczęściej śniegu) mierzona jest z reguły pod koniec zimy. Glacjolodzy przemierzają lodowiec wzdłuż i wszerz, co jakiś czas wbijając w śnieg sondę z miarką. Wykonują kilkadziesiąt-kilkaset takich sondowań we wszystkich strefach badanego lodowca, aby stworzyć mapę miąższości pokrywy śnieżnej. Bardzo ważne są w tym przypadku pomiary umożliwiające określenie średniej gęstości śniegu zalegającego na lodowcu. Każdy przecież podskórnie rozumie, że metr świeżego puchu jest czymś zupełnie innym dla przyrostu masy lodowca niż metr starego, ciężkiego, zelżałego śniegu. Alternatywnie, na dużych lodowcach, zamiast wbijania sondy skorzystać można z anteny radaru o wysokiej częstotliwości.

J. Małecki przy

Ryc. 2. J. Małecki przy „wiertni” parowej robi 8-metrowy otwór pod nową tyczkę ablacyjną. Fot. G. Rachlewicz

Bilans letni mierzy się przy użyciu tzw. tyczek ablacyjnych. Tyczki, o długości od 2 do kilkunastu metrów, wwiercane są na stałe w lód, a pomiary długości części tyczek wystających ponad powierzchnię dają informację o fluktuacjach wysokości powierzchni lodowca w ciągu lata (Ryc. 3). Tyczki instalowane są wzdłuż środkowej linii lodowców na różnych wysokościach nad poziomem morza lub równomiernie na jego powierzchni. Dla każdej tyczki mierzy się bilans letni, czyli całkowitą masę utraconą latem w danym miejscu. W odróżnieniu od bilansu zimowego, informacje o bilansie letnim są zatem punktowe. Aby więc z tych kilku lub kilkunastu punktów otrzymać mapę bilansu letniego dla całego lodowca, dane pochodzące z tyczek interpoluje się przy użyciu przeróżnych metod. Często wykorzystuje się po prostu zależność ablacji od wysokości – bilans letni systematycznie zbliża się do zera w miarę wzrostu wysokości n.p.m. Znając bilans zimowy (który jest dodatni, bo stanowi przyrost masy lodowca) oraz letni (ujemny) możliwe jest obliczenie bilansu dla całego roku.

Schemat przebiegu bilansu masy strefy ablacji i jego pomiaru metodą glacjologiczną.

Ryc. 3. Schemat przebiegu bilansu masy strefy ablacji i jego pomiaru metodą glacjologiczną.

Metoda glacjologiczna ma pewne wady. Pomiary bezpośrednie prowadzone są prostymi narzędziami i niosą za sobą spore błędy. W swojej standardowej wersji monitorują ponadto tylko powierzchnię lodowca, pomijając zjawiska które zachodzą pod nią. Jest to o tyle ważne, że zarejestrowany na powierzchni ubytek masy pod postacią topnienia tworzy wodę roztopową, która może pod powierzchnią ponownie zamarzać. Strata lodu jest wtedy tylko pozorna, bo doszło do przemieszczenia masy, a nie do faktycznego ubytku. Badania tą metodą są także bardzo kosztowne, bo wymagają systematycznych ekspedycji do badanego lodowca. Mimo tego, pomiary bilansu masy lodowców metodą glacjologiczną są najlepszym narzędziem do monitorowania wieloletniej zmienności akumulacji i ablacji. Długie, kilkudziesięcioletnie serie pomiarowe zmian bilansu zimowego i letniego są dla glacjologów bezcenne, gdyż doskonale obrazują reakcję kriosfery na zmiany klimatyczne.

2. Metody geodezyjne

Określenie ogólnego, średniego dla wielolecia bilansu masy niekoniecznie wymaga dekad pomiarów bezpośrednich. Coraz częściej stosowaną alternatywą są metody geodezyjne, dążące do określenia zmian objętości danego lodowca w odcinku czasu, dla którego dostępne są dane o jego geometrii. Klasycznymi źródłami danych są mapy topograficzne lub cyfrowe modele wysokościowe obejmujące całe lodowce (Ryc. 5). W praktyce wykorzystać można niemal dowolne dane, które posiadają informacje o współrzędnych geograficznych danego punktu i jego wysokości nad poziomem morza, np. starą mapę i punktowe pomiary GPS lub archiwalny cyfrowy model wysokościowy i naniesione na niego współczesne linie profilowe pochodzące z pomiarów satelitarnych.

Zmiany geometrii lodowca Sven (Svenbreen), Svalbard. Fot. P. Kłysz (1985) i J. Małecki (2009)

Ryc. 4. Zmiany geometrii lodowca Sven (Svenbreen), Svalbard. Wyraźnie widoczny jest spadek grubości lodu w strefie czołowej prowadzący do recesji czoła. Fot. P. Kłysz (1985) i J. Małecki (2009)

Owocem analiz w każdym przypadku jest pomiar zmian wysokości powierzchni lodowca w wielu punktach. W efekcie otrzymuje się mapę (Ryc. 6), na której widoczne są strefy o dodatnich i ujemnych zmianach wysokości (grubości). Uproszczając, zmiany dodatnie sugerują dodatni lokalny bilans netto, podczas gdy zmiany ujemne oznaczają obniżanie powierzchni i prawdopodobnie ujemny bilans netto. „Prawdopodobnie”, ponieważ zmianami geometrii lodowców nie rządzi jedynie bilans masy, ale również dynamika płynięcia lodu, którego wpływ glacjolog również musi uwzględnić w analizach. Wpływ dynamiki można jednak pominąć, jeżeli oblicza się zmianę wysokości (objętości) dla całego lodowca, a nie dla jego poszczególnych punktów. Znając średnią roczną zmianę objętości obliczyć można jego geodezyjny bilans masy, wyrażany w tych samych jednostkach co klasyczny bilans netto.

Porównanie dwóch cyfrowych modeli wysokościowych (DEM) doliny lodowca Sven (Svenbreen, Svalbard) z lat 1990 i 2009. Wyraźnie widoczne obniżanie powierzchni lodowca wskazujące na ujemny bilans masy.

Ryc. 5. Porównanie dwóch cyfrowych modeli wysokościowych (DEM) doliny lodowca Sven (Svenbreen, Svalbard) z lat 1990 i 2009. Wyraźnie widoczne obniżanie powierzchni lodowca wskazujące na ujemny bilans masy (por. ryc. 4).

Ryc. 6. Zmiany miąższości lodowca Sven (Svenbreen, Svalbard) w latach 1990-2009 w oparciu o analizę cyfrowych modeli wysokościowych (DEM). Lodowiec płynie w prawym kierunku. Najszybszy ubytek masy obserwuje się na czole. Należy zwrócić uwagę, na niemal całkowity brak stref przyrostu grubości. Por. ryc. 4 i 5. Za: Małecki (2013).

Ryc. 6. Zmiany miąższości lodowca Sven (Svenbreen, Svalbard) w latach 1990-2009 w oparciu o analizę cyfrowych modeli wysokościowych (DEM). Lodowiec płynie w prawym kierunku. Najszybszy ubytek masy obserwuje się na czole. Należy zwrócić uwagę, na niemal całkowity brak stref przyrostu grubości. Por. ryc. 4 i 5. Za: Małecki (2013).

Określenie średniego bilansu masy danego lodowca przy użyciu metod geodezyjnych jest zdecydowanie tańsze, niż wykorzystując metodę glacjologiczną. Wiele jest też głosów, że dla długich przedziałów czasowych (rzędu kilkunastu lat i więcej) jest bardziej wiarygodna. Często daje także lepszą informację o zróżnicowaniu przestrzennym zachodzących zmian, ponieważ technika ta nie jest ograniczona ilością tyczek ablacyjnych. Umożliwia ponadto analizę dużych obszarów, na których pomiary bezpośrednie są niemożliwe. Do jej głównych wad należą m.in. uzależnienie od jakości i dostępności danych topograficznych, uśrednienie bilansu dla całego analizowanego okresu bez znajomości zakresu zmienności oraz brak możliwości wnioskowania o wielkości bilansu zimowego i letniego. Oprócz tego, przeliczenie zmian objętości na faktyczną zmianę masy jest niejednoznaczne, ponieważ wymaga poczynienia pewnych założeń wstępnych o zmianach gęstości lodowca w czasie i przestrzeni, co wprowadza dodatkowe niepewności do analizy. Co ciekawe, wyniki badań prowadzonych metodą glacjologiczną i geodezyjną czasem nijak mają się do siebie, sugerując, że jedna, lub obie metody, w niektórych przypadkach zaniedbują pewne ważne elementy bilansu mas lodowych.

