Wpływ zmian klimatycznych i cyrkulacji wód

Wpływ zmian klimatycznych i cyrkulacji wód
na morfodynamikę brzegów Południowego Bałtyku
prof. dr hab. Stanisław Musielak
Uniwersytet Szczeciński, Wydział Nauk o Ziemi, Instytut Nauk o Morzu
e-mail: [email protected]
1. Wstęp
Zmiany klimatyczne wpływają na cyrkulację wód u brzegów Południowego Bałtyku
uaktywniając wiele czynników i złożonych procesów, których natężenie i kierunki zmieniają
się w czasie i przestrzeni. Pulsacyjne zmiany ciśnienia i ruchy powietrza przemieszczającego
się nad wodą i lądem, występujące w atmosferze, wywołują wiatr stanowiący główne źródło
energii fal i prądów oraz wahań poziomu wody, a także procesy eoliczne, działające na plaży
i wydmach nadmorskich. Obserwowane w strefie brzegowej zjawiska morfodynamiczne mają
wiele uwarunkowań, wynikających z budowy geologicznej, morfologii brzegu i zmienności
warunków hydrologiczno-meteorologicznych (Musielak, 2013). Nie udało się jednak
stworzyć kompleksowego modelu funkcjonowania systemu strefy brzegowej, który
uwzględniałby jej rozwój w czasie i przestrzeni, chociaż podejmowane były próby określenia
występujących pomiędzy nimi zależności (Musielak, 1978; Massel, 1989; Pruszak, 1998;
Zawadzka-Kahlau, 1999, 2012). Z tego względu konieczne jest prowadzenie dalszych badań
oraz monitoringu zmian zachodzących w tej strefie i ich modelowanie, umożliwiające
prognozowanie zdarzeń.
Celem niniejszego referatu jest przedstawienie wpływu zjawisk i procesów
wywoływanych przez zmiany klimatyczne na rozwój brzegów Południowego Bałtyku.
Rozważania oparto na opublikowanych wynikach prac badawczych, prowadzonych
w różnych ośrodkach naukowych, w tym przede wszystkim w Instytucie Nauk o Morzu
Uniwersytetu Szczecińskiego.
2. Procesy hydrodynamiczne i ich rola w morfodynamicznym rozwoju brzegów
Falowanie i prądy przybrzeżne oraz zmienność położenia powierzchni wody w strefie
brzegowej, określane jako wahania „poziomu morza”, abrazja klifów i dna morskiego,
transport osadów oraz ich akumulacja, to najważniejsze procesy, które przez ostatnie
tysiąclecia formowały wybrzeże Południowego Bałtyku. Nakładały się one i przenikały
nawzajem, dynamicznie oddziałując na strefę brzegową oraz dno morskie. Intensywnie je
przekształcały (Musielak, 2006, 2013), wpływając na jego obecną postać i tworzyły różne
rodzaje specyficznych form rzeźby.
Prądy przybrzeżne, tj. wzdłużbrzegowe prądy energetyczne, powrotne prądy
kompensacyjne (prostopadłe do brzegu), a także rozrywające prądy gradientalne, wywołane
przez lokalne różnice stanów morza, odgrywają istotną rolę w morfodynamice strefy
brzegowej, polegającą na przekształcaniu rzeźby i transporcie osadów (Furmańczyk,
Musielak, 1999).
1
Za najważniejsze w akwenach mórz bezpływowych takich jak Bałtyk, uznaje się
falowanie, będące procesem bardzo złożonym i zróżnicowanym z powodu dużej zmienności
wywołujących je wiatrów. Krótkookresowe falowanie wiatrowe przekazuje największą ilość
energii w kierunku dna, wpływając na intensywność ruchu osadów. Stwierdzono, że właśnie
to falowanie decyduje o zmianach rzeźby przybrzeża i abrazji brzegu (Massel, 1989; Basiński
i in., 1993). Fale przemieszczające się z obszarów głębokowodnych w kierunku lądu
podlegają silnej transformacji wskutek intensywnego oddziaływania dna, co kończy się ich
załamaniem. Zmniejszające się głębokości akwenu stanowią specyficzny filtr korygujący
wysokość przemieszczających się fal i rozproszenie niesionej przez nie energii, tzw. stretacja
(Musielak, 1978).
Stwierdzić należy, że najbardziej znacząco na morfodynamikę brzegów wpływają
wahania „poziomu wody”, powodujące przesuwanie się strefy załamywania fal i działania
prądów przybrzeżnych w stronę lądu, co stwarza zagrożenie dla nadwodnej części strefy
brzegowej, w tym erozję plaży, rozmywanie wydm, jak również niszczenie umocnień
brzegowych (Musielak, 2006).
