XIV Sympozjum Polarne, Lublin 1987

Instytut Geografii, Zakład Hydrografii Uniwersytetu M. Kopernika, Toruń

CZESŁAW PIETRUCIEŃ, RAJMUND SKOWRON

Wpływ zjawisk wodnych na głębokość rozmarzania gruntu na Ziemi Oscara П (NW Spitsbergen)

Water phenomena influence on the thickness on the Oscar II Land (NW Spitsbergen)

W trakcie kolejnych Toruńskich Wypraw Polarnych na Ziemię Oscara II (NW Spitsbergen) w la-tach 1982 i 1985, autorzy przeprowadzili obserwacje głębokości i tempa rozmarzania gruntu pod wpływem zjawisk wodnych. Badaniami objęto zarówno obniżenia płytkich jezior tundrowych, jak i łożysk rzecznych oraz przylegających do nich kęp tundrowych lub wałów brzegowych. Rozmiesz-czenie badanych obiektów przedstawia rye. 1. Ich sytuacja wysokościowa była zróżnicowana. Prof; obserwacyjny Rzeki Waldemara znajdował się w poziomie ok. 1 -3 m npm, zaś punkty pomiarowe w nieckach jeziornych usytuowane były na znacznych wysokościach. Jeziorko określone umownie literką „А" (1,7 tys. m2) położone jest w północnej części Kaffióyry na wysokości 10,2 m npm, natomiast jeziorko ,3" (6,7 tys. m2), usytuowane jest w południową części Sarsóyry na wysokiej terasie w poziomie ok. 40 m npm. Obydwie niecki stanowią niewielkie zagłębienia między dawny-mi wałami, burzowymi, wypełnione stale wodą pochodzenia roztopowego i z degradaq'i wieloletniej ararzliny. Wjeziorkach tych obserwowano znaczne zmiany poziomu wody (10-45 cm), które powt dowały pod koniec sezonu letniego, zmniejszenie ich pojemności o 40-80%. Zróżnicowanie wyso-kościowe wymienionych jeziorek wiąże się z loka lizacją i tempem podnoszenia zachodniego wybrze ża Spitsbergenu w okresie polodowcowym (M. Klimaszewski 1960).

Badania, których wybrane wyniki będą poniżej przedstawione, miały na celu uchwycenie zależ ności jakie mogą mieć miejsce między tempem i głębokością rozmarzania gruntu a stopniem uwil gotnienia terenu, wyrażonego w skrajnym wypadku występowaniem wód powierzchniowych. Uwjględniono także w obserwacjach rodzaj i stopień pokrycia szatą roślinną oraz charakter litolo-giczny pod łoża.

Zjawisko wpływu wilgotności gruntu na tempo odmarzania nie jest w literaturze zagadnieniem nowym. Znanyjest pogląd, że wzrost wilgotności prowadzi do wzrostu przewodnictwa cieplnego gruntu, a tym samym do szybszego tempa odmarzania (J. Kossowski, E. Sikora 1978, J. R Mon-teith 1977). Bliższe informacje dotyczące głębokości odmarzania gruntu zawiera praca G. Stableina (1970). Autor oprócz prezentacji własnych poglądów, dokonije przeglądu badań prowadzonych przez innych autorów. Zawiera ona podstawowe informacje dotyczące wpływu klimatu i wysokości położenia obszarów na głębokość odmarzania, jej zróżnicowania przestrzennego oraz schemat u let-niego odmarzania. Większość tych badań koncentrowała się wpohriniowo-wscliodnicj.bądż pół-nocno-zacliodniq części Spitsbergenu.

Osobny rozdział tworzą polskie badania nad rozmarzaniem gruntu, które przeprowadzone były głównie w rejonie Itornsundu (Z. Czeppe 1960,1961,1966,S. Baranowski 1968, A. Jalm 1961, 1982, M. Grześ, Z. Babiński 1979). Od 1977 r. uczestnicy Toruńskich Wypraw Marnych prowadzą badania degradacji wieloletniej zmarzliny na Kaffióyrze i Sarsoyr/e (Oscar II Land); Lbtyc/yłyone

120

dotychczas zróżnicowania głębokości odmarzania, jak również tempa przyrostu warstwy czynnej oraz przestrzenną jej zmienności (K. Marciniak i in. 1981, К. Marciniak, W. Szczepanik 1983). Pró-bą ujęcia przestrzennego zróżnicowania miąższości warstwy czynnej wzdłuż całego zachodniego wybrzeża Spitsbergenu jest praca M. Grzesia (1985). Autor przedstawia w nią schemat przebiegu rozmarzania oraz przeprowadza analizę tempa przyrostu warstwy czynnej w zależności od rodzaju podłoża (środowiska), przyjmując za początek tego procesu połowę czerwca.

