Czym właściwie różni się zmarzlina od zlodowacenia? Ile lat wieczna zmarzlina musi być zamarznięta, aby można było mówić, że jest wieczną zmarzliną? W jakich rejonach świata występują największe obszary permafrostu? Jakie czynniki wpływają na istnienie obszarów przemarzniętego gruntu? Czy w Polsce występuje wieczna zmarzlina?

Dr Wojciech Dobiński podczas prac geofizycznych nad wieloletnią zmarzliną okolicy fiordu Hornsund, Spitsbergen

Wieczna zmarzlina nie musi być wieczna

Dr Wojciech Dobiński zainicjował badania zmarzlinoznawcze w Tatrach po stażu w Szwajcarii w 1992 roku, gdzie po raz pierwszy spotkał się z zagadnieniem stale przemarzniętego gruntu w Alpach. – Postanowiłem spróbować, czy czegoś podobnego nie można spotkać w Polsce. Jedynym takim obszarem, gdzie to mogło być możliwe, były Tatry. Znana jest nam wieczna zmarzlina na Syberii, ale jej istnienie związane jest z nieco innymi czynnikami. Przede wszystkim, to inne środowisko i inna, znacznie bardziej kontynentalna charakterystyka klimatyczna.

– Często tę wieczną zmarzlinę nazywano zlodowaceniem podziemnym, ponieważ towarzyszy jej występowanie lodu – zauważa dr Dobiński. – Gdy jest to woda gruntowa, to zamarza, i do tego na bardzo długo. Czym zatem jest wieczna zmarzlina? Syberyjska zmarzlina związana jest jeszcze z ochłodzeniem plejstoceńskim, czyli ma na pewno kilkadziesiąt tysięcy lat. A gdybyśmy sobie uświadomili, że zlodowacenie na Antarktydzie trwa nieprzerwanie co najmniej 20 mln lat, to możemy mówić o wieku zmarzliny w milionach lat. Jednak wieczna zmarzlina wcale nie musi być wieczna. Dlatego zmieniono nazwę na ‘wieloletnia zmarzlina’.

Wieloletnia zmarzlina to inaczej permafrost. Termin pochodzi o słów: perennially frozen ground i definiowany jest jako grunt lub skała pozostające w temperaturze równej lub niższej od 0oC przez minimum dwa kolejno następujące po sobie lata (łącznie z sezonem letnim). To jednak nie oznacza, że grunt lub skała muszą być zamarznięte. Po pierwsze, ponieważ grunt nie musi zawierać wody, do której stosuje się na ogół termin „zamarzanie” (termin „zlodowacenie” jest związany z lodowcami, czyli innym rodzajem lodu) oraz, po drugie – ponieważ punkt zamarzania wody ewentualnie obecnej w wieloletniej zmarzlinie może być obniżony nawet o kilka stopni, np. z powodu jej zasolenia lub zwiększonego ciśnienia.

Obecność wieloletniej zmarzliny może być związana z akumulacją w gruncie dużej objętości lodu, ale także występuje zmarzlina nazywana „suchą”, tj. taką, która nie zawiera lodu ani wody, gdyż jest to przemarznięta lita skała.

Obszary występowania wieloletniej zmarzliny na Ziemi

Przestrzenne występowanie wieloletniej zmarzliny może mieć charakter strefowy (horyzontalny) i piętrowy (wertykalny). Charakter piętrowy dotyczy środowiska górskiego, gdzie występowanie wieloletniej zmarzliny spowodowane jest oddziaływaniem klimatu wysokogórskiego – spadkiem temperatury wraz z wysokością. Strefowe występowanie wieloletniej zmarzliny jest efektem ochłodzenia wskutek spadku dostawy energii słonecznej wraz ze wzrostem szerokości geograficznej (zgodnie z rozkładem stref klimatycznych). Permafrost, którego występowanie ma charakter piętrowy, to permafrost górski, nazywany także alpejskim. Drugi zaś to permafrost polarny (arktyczny).

Współcześnie wieloletnia zmarzlina obejmuje ok. 24 proc. ogólnej powierzchni lądów i występuje głównie w wysokich szerokościach geograficznych. Przyjmuje się, że zmarzlina obejmująca północne części Kanady, Alaski i Eurazji (znaczną część Syberii – głównie wschodnią, w zachodniej jest obecna przede wszystkim na północnym wybrzeżu oceanu) jest pozostałością ochłodzenia plejstoceńskiego. Ze względu na to, że 39,4 proc. powierzchni półkuli północnej zajmują lądy, to właśnie tam stanowi ona strefę największego występowania na Ziemi. Wieloletnia zmarzlina półkuli północnej występuje głównie na Syberii, w północnej Kanadzie, na Alasce, w Tybecie i Himalajach, a także w Mongolii i na Grenlandii. Na półkuli południowej największym obszarem jej występowania jest oczywiście Antarktyda.

Wynik tomografii elektrooporowej na torfowisku w północnej Skandynawii, okolice Abisko. Wysokooporowa warstwa (w kolorach czerwono-brązowych) to grunt objęty permafrostem

W wysokich szerokościach geograficznych wieczna zmarzlina tworzy strefę ciągłą. Występowanie tzw. permafrostu górskiego jest natomiast efektem działania przede wszystkim spadku temperatury powietrza wynikającego ze wzrostu wysokości. Tego typu zmarzlinę można spotkać w Alpach, Andach, Kordylierach, Górach Skandynawskich, na Uralu oraz w innych wysokich górach, nawet w okolicach równikowych. Obszarem występowania szczególnego rodzaju zmarzliny jest Tybet. Ze względu na szerokość geograficzną permafrostu tego nie można zakwalifikować jako arktycznego (strefowego), natomiast w związku z tym, że obejmuje on obszar płaskowyżu a nie teren górski, trudno opisać go jako permafrost alpejski (piętrowy), mimo że granica 500 m n.p.m. została znacznie przekroczona. Natomiast występującą w okolicach Hornsundu (fiord w południowej części Spitsbergenu) wieloletnią zmarzlinę trzeba zaliczyć do arktycznej, chociaż na charakter jej występowania wpływa zróżnicowanie pod względem wysokości i rzeźby terenu. Występowanie permafrostu górskiego jest w bardzo wielu miejscach w bliskiej relacji ze zlodowaceniem, np. w masywie Jotunheimen, w Skandynawii.

Wieloletnia zmarzlina w Tatrach

Odkrycie permafrostu w Tatrach to połowa lat 90. ubiegłego stulecia. Poświęcony był temu doktorat W. Dobińskiego. Wykonanie przez niego współczesnych badań terenowych na Kasprowym Wierchu było możliwe dzięki dwóm projektom badawczym. Pierwszy z nich to projekt komercyjny zrealizowany w 2004 roku przy współpracy z Instytutem Systemów Przestrzennych i Katastralnych w Gliwicach, finansowany przez Polskie Koleje Linowe. Jego celem było opracowanie ekspertyzy geotechnicznej na potrzeby przebudowy kolei linowej na Kasprowy Wierch – odcinka powyżej Myślenickich Turni. Drugi projekt był zatytułowany Warunki graniczne i czasowo- przestrzenna zmienność występowania premafrostu w górskim środowisku peryglacjalnym wybranych obszarów Tatr, Laponii i Spitsbergenu na podstawie badań geofizycznych i klimatycznych, finansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w latach 2007–2010.

Łańcuch Tatr jest najwyższym masywem górskim Karpat Zachodnich. Obejmuje powierzchnię 750 km2. Wschodnia część, Tatry Wysokie, to grupa górska wznosząca się na wysokość ponad 2600 m n.p.m. Tatry Wysokie zbudowane są niemal wyłącznie ze skał granitowych, a Kasprowy Wierch stanowi pod względem tektonicznym nasuniecie, tzw. wyspę skał krystalicznych. Średnia temperatura powietrza niższa od 0oC jest właściwa dla wysokości powyżej 1850 m n.p.m. Występuje tam średnio 135 mroźnych dni w ciągu roku, zaś średnia roczna temperatura wynosi na Kasprowym Wierchu -0,9oC. Na najwyższych szczytach tatrzańskich spada do -4oC.

W wyniku badań prowadzonych w Tatrach dr Dobiński stwierdził, że obszar wieloletnio przemarznięty obejmuje ok. 100 km².