3. Wpływ wahań poziomu morza na morfodynamikę brzegów
Przyczyną wahań poziomu morza jest eustatyczne podnoszenie lub obniżanie poziomu
wody w oceanie światowym, będące zjawiskiem o charakterze globalnym, a także
podnoszenie lub obniżanie lądu, wynikające z tendencji glacjoizostatycznych, występujących
na obszarze Bałtyku w okresie polodowcowym (Mörner,1980; Rotnicki, Borzyszkowska,
1999; Uścinowicz, 2003). Zmiany w strefie przybrzeżnej mogą mieć charakter drgań
okresowych (pływy, sejsze) lub nieokresowych (fale baryczne, wezbrania sztormowe, dopływ
wód rzecznych). Podnoszenie się poziomu wody w strefie przybrzeżnej, wywołuje wzmożoną
aktywność procesów abrazji, doprowadzając często do sytuacji katastrofalnych, takich jak
przerwanie mierzei (Półwysep Helski), intensyfikacja procesów osuwiskowych na klifach
(Jastrzębia Góra i Śliwno Bałtyckie), zanik plaży (Ustronie Morskie, Kołobrzeg) i powodzie
sztormowe w miejscowościach nadmorskich (Musielak, 2013).
Krótkookresowe wahania powierzchni wody w strefie brzegowej następują
w przedziale czasowym od kilkunastu minut do kilku dni. Należą do nich oscylacje pośrednie
pomiędzy falowaniem wiatrowym a wahaniami sezonowymi. Najważniejsze są zjawiska
zwane wezbraniami sztormowymi. Każde podwyższenie powierzchni wody w strefie brzegu
powoduje erozję, szczególnie widoczną podczas ekstremalnych sztormów (Musielak S.,
Wochna S., 2006). Przykładem tego procesu jest erozja brzegu Mierzei Bramy Świny, która
nastąpiła pod wpływem wezbrania sztormowego 12.09.2003 r.
Sezonowe zmiany położenia poziomu wód, zarejestrowane na mareografach
w Świnoujściu, Kołobrzegu, Ustce, Władysławowie i Gdańsku, związane z napełnianiem
akwenu Morza Bałtyckiego, ich średnich i ekstremalnych wartości, przeanalizowano za okres
1948-2006 (Wolski i in., 2012). Stwierdzono, że amplitudy pomiędzy ekstremalnymi
wartościami rocznymi na ww. stacjach pomiarowych nie różniły się znacząco i wynosiły:
w Świnoujściu 3,03 m, w Kołobrzegu 2,77 m, w Ustce i Władysławowie 2,32 m oraz
w Gdańsku 2,30 m. Podobnie jak krótkookresowe zmiany sztormowe, bezpośrednio wpływają
one na przebieg procesów erozyjnych i akumulacyjnych zachodzących w strefie brzegowej
w profilu plaży (Musielak S., 2006). W sezonach sztormowych (jesień-zima), gdy poziom
2
wód jest wysoki, zachodzi intensywne rozmywanie wzdłuż całego profilu poprzecznego
brzegu. W czasie wiosenno-letnim, przy braku silniejszego falowania i niskim stanie wody,
materiał osadowy jest akumulowany. Sezonowa zmienność szerokości plaży (rozmywanie
w sezonie jesienno-zimowym i odbudowa w okresie wiosenno-letnim), zostanie pokazana
na przykładzie wybranego odcinka Wybrzeża Trzebiatowskiego w rejonie Dziwnówka.
Wieloletnie wahania poziomu morza są spowodowane głównie długookresowymi
zmianami w przebiegu zjawisk meteorologicznych i hydrologicznych, zachodzącymi w ciągu
kilku, kilkunastu lub kilkudziesięciu lat.
Podnoszenie się poziomu wody w strefie przybrzeżnej, zarówno w skali
krótkookresowej jak i wieloletniej, powoduje zachwianie stabilności brzegu i pojawienie się
procesów intensywnej erozji widocznej na brzegach klifowych i wydmowych. Stwarza ono
również zagrożenie dla zlokalizowanej w tej strefie infrastruktury. Innymi negatywnymi
zjawiskami wynikającymi z podnoszenia się poziomu morza są: powodzie sztormowe oraz
wynoszenie materiału osadowego poza strefę brzegową, co osłabia odporność brzegu na
procesy erozyjne. W referacie przedstawione zostaną przykłady zniszczenia infrastruktury
strefy brzegowej spowodowane erozją zachodzącą podczas sztormów przy ekstremalnym
położeniu poziomu morza.