Obserwacje przeprowadzone w ramach prac terenowych przez Toruńskie Wyprawy Polarne wy-kazały, że miąższość warstwy czynnej osiągała pod koniec sierpnia .maksymalne wartości; na obsza-rach pokrytych tundrą -101,2 cm, a na sandrach bez pokrywy roślinnej i silnie uwilgotnionych ok. 116 cm (K. Marciniak, W. Szczepanik 1983). W badaniach tego problemu zwracano szczególną uwagę na wpływ klimatu, skład litologiczny i strukturę gruntu oraz pokrywę roślinną, natomiast nie uwzględniono uwilgotnienia terenu i występowania zbiorników wód powierzchniowych;

• Autorzy niniejszego opracowania zdecydowali się rozpoznać to zagadnienie w odniesieniu do obszarów o zróżnicowanym uwilgotnieniu, a także w podłożu kilku zbiorników wodnych.

Badania (na Kaffióyrze i Sarsoyrze) przeprowadzono w dwóch sezonach letnich (1982 i 1985) w tych samych profilach pomiarowych. Obserwacji dokonywano w odstępach 2-tygodniowych, me-todą udarową z dokładnością 1 cm. Miąższość warstwy czynnej mierzono 3-krotnie uśredniając wynik. Ze względu na czas trwania ekspedycji, który obejmował najczęściej miesiące lipiec i sier-pień;, obserwacje rozmarzania rozpoczynano już w okresie znacznego zaawansowania procesu. Za początek okresu rozmarzania przyjmuje się najczęściej datę 1 czerwca (początek ablaqi) (L. Troic-ki i in. 1975), cliociaż w niektórych przypadkach mogą zachodzić odstępstwa od tego terminu. Ostatnich pomiarów dokonywano na przełomie sierpień i wrzesień. Uzyskane wyniki wskazują, że następowało w tym czasie zatrzymanie procesu rozmarzania, a nawet ponowny przyrost wielolet-niej anarzliny. Pozwala to sądzić, iż za każdym razem została osiągnięta najwyższa dla danego se-zonu miąższość warstwy czynnej. Daje to podstawę do poważnej oceny tempa i zróżnicowania głę-bokości roanarzania gruntu w zależności od warunków wilgotnościowych, litologicznych i roślinnych.

Zagadnienie to doskonale ilustruje ryc„ 2 przedstawiająca miąższość warstwy czynnej na począt-ku i przy końcu okresu obserwacji w profilu przebiegającym od łożyska Rzeki Waldemara poprzez zróżnicowane wilgotnościowo typy tundry, piaszczysty wał brzegowy aż do brzegu morza.. Górna linia, odpowiadająca pomiarom z dnia 1 lipca, charakteryzuje sytuację z początku procesu odmarza-nia. Miąższość warstwy czynną jest na ogół niewielka. W punkcie 15, na skraju łożyska miała ona wartość zerową, a najwyższe wartości rozmarzniętego gruntu zanotowano na wale brzegowym (60 an) oraz w strefie suchej tundry (pkt 14 i 20).

Maksymalną miąższość warstwy czynnej zaobserwowano w dniu 24 sierpnia. Późniejsze pomiary notowafy przyrost wielbletniej znnrzliny, stąd też do rozważań nad tempem rozmarzania przyjęto jako końcowy termin 24 sierpnia. Dacie tej odpowiada środkowa linia na wykresie. Zwraca uwagę nierównomierny p-zyrost warstwy odmarzniętej gruntu. Największa miąższość warstwy czynnej wy-stępowała w tym czasie na linii wyaiaczającej średni poziom morza (pkt 2). pod korytami rzek (pkt 8 i 18) oraz w innych obszarach o większej miąższości (pkt 12). Najmniejszy postęp odmarzania za-notowano na wale brzegowym i obszarach Suchej, wyniesionej tundry (pkt 5,14 i 20). Wyraża to li-nia zakreślająca różnicę miąższości warstwy czynnej między 1 lipca i 24 sierpnia 1985 r. Jej przebieg jest odwrotnością dwóch poprzednich, a wyznaczone raą wartości pozwalają na określenie tempa rozmarzania gruntu (tab. 1).

Z analizy tab. 1 wynika, że było ono najwyższe w punktach 2,8. 11 i 18. Wszystkie one odpo-

121

wiadąją obiektom wodnym lub obszarom o dużej wilgotności gruntu (pkt U). Najniższe tempo degra-dacji wieloletniej zrrarzliny zanotowano zaś ra piaszczystym wale brzegowym (pkt 5), zaledwie 0,7 cm/dobę i suchych kępach tundrowych (pkt 14 i 20).

Równocześnie z obserwacjami w profilu obejmującym obszary o różnym stopniu uwilgotnienia, prowadzono badania rozmarzania gruntu w podłożu i otoczeniu dwóch niecek jeziornych o zróżnico-wanej obj ętości zawartej w nich wody.

Jeziorko „A" jest typowym, małym i płytkim zbiornikiem tundrowym (tab. 2). Niecka jeziorka ,3" jest znacznie większa i głębsza, oo uwidacznia się także na ryc. 3. Daty opisujące linie profilo-we w jednym i drugim wypadku wskazują na stan rozmarzania gruntu ra początku obserwaqi oraz w momencie maksymalnej miąższości warstwy czynnej. W obydwu wypadkach można mówić o po-dobnych zależnościach ale stopień ich jest zróżnicowany. W otoczeniu jeziorka , A" rozmarznięde gruntu w pierwszych dniach lipca (3.07.1985) osiągnęło znaczniejsze rozmiary niż w jego podłożu. Różnica dochodziła do 32 cni W miarę upływu czasu i ogrzewania się wody w zbiorniku, następuje szybki przyrost warstwy czynnej w podłożu jeziorka. Stąd też przy końcu sezonu letniego, zarówno całkowita jej miąższość jak i różnica wartości z pierwszego i ostatniego pomiaru jest tu największa. Wiąże sięztym zagadnieniem tempo degradacji wieloletniej zmarzliny. Ilustruje to tab. 3, przedsta-wiająca szybkość rozmarzania gruntu w podłożu i otoczeniu omawianego jeziorka. Jak widać tem-po przyrostu warstwy czynną jest zróżnicowane w czasie i przestrzeni. Było ono największe w lipa , szczególnie w jego pierwszą połowie, a znacznie mniejsze w sierpniu, kiedy powoli ustaje. Zróżnioo wanie przestrzenne ilustrują najlepiej wartości średnie za cały okres badawczy. Zwraca uwagę fakt, iż najwyższe wartości charakteryzujące tempo rozmarzania, zawarte są w granicach linii brzegowej jeziorka. Jeszcze bardziej jaskrawe zróżnicowanie przebiegu rozmarzania gruntu zaobserwowano w otoczeniu jeziorka ,3" • Jest to zbiornik znacznie większy od jeziorka , Д", tak pod względem po-wierzchni jak i pojemności. Ten fakt znajduje oizwierd<rite, zarówno w tempie formowania się, jak i miąższości warstwy czynnej (ryc. 3). Różnica głębokości rozmarznięcia gruntu między 4 lipca a 17 sierpnia 1985' r. w podłożu tego jeziorka jest szczególnie duża i w skrajnych wypadkach trzy-krotnie przekracza postęp w jego otoczeniu. Należy także dodać, że wartości bezwzględne głębo-kości rozmarzania są tu bardzo duże, nierzadko przekraczające 150 cm, nie spotykane w badaniach jeziorka „A".

Analiza rys. 3 stwarza możliwości porównania przebiegu procesu rozmarzania w otoczeniu dwóch ( różniących się parametrami zbiorników. Obok wyżej zaobserwowanych zróżnicowań, wpływ wielko ści masy wodnej na przebieg procesu rozmarzania ilustruje zestawienie tempa degradacji wieloletnią zmarzliny dla Omawianych zbiorników (tab. 4). Dla jeziorka ,3" j est ono znacznie wyższe, ale także bardziej zróżnicowane. W podłożu zbiornika osiąga om wartości najwyższe, docl*xlzące do 3,59 cm na dobę, zaś w otoczeniu niewiele przekracza 1 cm/dobę. Tenrpo rozmarzania gruntu w rejonie mniejszego zbiornika jest wyraźnie niższe i nie przekracza w wartościach średnich 2 cm/dobę. Jest także mniej: zróżnicowane, kształtując się w zakresie 1,6 do 2.0 cni/dobę.

Powyższe spostrzeżenia i obliczenia prowadzą do następujących wniosków: —badania przeprowadzone w iatach 1982 i 1985 na terenie Kaffióyiy i Sarsoyrv potwierdziły

wpływ wilgotności gruntu na głębokość i tempo rozmarzania, --jest on szczególnie widoczny w otoczeniu zbiorników wód powierzchniowych, — zakres oddziaływańia wód powierzclmiowych na degradację wieloletniej znwr'iny jest u/ależ-'

niony od wielkości zbiornika i nagromadzonego w nim ciepła,

122

- w początkowym okresie procesu rozmarzania (czerwiec, początek lipca), chłodne masy wód po-wierzchniowych konserwują wieloletnią zmarzlinę i obniżają tempo jej degradacji,

- najwyższe tempo rozmarzania występuje w lipcu, kiedy temperatura wody i powietrza osiągają swoje maksimum,

- przeciętne tempo degradacji wieloletniej zmarzliny pod zbiornikami wodnymi i w obszarach o podwyższonej wilgotności jest wyższe od natężenia tego procesu w obszarach przyległych,

-wartości bezwzględne miąższości warstwy czynnej pod zbiornikami wód powierzchniowych osiągaj ą najwyższe wartości.

LITERATURA

Baranowski S., 1968, Termika tundry peryglacjalnej, S\V Spitsbergen, Acta Univ. Wratisl., 68. Czeppe Z., I960, Thermic differentiation of the active layer and its influence upon the frost heave

in periglacial region (Spitsbergen), Bull. Acad. Polon. Sci., Ser. Sci. Geol. et Geogr., 8, 2. Czeppe Z., 1961, Roczny przebieg mrozowych ruchów gruntu w Hornsundzie (Spitsbergen) 1957/58,

Zesz. Nauk. UJ, Prace Geogr., Ser. nowa 3. Czeppe Z., 1966, Przebieg głównych procesów morfogenetycznych w południowo-zachodnim Spits-

bergenie, Zesz Nark. UJ, Prace Geogr., 13. Grześ M.. Babiński Z., 1979, Z badań nad letnim odmarzaniem gruntu na Spitsbergenie i w Mongolii

(w:) Materiały VI Sympozjum Polarnego. Grześ M., 1985, Warstwa czynna wieloletniej zmarzliny na zachodnim wybrzeżu Spitsbergenu, Przegl.

Geogr.. t. LVII. z. 4. Jahn A., ! 961. Quantitative analysis of some periglacial processes in Spitsbergen, Zesz. Nauk UJ,

ser. В, nr 5. Jahn A.. J 982, Soil thawing and active layer of permafrost in Spitsbergen (w:) Res. of invest, of the

Pol. Sci. Spits. Exp., vol. 4, Acta Univ. Wratisl., No. 525. Klimaszewski M., 1960, Geomorphological studies of the western part of Spitsbergen between Kongs-

fjorden and Iiidembukta, Zesz. Nauk. UJ, 32, Pr. geogr. 1. Kossowski J.. Sikora 1:., 1978, Cieplne właściwości gleb i metody ich wyznaczania, Probl. Agrofiz., 27 Marciniak K., Szczepanik W., Przybylak R., 1981, Letnic odmarzanie gruntu na Kaffioyrze (NW Spits-

bergen), (w:) Materiały VIII Sympoz. Polar. 1. Marciniak K., Szczepanik W., 1983, Results of investigations over the summer ground thawing in the

Kaffioyra (N\V Spitsbergen), Acta Univ. Nicolai Coper., Geografia XVIII, z. 56. Monteith J. R. L., 1977,1'izyka s'rodowiska biologicznego, Biblioteka Problemów, 232, PWN. Stablein G., 1970, Untcrsuchung der Auftauschicht tiber Dauerforst in Spitsbergen, Eiszeitalter u. Ge-

gendwart.Bd 21. Troicki I.. S.. SingeT L. N1., i in., 1975, Oliedienienije Szpicbiergiena (Sialbarda) (w:) Rez. Issl. po

miezd. geofiz. proj., Izdat. Nauka.

Rys. 1. Lokalizacja stanowisk obserwacyjnych: 1 - moreny czołowe, 2 - masywy górskie, 3 - profil obserwacyjny ..Rzeka Waldemara - morze". 4 - klify, 5 - jeziora w otoczeniu których prowadzo-no obserwacje rozmarzania gruntu. 6 - baza TWP.

Rys. 2. Głębokość rozmarzania gruntu w profilu obserwacyjnym „Rzeka Waldemara - morze". Rys. 3. Głębokość rozmarzania gruntu w nieckach jezior A i В (patrz rys. 1) w wybranych terminach.

л

i.

I