3. Modele bilansu masy

Bardzo ważną gałęzią badań bilansu masy są wszelkiego rodzaju modele i symulacje, oparte przede wszystkim na mniej lub bardziej zawiłych wzorach matematycznych, do których podstawiane są dane meteorologiczne. Modele te można bardzo schematycznie podzielić na empiryczne i fizyczne. Modele empiryczne są stosunkowo proste. Pełnymi garściami czerpią z poprzednich badań przeprowadzonych na danym lodowcu i w swoich wzorach wykorzystują pewne doświadczalnie określone współczynniki, np. opisujące zależność między temperaturą powietrza, a intensywnością topnienia. Modele fizyczne natomiast starają się jak najlepiej naśladować przyrodę. Kosztem prostoty i zakresu wymaganych danych, procesy zachodzące na lodowcu opisują skomplikowanymi algorytmami, uciekając się do współczynników empirycznych jedynie w ostateczności.

Obie grupy modeli mają swoich zwolenników. Modele empiryczne są szybkie w obliczeniach, ale nie odzwierciedlają do końca poprawnie fizyki lodowców. Modele fizyczne wymagają wielkiego zestawu danych, co znacząco ogranicza ich zastosowanie, ale z zasady lepiej oddają rzeczywistość. Modele obu grup dają jednak często porównywalne wyniki. Ich wspólną zaletą jest możliwość sięgania obliczeniami tak w przeszłość, jak i w przyszłość. Zawsze trzeba jednak mieć świadomość ograniczeń stosowanych modeli.

4. Metoda grawimetryczna

W ostatnich latach popularność wśród glacjologów zdobyły satelity GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), które krążąc nad Ziemią nie rejestrują odbitych od niej fal elektromagnetycznych, lecz informacje o anomaliach grawitacyjnych. Idea ich działania jest prosta – im większa jest masa zgromadzona w danym wycinku Ziemi, tym silniej przyciągane są satelity nad nim orbitujące.

Przez dekady bilans masy największych lodowców świata, czyli lądolodów Antarktydy i Grenlandii, był właściwie nieznany. Dzięki misji GRACE znacząco rozszerzyliśmy w tym zakresie naszą wiedzę, ponieważ ubytek lodu wyraźnie odbił się na grawitacji nad lądolodami. Niewątpliwą zaletą tej metody jest jej wielki zasięg przestrzenny. Wadą, niestety, jest niska rozdzielczość, uniemożliwiająca jej zastosowanie do pojedynczych lodowców czy mniejszych regionów.


Przedstawione tu metody badań zmian masy lodowców nie wyczerpują ich bogactwa, ale w mojej opinii najczęściej można je spotkać w nowoczesnej literaturze glacjologicznej. Podsumowując, metoda glacjologiczna najlepiej nadaje się do badania zmian masy lodowca z roku na rok, a metoda geodezyjna do określenia bilansu masy dla długich skal czasowych. Modele świetnie się sprawdzą tam, gdzie nie prowadzi się obecnie intensywnych badań terenowych oraz przybliżą przeszłość i przyszłość badanego lodowca. Metoda grawimetryczna jest przeznaczona do badań zmian masy całych lądolodów. Idealnie jest, kiedy dla badanej masy lodowej można zastosować więcej niż jedną z przedstawionych technik, np. glacjologiczną i geodezyjną, czy modelowanie i grawimetrię. Nawet uzyskanie niezgodnych wyników jest wtedy dla glacjologa bardzo ważną informacją, bo umożliwia pewną kalibrację danych oraz uświadamia jak wielką niepewnością obarczone są pomiary glacjologiczne.

Reklamy

8 responses to “Skąd wiemy, że lodu ubywa? Podstawowe metody badań bilansu masy lodowców

  1. Pingback: Lodowcowy gwiazdor kina | Glacjoblogia·

  2. Pingback: Miękkie podbrzusze Antarktydy rozpada się coraz szybciej | Glacjoblogia·

  3. Pingback: IGiG UAM bada zmiany zachodzące wysoko na lodowcach Spitsbergenu | IGiG UAM·

  4. Pingback: Bilans masy lodowców – podstawy | Glacjoblogia·

  5. Pingback: Bilans masy lodowców – podstawy teoretyczne | Glacjoblogia·

  6. Pingback: Komentarz do doniesień o rozroście lądolodu Antarktydy | Glacjoblogia·

  7. Pingback: Śnieżna anomalia na lodowcu Sven | Glacjoblogia·

  8. Pingback: Glacjologiczna fotografia miesiąca – 2016/04 | Glacjoblogia·

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s