4. Zakończenie
Strefa brzegowa odgrywa ważną rolę nie tylko pod względem przyrodniczym, ale ma
również duże znaczenie gospodarcze, gdyż na jej obszarze intensywnie rozwijają się
różnorodne formy działalności człowieka. Jak wynika ze źródeł historycznych, antropopresja
w strefie Południowego Bałtyku trwa z różnym natężeniem już od połowy XIX wieku.
Obecnie na terenie polskiego wybrzeża, mającego powierzchnię około 2% terytorium kraju,
mieszka ponad 1,8 mln ludzi (Dutkowski, 2006), a liczba ta znacznie zwiększa się wskutek
wzmożonego ruchu turystycznego w okresie wakacyjnym, co nie pozostaje bez wpływu na
stan środowiska. Procesy wywoływane przez zmiany klimatu (w tym wzrastający poziom
morza), powodują m.in., cofanie się brzegów, co jest zjawiskiem naturalnym, natomiast
działalność człowieka, zmierzająca do pozostawienia brzegu w niezmienionym położeniu jest
postępowaniem wbrew prawom przyrody.
W ostatnim czasie odnotowano olbrzymi postęp w badaniach procesów zachodzących
w strefie brzegowej (Holland, Holma, 1996; Furmańczyk, Musielak, 1999; Uścinowicz, 2003;
Karpiński i in., 2007; Pruszak i in., 2008; Wiśniewski, Wolski, 2009; Zawadzka-Kahlau,
1999, 2012), ale nadal prognozowanie zmian w dużym stopniu opiera się tylko na modelach
prawdopodobieństwa. Działania zapobiegawcze, związane z problemem erozji wymuszają
konieczność dokładnego rozpoznania i ciągłego rejestrowania zachodzących zmian.
Pomocnym w tym względzie stał się rozwój nowoczesnych metod badawczych, w tym
zastosowanie innowacyjnych technik pomiarowych, odbiorników działających w oparciu
o Globalny System Nawigacji Satelitarnej (Global Navigation Satelite System – GNSS), które
umożliwiają ciągłą, powtarzalną i szybką rejestrację wybranych elementów strefy brzegowej
we wszystkich porach roku, w różnych warunkach hydrometeorologicznych.
Dzięki nowoczesnej aparaturze pomiarowej i skonstruowaniu zintegrowanych
urządzeń skanowania laserowego LiDAR, można obecnie przeprowadzać precyzyjne pomiary
rzeźby, pozwalające na tworzenie dokładniejszego niż do tej pory kartograficznego obrazu
3
zmian zachodzących zarówno w nadbrzeżu, jak i podbrzeżu (Dudzińska-Nowak, Wężyk,
2006). Jednakże nadal brakuje zsynchronizowania pomiarów z rejestracją czynników
wywołujących te zmiany, takich jak wahania powierzchni wody w strefie przybrzeżnej.
Istnieje potrzeba stałego monitorowania zjawisk klimatycznych, wpływających na procesy
morfodynamiczne zachodzące wzdłuż całego polskiego wybrzeża oraz ich modelowania,
a także prognozowania.
Literatura
Basiński T., Pruszak Z., Tarnowska M., Zeidler R., 1993, Ochrona brzegów morskich,
Wydawnictwo IBW PAN, Gdańsk.
Cieślak A., 2005. Strategia ochrony brzegów [w:] Furmańczyk K, (red.), ZZOP w Polsce –
stan obecny i perspektywy, Problemy erozji brzegu, INoM, Szczecin, 171–183.
Dudzińska-Nowak J., Wężyk P., 2006, Możliwości wykorzystania technologii LiDAR
w badaniach strefy brzegowej [w:] Furmańczyk K, (red.), ZZOP w Polsce – stan
obecny i perspektywy, Brzeg morski – zrównoważony, cz. 2, INoM, Szczecin, 47–59.
Dutkowski M., 2006, Społeczne i gospodarcze znaczenie zasobów i walorów polskiej strefy
brzegowe [w:] Furmańczyk K, (red.), ZZOP w Polsce – stan obecny i perspektywy,
Brzeg morski – zrównoważony, cz. 2, INoM, Szczecin, 26–35.
Furmańczyk K., 1994, Współczesny rozwój strefy brzegowej morza bezpływowego w świetle
badań teledetekcyjnych południowych wybrzeży Bałtyku, Rozprawy i Studia, t. 161,
Wydawnictwo Naukowe US, Szczecin.
Furmańczyk K., Musielak S., 1999, Circulation system of the coastal zone and their role in
South Baltic morphodynamic of the coast, Quatern. Studies in Poland, Spec. Issue 22,
Poznań, 91–94.
Furmańczyk K., Musielak S., 2004, Typy i rodzaje brzegów. Stan i tendencje zmian brzegu,
zagrożenia [w:] Cz. Koźmiński, B. Michalska (red)), Atlas zasobów i zagrożeń
klimatycznych Pomorza, Akademia Rolnicza, Uniwersytet Szczeciński, Szczecin.
Holland K.T., Holman R.A., 1996, Field observation of beach cusps and swash motion,
Marine Geology, Vol. 134, 77–93.
Kostrzewski A., Musielak S., 2008, Współczesna ewolucja rzeźby wybrzeża Południowego
Bałtyku, [w:] Starkel L. i in.,(red), Współczesne przemiany rzeźby Polski, IGIGP UJ,
Kraków, 327–348.
Kramarska R., Frydel J., Jegliński W., 2011, Zastosowanie metody naziemnego skaningu
laserowego do oceny geodynamiki wybrzeża na przykładzie klifu Jastrzębiej Góry,
Biuletyn PIG, Oddział Geologii Morza, Gdańsk.
Massel S., 1989, Hydrodynamice of coastal zones, Wydawnictwo IBW PAN, Gdańsk.
Miętus M., Filipiak J., Owczarek M., 2004, Klimat wybrzeża południowego Bałtyku. Stan
obecny i perspektywy zmian [w:] Cyberski J., (red.), Środowisko polskiej strefy
brzegowej południowego Bałtyku – stan obecny i przewidywane zmiany w przededniu
integracji europejskiej, GTN, Gdańsk, 11–44.
Mörner N.A.,1980, Eustasy and Geoid Changes as a Function of Core/man-the Changes,
[w:] Mörner N.A., (red), Earth, Rheology, Isostasy and Eustasy, Willey, Toronto.
Musielak S., 1978, Procesy litodynamiczne w strefie przyboju, Oceanologia, Nr 8, 5–56.
4
Musielak S., 2006, Geneza i funkcjonowanie systemu przyrodniczego morskiej strefy
brzegowej, [w:] Furmańczyk K., (red) ZZOP w Polsce, Brzeg morski zrównoważony,
cz. 2, Uniwersytet Szczeciński, INoM, Szczecin,11–25.
Musielak S., 2013, Procesy brzegowe na polskim wybrzeżu Bałtyku w świetle badań
geologiczno-geomorfologicznych [w:] Cyberski J., (red), Ochrona wybrzeża w polityce
morskiej państwa, Kaszubsko-Pomorska Szkoła Wyższa, Wejherowo, 13–30.
Pruszak Z., 1998, Dynamika brzegu i dna morskiego, IBW PAN, Gdańsk, 1–463.
Rosa B., 1963, O rozwoju morfologicznym wybrzeża Polski w świetle dawnych form
brzegowych, Studia Societatis Stientiarum Torunensis, Sec. C, vol. V, Toruń.
Rosa B., 1984, Rozwój brzegu i jego odcinki akumulacyjne, [w:] Augustowski B. (red.),
Pobrzeże Bałtyku, GTN, Gdańsk, 67–120.
Rotnicki K., Borzyszkowska W., 1999, Przyspieszony wzrost poziomu morza i jego składowe
na Polskim wybrzeżu Bałtyku w latach 1951-1990, [w:] Borówka R.K., i in. (red.)
Ewolucja geosystemów nadmorskich południowego Bałtyku w latach 1951–1990,
Bogucki Wydawnictwo Naukowe, Poznań-Szczecin, 141–160.
Wiśniewski B., Wolski T., 2009, Katalog wezbrań i obniżeń sztormowych poziomów morza
oraz ekstremalne poziomy wód na polskim wybrzeżu, Wydawnictwo Naukowe
Akademii Morskiej, Szczecin, 1–156.
Wolski T., Wiśniewski B., Musielak S., 2012, Zmiany położenia poziomu morza w strefie
brzegowej i ich wpływ na rozwój polskich brzegów Bałtyku [w:] Furmańczyk K., (red)
ZZOP w Polsce – stan obecny i perspektywy, Zagrożenia i systemy ostrzegania, cz. 2,
INoM, Szczecin, 145–169.
Uścinowicz Sz., 2003, The Southern Balic relative sea level changes, glacjo-izostatic rebound
and shoreline displacement, Państwowy Instytut Geologiczny, Prace Specjalne, nr 10,
Warszawa, 1–79.
Zawadzka-Kahlau E., 1999, Tendencje rozwojowe polskich brzegów Bałtyku Południowego,
GTN, Gdańsk, 1–147.
Zawadzka-Kahlau E., 2012, Morfodynamika brzegów wydmowych południowego Bałtyku,
Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego, Gdańsk, 1–353.
5