O dynamice zmian wybrzeża Bałtyku Południowego w czasopismie "Quaternary Research"

Strefy przybrzeżne mórz i oceanów stanowią duże wyzwanie dla badaczy czwartorzędu ze względu na szczególną podatność na zmiany. W świecie kształtowanym przez zjawiska ekstremalne przebieg tych zmian może wywierać istotny wpływ na ludność i infrastrukturę. Na przestrzeni ostatnich 24 tysięcy lat obszar Polski podlegał szeregowi procesów geologicznych, kształtujących rzeźbę terenu do obecnej postaci.

W schyłkowej fazie zlodowacenia w późnym plejstocenie, gdy lądolód zaczął stopniowo zanikać, wody spływające z jego topniejącego czoła wypełniły nieckę na jego przedpolu formując Bałtyckie Jezioro Lodowe. Jezioro stanowiło wczesny etap rozwoju dzisiejszego Bałyku. Wskutek działania ruchów izostatycznych w holocenie (dźwigania skorupy ziemskiej po ustąpieniu lodowca) i eustatycznych (w wyniku zmian klimatycznych) zarówno poziom, jak i zasięg równoleżnikowy ówczesnego Bałtyku ulegał zmianom: regresji – cofaniu ku północy i transgresji – zwiększaniu zasięgu w kierunku południowym.

Rekonstrukcja paleodynamiki recesji lodowca, a następnie rozwoju linii brzegowej Bałtyku była możliwa dzięki zastosowaniu modelu numerycznego stworzonego w Oddziale Geologii Morza Państwowego Instytutu Geologicznego - PIB i opublikowanego pn. „Numerical model of late Pleistocene and Holocene ice-sheet and shoreline dynamics in the southern Baltic Sea, Poland” na łamach interdyscyplinarnego czasopisma Quaternary Research (© University of Washington. Published by Cambridge University Press, 2022). Model cechuje wysoka dokładność i precyzja odwzorowania, czego efektem są symulacje "w chmurze" prowadzone w spójnym środowisku przestrzennym i czasowym łączącym przeszłość, teraźniejszość i przyszłość.

Powszechnie stosowana metoda rozpoznawania dynamiki zmian brzegowych polega na zdefiniowaniu określonej liczby profili prostopadłych do brzegu (transektów), podczas gdy postulowane podejście bazuje na regulowanych w czasie rzeczywistym eksploracjach wzdłuż brzegu, prowadzonych w otwartym środowisku Desmos. Zasada działania modelu polega na zastosowaniu programowania funkcyjnego, które przyporządkowuje funkcje matematyczne poszczególnym zasięgom rozwoju lądolodu i morza, a następnie wyznaczeniu powierzchni obszaru pomiędzy dwoma kolejnymi stadiami rozwoju poprzez rachunek całkowy. Po podstawieniu wyników do wzorów, zależności paleogeograficzne automatycznie transformowane są w dynamikę w funkcji czasu, pokazaną w autoregresywnej macierzy zagnieżdżonej modelu 4F (Fig. 1).

Model numeryczny (linia przerywana) dynamiki recesji lądolodu skandynawskiego w późnym Plejstocenie

Fig.1 Model numeryczny (linia przerywana) dynamiki recesji lądolodu skandynawskiego w późnym plejstocenie (Marine Oxygen Isotope Stage 2 [MIS 2]) na podstawie Marks (2002) oraz Marks i in. (2016) (kolor czarny); dynamiki rozwoju Bałtyku Południowego w holocenie (MIS 1) (kolor niebieski) (Uścinowicz, 1995, 1999); oraz prognozy dynamiki erozji w antropocenie, w świetle przewidywanych scenariuszy wzrostu średniego globalnego poziomu morza RCP8.5 i RCP2.6: kolor czerwony, Oppenheimer i in. (2019), oraz kolor zielony, Golledge (2020), zmodyfikowane na podstawie macierzy zagnieżdżonej modelu 4F. Fazy zlodowacenia wisły: L, leszczyńska (B, brandenburska); Poz, poznańska (F, frankfurcka); Pom, pomorska; G, gardzieńska; SB, Ławicy Słupskiej; SMB, Południowej Ławicy Środkowej. Fazy rozwoju Bałtyku Południowego (Uścinowicz, 1995, 1999): BIL, Bałtyckie Jezioro Lodowe; YS, Morze Yoldiowe, AL, Jezioro Ancylusowe; LS1,wczesne Morze Litorynowe; LS2, późne Morze Litorynowe. Ikona Desmos zawiera hiperłącze do modelu 4F, ostatnio zmodyfikowanego 4 lutego 2021 r.

Model numeryczny umożliwił rozpoznanie dynamiki dobrze udokumentowanych, przeszłych procesów geologicznych, w tym dynamiki deglacjacji, w świetle paleoklimatycznych rekonstrukcji w Tatrach w plejstocenie (Fig. 2) oraz dynamiki transgresji i regresji Bałtyku w świetle krzywej zmian poziomu morza w holocenie (Fig.3).