– Oczywiście zmarzlina inaczej rozkłada w poszczególnych częściach Tatr, np. w zależności od tego, czy są to stoki północne czy południowe. W wyniku obserwacji można domniemywać, że taki przemarznięty grunt jest np. na północnych stokach Tatr powyżej 1700 m n.p.m., w grubych blokowiskach, stożkach piargowych, w jęzorach gruzowych, gdzie do tego jest jeszcze specyficzny typ cyrkulacji lokalnej – zauważa naukowiec z Wydziału Nauk o Ziemi.

Na Kasprowym Wierchu grunt przemarza do głębokości ok. od 1,7 do 2 m, a taje do wartości od 1,7 do 1,8 m. Badacz podkreśla jednak, że od początków lat 90. ubiegłego wieku obserwowane jest ocieplenie, które wyraźnie wpływa na utrzymywanie się wieloletniej zmarzliny. Wilgotny klimat, a zwłaszcza wysoka pokrywa śnieżna, nie sprzyjają przemarzaniu gruntu na tym obszarze.

– Wieloletnia zmarzlina jest fenomenem, którego geneza wiąże się z klimatem – dodaje dr Dobiński. – Gdy klimat się zmienia, to może jej przybywać lub ubywać. Podczas ocieplenia klimatycznego zmarzlina ulega degradacji – z pewnym opóźnieniem, oczywiście. Jednak obecnie w Tatrach nie są prowadzone jeszcze badania, które mogłyby jednoznacznie potwierdzić tę tezę. To, na czym się opieramy, to informacje pośrednie. A ponieważ nie ma bezpośredniego dowodu, to w oparciu o pośrednie dane trudno ocenić jednoznacznie tę zmienność.

Występowanie permafrostu w północnej Skandynawii

Styk litosfery, hydrosfery, atmosfery i kriosfery to najlepszy obszar dla badań interdyscyplinarnych

Badania dr. Dobińskiego nad wieloletnią zmarzliną w Tatrach sprowokowały go do dalszych studiów nad jej obecnością w górach, w szerszym zakresie. Aby lepiej zrozumieć i wyjaśnić, w jaki sposób wieloletnia zmarzlina występuje w środowisku górskim, podjął się badań porównawczych w innych regionach Europy, m.in. w środowisku Gór Skandynawskich okolic Abisko (jeziora Torneträsk), w północnej Szwecji. Klimat badanego obszaru charakteryzuje się ujemną średnią temperaturą powietrza: od -4,5oC na wysokości ok. 1350 m n.p.m. do -0,9oC w Abisko, 380 m n.p.m. Pokrywa śnieżna ma tu niewielką grubość, sięgającą od 20 do 55 cm. W krajobrazie tego terenu dominuje roślinność torfowa oraz karłowate brzozy. Górna granica lasu brzozowego sięga 600 m n.p.m., a od wysokości ok. 700 m n.p.m. rozciąga się piętro alpejskie z łąkami i wrzosowiskami. Ponieważ wysokość Abisko nie przekracza 500 m n.p.m., można uznać, że występująca tu zmarzlina to permafrost subarktyczny, a nie górski.

W wyniku prowadzonych badań okazało się, że podobnie jak w innych analizowanych miejscach, widać wyraźnie trend wskazujący na ocieplanie się klimatu, a w konsekwencji – ocieplenie górnej warstwy permafrostu. Przebieg tego ocieplenia jest jednak zróżnicowany w zależności od położenia. W północnej Skandynawii, w rejonie Abisko doszło do przejścia z klimatu sprzyjającego do klimatu, który powoduje jego degradację. Podobnie jest w Tatrach na wysokości ok. 1900 m n.p.m. Odwrócenie się warunków klimatycznych w rejonach subarktycznych nie oznacza jednak szybkiej degradacji permafrostu, który sięga dość głęboko – co najmniej kilka, kilkanaście metrów – a dotyczy jedynie warstwy wierzchniej. Również w innych miejscach, np. Hornsundzie czy Tatrach, występowanie wieloletniej zmarzliny nie jest zagrożone. Panujące tam warunki nie wskazują na to, aby w ciągu najbliższych kilkudziesięciu lat mogło dojść do całkowitej degradacji permafrostu, może co najwyżej dojść do ocieplenia warstwy czynnej zmarzliny oraz zwiększenia jej miąższości.

Pomocna literatura: W. Dobiński, Wieloletnia zmarzlina w wybranych obszarach Tatr, Gór Skandynawskich i Spitsbergenu w świetle kompleksowych badań geofizycznych i analiz klimatologicznych, Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, Katowice 2011.