Co więcej, model pozwala również symulować dynamikę przyszłych zmian brzegowych (erozji i akumulacji) uwzględniając ekstrapolowane liniowo spektrum przewidywanych poziomów morza, wyznaczonych z pomocą scenariuszy zmian koncentracji dwutlenku węgla (RCP, ang. representative concentration pathways). Prowadzenie symulacji jest istotne ze względu na postępujące w ostatnich latach ocieplenie klimatu, które sprzyja topnieniu lodowców i powoduje zwiększenie tempa podnoszenia poziomu oceanu światowego, wobec czego wzrasta zagrożenie erozją dla wybrzeży mórz i oceanów. Zatem znaczenie przedstawionego podejścia polega na jego bezpośredniej przydatności, zarówno do rozpoznania paleodynamiki procesów zachodzących w przeszłości (Fig. 2-3), jak i do celów prognostycznych (Fig.4), w tym podstawy planowania przestrzennego na obszarach wymagających ochrony brzegów morskich.

Paleogeograficzna rekonstrukcja zasięgów etapów zlodowacenia Wisły, zmodyfikowana na podstawie modelu 4F

Fig.2 (A) Paleogeograficzna rekonstrukcja zasięgów etapów zlodowacenia Wisły, zmodyfikowana na podstawie modelu 4F. Ikona Desmos zawiera hiperłącze do modelu 4F, ostatni dostęp 4 lutego 2021. (B) Podsumowanie rekonstrukcji paleoklimatycznych w Tatrach pochodzi od Marksa (2002) oraz Marksa i in. (2016) i jest uzupełnione o wykres dynamiki deglacjacji w funkcji czasu (Fig. 1); linia przerywana wskazuje tempo cofania się lądolodu w m/rok; czarna linia ciągła pokazuje zmiany względnych zasięgów lądolodu; LGM, ostatnie maksimum glacjalne; LG1-3, stadiały 1-3 późnego glacjału; LI1-2, interstadiały 1-2 późnego glacjału; B/A, interstadiał Bölling/Allerød; YD, młodszy dryas; H1, wydarzenie Heinricha 1 (zmodyfikowane z Marks i in, 2016), układ współrzędnych ETRS 1989 PL-1992 (EPSG 2180). Definicje skrótów - patrz Ryc. 1.

Paleogeografia (A) i paleodynamika (B) rozwoju Bałtyku Południowego w holocenie w świetle krzywej zmian poziomu morza

Fig.3 Paleogeografia (A) i paleodynamika (B) rozwoju Bałtyku Południowego w holocenie w świetle krzywej zmian poziomu morza (SLR) (Uścinowicz, 1995, 1999, 2004, 2014), Fig. zmodyfikowana na podstawie modelu 4F, ikona Desmos zawiera hiperłącze do modelu 4F, ostatni dostęp 4 lutego 2021 r.; (B) Krzywa zmian poziomów morza (SLR) dla Bałtyku Południowego (Fig. zmodyfikowane na podstawie Uścinowicz, 2004, 2014); i uzupełniona o dynamikę rozwoju wybrzeża Bałtyku Południowego. Definicje skrótów - patrz Fig. 1.

fig4

Fig.4 Prognoza zasięgu Bałtyku Południowego w antropocenie na podstawie scenariuszy gmsl-rise RCP8.5 i RCP2.6: (A) wzrost poziomu morza (SLR) o 2 m do 2190-2720 CE; (B) SLR o 5 m do 2400-3800 CE; (C) SLR o 65 m (Ziemia bez pokrywy lodowej); kolejne funkcje zaznaczone liniami przerywanymi odpowiadają poszczególnym scenariuszom: (A) fioletowy; (B) niebieski; (C) zielony; czarna linia przerywana przedstawia obecną linię brzegową, zmodyfikowaną na podstawie modelu 4F, układ współrzędnych ETRS 1989 PL-1992 (EPSG 2180). Ikona Desmos zawiera hiperłącze do modelu 4F, ostatnio zmodyfikowanego 4 lutego 2021 r.

Zastosowany model umożliwia skalowanie, a zasada jego działania jest uniwersalna, wobec czego po uwzględnieniu modyfikacji może znaleźć zastosowanie w dowolnych rejonach geograficznych, pozwalając zarówno na rekonstrukcje, jak i prognozy, również w szerszych ramach czasowych oraz większym (lub mniejszym) zakresie przestrzennym.

Wśród wyzwań na przyszłość pozostaje powiązanie wpływu warunków hydrometeorologicznych, budowy geologicznej, i inżynierii brzegowej na rozwój ruchów masowych (w szczególności osuwisk), ze zmiennością dynamiki strefy brzegowej w skali lokalnej i regionalnej. Tym niemniej, pewne kwestie związane ze zrównoważonym zarządzaniem strefą brzegową wciąż pozostają dyskusyjne, w tym przyjęcie strategii, które pozwolą zachować równowagę między bezpieczeństwem, perspektywami gospodarczymi i podejściem sprzyjającym zachowaniu naturalnych walorów krajobrazu, przy jak najmniejszej ingerencji człowieka.

Bibliografia: