“Modelización y seguimiento térmico de la capa activa y del

Convocatoria de ayudas de Proyectos de Investigación (2005)
MEMORIA CIENTÍFICO-TÉCNICA DEL PROYECTO
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RESUMEN DE LA PROPUESTA (Debe rellenarse también en inglés)
INVESTIGADOR PRINCIPAL:
Dr. Miguel RAMOS
TITULO DEL PROYECTO:
“Modelización y seguimiento térmico de la capa activa y del
permafrost en las islas Livingston y Decepción. AntártidaPermamodel”.
RESUMEN (debe ser breve y preciso, exponiendo sólo los aspectos más relevantes y los objetivos
propuestos):
El continente Antártico almacena el 90% de hielo del planeta Tierra, ejerciendo una influencia
determinante del clima del hemisferio Sur y de los sistemas atmosféricos y criosféricos globales.
Aunque sólo el 3% de la superficie total del mismo está libre de hielo, la presencia de los suelos
helados (permafrost) se manifiesta en gran parte de sus suelos (expuestos o subglaciares).
En las islas de la antártida marítima, como es el caso de Livingston (62º39'S, 60º21'W) y Decepción
(62º43'S, 60º57'W), su situación en las proximidades de la isoterma (temperatura ambiente media
anual) -1ºC y la existencia de recientes zonas deglaciadas, hacen que las características térmicas de
sus suelos helados (permafrost) sean especialmente sensibles a las variaciones climáticas. Además, la
región de la Península Antártica es, en el seno de Antártida, el área donde el calentamiento global se
ha sentido con más vigor en las recientes décadas.
La medida de la evolución del gradiente térmico en la capa activa del “permafrost” en esta zona, se
presenta como una herramienta de cálculo del balance de energía en la superficie del suelo y de
estudio de las variaciones climáticas interanuales, complementarias a los registros meteorológicos
“Standard”.
Además, las medidas del gradiente de temperaturas y flujo térmico en zonas de “permafrost” con
perforaciones que alcancen la profundidad de amplitud térmica anual cero, nos permiten realizar
análisis inversos para determinar las variaciones climáticas con periodos quinquenales, decanales e
incluso seculares.
El reto científico que proponemos es la realización de dos perforaciones complementarias en zonas
de “permafrost”, una en la Isla Livingston y la otra en Decepción, que alcancen la profundidad de
amplitud térmica anual cero (estimada entre 20 y 25 m). Aprovechando la singularidad que presenta la
isla Decepción por su carácter de volcán activo con un intenso flujo geotérmico, en comparación con la
isla Livingston.
Posteriormente se Instalarán sendas estaciones de control de la evolución del gradiente térmico en la
zona más profunda del “permafrost”, así como en la capa activa superficial. Estas medidas estarán
acompañadas de registros sistemáticos de las condiciones meteorológicas en superficie.
Una vez puestas en funcionamiento las estaciones pasarán a formar parte de las redes CALM-S
(Circum-polar Active Layer Monitoring) and GTN-P (Global Terrestrial Network – Permafrost / WMO,
FAO and IPA), para la realización sistemática de registros a largo plazo (10 a 25 años de
funcionamiento).
1
PROJECT TITLE:
"Permamodel - Permafrost and Active Layer Monitoring and
Modelling in Livingston and Deception Islands, Antarctic"
SUMMARY:
Antarctica stores 90% of the ice on Earth and the characteristics of the continent and of the Southern
Ocean are determinant factors for the climate of the Southern Hemisphere and for Earth’s atmospheric
and cryospheric systems. Only 3% of the continent is ice-free, but most of that is underlain by
perennially frozen ground (permafrost). Nevertheless, large subglacial areas in the interior of Antarctica
show also the presence of permafrost.
The islands of the Maritime Antarctic have significant areas with ice-free terrain underlain by
permafrost (e.g. Livingston Island - 62º39’S, 60º21’W and Deception Island - 62º43’S, 60º57’W). The
location of the islands close to the mean annual temperature isotherm of -1ºC, and their position in the
Antarctic Peninsula region is reflected in a very high sensitivity to climate change.
Monitoring of the temperature gradient of the active layer is a chief methodological approach for the
calculation of the energy balance of the ground and therefore for the study of climate change, being
complementary to the standard meteorological observations. Furthermore, monitoring of the
temperature gradient and thermal fluxes of the permafrost in boreholes down to the zero annual
amplitude depth, allow the application of inverse modelling techniques for the detection of climate
change in periods of 5-years, 10-years, or even centuries.
The main objective of this project is to drill 2 boreholes in permafrost, reaching the zero annual
amplitude depth (estimated from 20 to 25m), one in Livingston and another in Deception Island. The
procedure will allow the comparison of the permafrost conditions in the two islands, with the surplus that
Deception Island is an active volcano with high geothermal heat flux. Ground temperature monitoring
stations will be installed in the boreholes in order to monitor the evolution of the temperature gradients in
the permafrost and also in the active layer. At the surface meteorological conditions will be also
monitored.
The two stations will be integrated in the international networks CALM-S (Circum-polar Active Layer
Monitoring) and GTN-P (Global Terrestrial Network – Permafrost / WMO, FAO and IPA) in order to
attain long-term data series (10-25 years).
2
2. INTRODUCCIÓN
El continente Antártico almacena el 90% de hielo del planeta Tierra, ejerciendo una influencia
determinante del clima del hemisferio Sur y de los sistemas atmosféricos y criosféricos globales.
Aunque sólo el 3% de la superficie total del mismo está libre de hielo, la presencia de los suelos
helados (permafrost) se manifiesta en gran parte de sus suelos (expuestos o subglaciares), en estos
últimos sólo cuando la temperatura basal del glaciar está por debajo del punto de congelación del agua
sometida a la presión de la capa de hielo.
Los cambios sistemáticos de temperatura y distribución del “permafrost” afectan de manera
importante tanto al balance de flujo de gases de efecto invernadero como a las infraestructuras que se
han instalado en diferentes partes del continente. Aunque los estudios de suelos en la Antártida se
iniciaron hace más de 100 años, sin embargo aún no existe una base electrónica de datos donde se
incorporen, en forma completa y sistemática, mapas temáticos digitales, clasificación taxonómica de los
suelos y registros de temperaturas y distribución del “permafrost”.
Estas carencias han llevado a diferentes grupos e instituciones científicas a plantear programas
internacionales de trabajo. Así entre los objetivos del grupo de trabajo, del “Antarctic Permafrost and
Periglacial processes (APPP)” de la Asociación Internacional de Permafrost (IPA) y del “Expert Group
on Antarctic Permafrost and Periglacial Environments (EGPPE-SCAR)”, se incluyen:
-
Libro blanco del estado de la ciencia en el estudio del “permafrost” en la Antártida.
Cartografía del “permafrost” y los suelos helados en la región circumpolar austral.
Medida permanente de parámetros relativos al “permafrost”, capa activa y flujo del suelo.
Generación de una base de datos y acceso bibliográfico “on-line”.
El pasado mes de Noviembre de 2004 tuvo lugar en Madison (USA) el “Internacional Workshop
on Antarctic Permafrost and Soils” donde nos reunimos 34 investigadores invitados de 14 países,
especialistas en “permafrost” Antártico. Entre los objetivos básicos de actuación futura se acordaron los
siguientes tópicos:
-
Desarrollo de una red de monitorización de “permafrost” en la Antártida, incluyendo nuevas
perforaciones y equipos de registro para la medida a largo plazo de las temperaturas del
“permafrost”.
Apoyo y nuevas actuaciones en el programa de monitorización de la capa activa del
“permafrost”.
Presentación a los comités nacionales del año polar internacional de las “Expression of intent”
(EoI) relativas a la formación de una red de monitorización térmica del “permafrost” y su capa
activa, animadas por la “International Permafrost Association” (IPA) y el “Expert Group on
Antarctic Permafrost and Periglacial Environments (EGPPE-SCAR)”.
Comparando los hemisferios Norte y Sur se comprueba el escaso conocimiento en este último
de la distribución, espesor y propiedades del “permafrost”. El desconocimiento de la distribución del
“permafrost” y su espesor en la antártida continental es manifiesto, ya que está en función del espesor
del hielo del casquete, cuya presión basal causa la disminución de la temperatura de congelación,
produciendo la fusión del “permafrost”.
Bockheim (1995) generó el primer mapa de distribución del “permafrost” en la región Antártica,
sugiriendo la presencia de “permafrost” en las zonas libre de hielo y con la existencia en las zonas subglaciares donde la capa de hielo sea lo suficientemente delgada como para permitir la congelación en
el suelo basal.
3
Figura 1.- El mapa muestra la
distribución del “permafrost” en la
Antártida según Bockheim (1995). El
límite
Norte
del
“permafrost”
corresponde, más o menos, con la
isoterma (temperatura del aire media
anual) de -1ºC (isotermas según
Weyant, 1967) y está en la región
comprendida en el sector (45º W a 70º
W), donde se encuentran las islas
Shetland del Sur objetivo de nuestro
trabajo. El “permafrost” en zonas libre
de hielo se representa en negro. El
“permafrost” subglacial puede estar
únicamente limitado a las zonas
sombreadas. Los lagos subglaciares
se representan con una cruz.
En las islas de la antártida marítima, como es el caso de Livingston (62º39'S, 60º21'W) y
Decepción (62º43'S, 60º57'W), su situación en las proximidades de la isoterma (temperatura ambiente
media anual) -1ºC y la existencia de recientes zonas deglaciadas, hacen que las características
térmicas de sus suelos helados (permafrost) sean especialmente sensibles a las variaciones climáticas.
En la última década se han incrementado las investigaciones y campañas científicas con el
objetivo de estudiar la distribución, comportamiento térmico y profundidad del “permafrost” sobre todo
en la zona, más accesible, de la península Antártica. En nuestro país los equipos del Dr. Jerónimo
López de la UA de Madrid (López-Martínez, J, 2002) y el Dr. Miguel Ramos de la UAH (Ramos, 2003)
han complementado sus trabajos, enfocando el primero de ellos el estudio de la distribución
cartográfica del “permafrost” en este área y dirigiendo el segundo sus trabajos a la monitorización de la
temperatura del “permafrost” y el seguimiento térmico de la capa activa a través de sondeos y
perforaciones, realizadas en las islas Livingston y Decepción. Además, el Dr. Antonio Quesada de la
UA ha sistematizado un protocolo de medidas de la capa activa relacionándola con los ecosistemas
limnológicos en península Bayers (isla Livingston). Finalmente, el Dr. Francisco Navarro de la UP de
Madrid ha llevado a cabo la caracterización termomecánica de diversos glaciares entroncando con el
estudio del “permafrost” basal en esta área geográfica.
El esfuerzo internacional en el área de la península antártica, lo podemos resumir en las
contribuciones realizadas en diferentes tópicos:
- Bases de datos relativas al estudio del “permafrost” y los suelos helados:
Location
Coordinates
Nature of Database
URLs/Citations
Antarctic Peninsula &
islands
Seymour Island
64º14’S, 56º37’W
James Ross Island
63º52’S, 57º48’W
King George Island
62º10’S, 58º 20’W
Livingston and
Deception Islands
62º39’S, 60º 21’W and
62º43’S, 60º 57’W
Permafrost thickness and
temperature
Permafrost temperature; 2 sites
Sone et al., 2001
Sone et al., 2001
Chen, 1993
Permafrost temperature and
heat flux modeling
Ramos et al. 1995 a 2004
http://www2.uah.es/gifa
GTN-P- http://sts.nrcan.gc.ca/gtnp
IPA- http://www.geodata.soton.ac.uk/ipa/
GIFA- http://www2.uah.es/gifa
Madison conference- http://www.soils.wisc.edu/antarcticConf/
CALM- http://www.geography.uc.edu/∼kenhinke/CALM/
4
- Trabajos sobre dinámica de procesos periglaciares, con estudio de los ciclos de hielo/deshielo y
succión criogénica:
Location
Coordinates
Nature of Database URLs/Citations
Antarctic Peninsula &
islands
Seymour Island
64º14’S, 56º37’W
Behavior of ice-wedge
polygons
Sone et al., 2001
James Ross Island
63º52’S, 57º48’W
Solifluction movement
Sone et al., 2001
Livingston, King
George Islands
Barsch and Stablein, 1984
Livingston and
Deception Islands
62º39’S, 60º 21’W and
62º 43’S, 60º 57’W
Signy Island
Freeze-thaw cycles
Ramos et al. 1995 a 2004
http://www2.uah.es/gifa
Freeze-thaw cycles
Chambers, 1967
- Estudio de suelos y sus componentes térmicas:
Location
Coordinates
Nature of Database
URLs/Citations
Antarctic Peninsula &
islands
Seymour Island
64º14’S, 56º37’W
Soil temperature
Sone et al., 2001
James Ross Island
63º52’S, 57º48’W
Soil temperature; 3 sites
Sone et al., 2001
King George Is.
62º05’S, 58º 24’W
Schaefer et al., 2003; Francelino,
2004
King George Island
62º10’S, 58º 20’W
75 pedons, soil
characterization, soil maps,
aerial photographs, GIS
Soil descriptions and
characterization
Soil temperature
Livingston and
Deception Islands
62º39’S, 60º 21’W and
62º43’S, 60º 57’W
Bölter et al., 1997
Ramos et al. 1995 a 2004
http://www2.uah.es/gifa
- Base de datos sobre la monitorización de la capa activa:
Location
Coordinates
Nature of Database
URLs/Citations
Antarctic Peninsula &
islands
Seymour Island
64º14’S, 56º37’W
Sone et al., 2001
James Ross Island
63º52’S, 57º48’W
Livingston and Deception
Islands
62º39S, 60º21’W and
62º43’S, 60º 57’W
Active layer monitoring at 0.1, 0.5,
1, 2, 3, 4, 6, 8 m
Active layer monitoring at 0.05, 0.5,
1.3, 1.8, 2.3 m; 3 sites
Active layer monitoring (0.05, 0.15,
0.40, 0.90-2 sites and 0.05, 0.15,
0.40, 0.90, 1.50, 2.3-1 site) and
modeling
Sone et al., 2001
Ramos et al. 1995 a 2004
http://www2.uah.es/gifa
Por otro lado, en la actualidad sólo existen 21 perforaciones en la Antártida con profundidades
medias de 2 m (entre 1.2 y 15.5m) destinadas al seguimiento y caracterización térmica del “permafrost”
y la capa activa. En el área de la península Antártica, los únicos sondeos que existen con medidas
permanentes de datos durante todo el año destinados al estudio de la capa activa y el permafrost, son
los realizados por nuestro equipo de investigación durante la campaña del año 2000 y vienen
representados por la siguiente relación:
Location
Coordinates Elevation(m)
Depth (m)
URLs/Citations
Antarctic Peninsula
Livingston IslandIncinerator Point
Livingston IslandReina Sofia Hill
62º39’S
60º21’W
62º39’S
60º21’W
35
2.5
275
1.2
5
Ramos et al., 2002; 2003;
http://www2.uah.es/gifa
Ramos et al., 2002; 2003;
http://www2.uah.es/gifa
Las perforaciones están situadas en el Cerro incinerador y el Monte Reina Sofía (Figura 2) de
la Isla Livingston y cada año se recogen los datos y se cambian los sensores. Estas medidas, de
duración anual y completamente automáticas, alimentan nuestra base de datos en forma
ininterrumpida, para realizar estudios comparativos, estadísticas y modelos de interacción atmósfera–
permafrost (e.g. Vieira, 2000, 2001, 2003; Ramos, 2001, 2003).
Figura 2.- Localización de los sondeos
realizados durante la campaña antártica 19992000, donde se han realizado, desde entonces,
medidas sistemáticas de la evolución temporal
del gradiente geotérmico.
Los proyectos “Global Terrestrial Network for Permafrost” (GTN-P) (Burgess, 2000) y
“Circumpolar Active Layer Monitoring” (CALM) tienen objetivos similares. GTN-P, fue una iniciativa de la
Asociación Internacional de Permafrost “International Permafrost Association” (IPA) (IPA, 1998), que
propuso organizar y mantener una red de estaciones de medida de la evolución del “permafrost”, con
objeto de estudiar su sensibilidad a la variabilidad climática local y, a macro escala, al cambio global. La
red de estaciones está asociada al “Global Climate Observing System” (GCOS) de la WMO y FAO, y
tiene dos objetivos, el seguimiento del proceso de congelación/descongelación de la capa activa y la
distribución espacial del “permafrost”.
El proyecto “Circumpolar Active Layer Monitoring” (CALM), que inicialmente (1991) comienza
sus medidas en el hemisferio boreal, especializándolas en la región polar, hace cuatro años abre sus
puertas a la región austral y en particular al continente antártico, donde en la actualidad aún son
escasas las estaciones de registro que funcionen continuamente. La importancia del estudio del
“permafrost” en la región antártica está reconocida por las asociaciones científicas de más alto nivel y
ha dado lugar a la creación del “Antarctic Permafrost and Periglacial Processes (APPP)”en el marco de
la “International Permafrost Association (IPA)”, así como un “Standing Scientific Group on Geosciences
on Antarctic Permafrost and Periglacial Environments (SSGG-SCAR)” en la nueva estructura del SCAR.
Los investigadores del equipo de esta propuesta forman parte de estos grupos de trabajo,
habiendo asistido a las últimas reuniones científicas organizadas por la “International Permafrost
Association (IPA)” celebrada en Zurich (2003) (Ramos, 2003; Vonder Mühll, 2003; Guglielmin, 2003) y por
la “Scientific Committee of Antarctic Research (SCAR)” que tuvo lugar recientemente en Bremen
(Ramos al. 2004). Asimismo tres de los investigadores de la propuesta (Ramos, Vieira y Gruber)
asistieron a la reunión “Antarctic Permafrost and Soils”, que tuvo lugar en Madison (USA) el pasado
mes de noviembre, donde 34 investigadores de 14 nacionalidades nos reunimos para concretar la
puesta a punto de la red circumpolar antártica de registro del permafrost y establecer los criterios para
la propuesta de “Expression of Intent” (EoI) de cara al año polar internacional 2007/08.
Finalmente, esta actuación se encuadra en el marco de las propuestas aprobadas por el
Comité Polar Español para en año polar internacional y remitidas en plazo y forma al comité polar para
el año polar internacional. Los objetivos de nuestro proyecto se inscriben dentro de las siguientes
Propuestas EoI - IPY:
- The Thermal State of Permafrost (TSP): A Contribution from Spain (M. Ramos research group) to an
International Network of Permafrost Observatories (INPO) by IPA.
- Antarctic Permafrost and Soils Database and Monitoring System (ANTPAS)- Contribution from Spain
to a SCAR Permafrost Expert Group Project.
- The Thermal Stat of Permafrost (TSP): A Contribution from Portugal to an International Network of
Permafrost Observatories (INPO by IPA).
- Antarctic and sub-Antarctic Permafrost, Periglacial and Soil Environments – Portuguese contribution to
ANTPAS.
-Climate Change influence on polar terrestrial landscape. CCIPTL.
6
BIBLIOGRAFÍA:
Barsch, D. and G. Stablein. 1984. Frost dynamics and permafrost in ice-free areas of the Antarctic Peninsula. Polarforschung
54(2):111-119.
Bölter, M., H.-P. Blume, D. Schneider, and L. Beyer. 1997. Soil properties and distribution of invertebrates and bacteria from King
George Island (Arctowski Station), maritime Antarctic. Polar Biology 18:295-304.
Bockheim, J.G. 1995. Permafrost distribution in the Southern Circumpolar Region and its relation to the environment: a review and
recommendations for further research. Permafrost and Periglacial Processes 6:27-45.
Burgess, M.M., Smith, S.L., Brown, J., Romanovsky, V., and Hinkel, K. (2000).“ The Global Terrestrial Network for Permafrost
(GTNet-P): Permafrost monitoring contributing to global climate observations. in Current Research 2000E”, Geological Survey of
Canada. Available on-line at: www.nrcan.gc.ca/gsc/bookstore/index_e.html
Chambers, M.J.G. 1967. Investigations of patterned ground at Signy island, South Orkney Islands. III: Miniature patterns, frost
heaving and general conclusions. British Antarctic Survey Bulletin 12:1-22.
Chen, X.B. 1993. Permafrost around CGWS, Antarctica. In: Proceedings of the Sixth International Conference on Permafrost. South
China University Technological Press, Guangzhou, Vol. 1, pp. 84-88.
Guglielmin, M., M. Balks, and R. Paetzold. 2001. Towards an Antarctic active layer and permafrost monitoring network, pp. 337341. In: Phillips, M., S.M. Springman, and L.U. Arenson (eds.) Permafrost; Proc. 8th International Conference on Permafrost, 21-25
July, Zurich, Switzerland. Balkema Publ., Lisse.
International Permafrost Association. (1998). “Circumpolar Active-Layer Permafrost System (CAPS)”. CD-ROM, version 1.0.
Published by the National Snow and Ice Data Centre, Boulder, Colorado.
López-Martínez, J., Martínez de Pisón, E. &Arche,A. (1992). “Geomorphology of Hurd Peninsula, Livingston Island, South
Shetland Islands”. In Y. Yoshida, K. Kaminuma & K. Shiraishi(eds.), Recent Progress inAntarctic Earth Science: 751756.Tokyo.Terrapub.
López Martinez, J.,Ramos, M., Criado,C., Serrano,E., Nicolas, P. (1996). "Anomalías Geotérmicas y Permafrost en la Isla
Decepción Antártida". Actas del V Simposio de Estudios Antárticos, pp.223-234. Madrid. CICYT. Libro. ESPAÑA.
López-Martínez, J.; Smellie, J.L.;Thomson, J.W.;Thomson, M.R.A. (eds.) (2002). “Geology and geomorphology of Deception
Island”, BAS Geomap series, Cambridge.
Ramos M., Ortiz R., Diez-Gil J.L., Viramonte J.G. (1989)."Anomalías Térmicas y Balance del Flujo disipado en la Isla Decepción.
Shetlands del Sur". Actas del III Simposio de Estudios Antárticos, pp.203-219. Madrid. CICYT. (ISBN.-84 369 1903 3). Libro.
ESPAÑA.
Ramos, M. (1995). ”Automatic device to measure the active permafrost layer near the SpanishAntarctic Station”. TerraAntartica 2(1),
61-63.
Ramos, M. (1997). ”Topographic distribution of short-wave radiation in the vicinity of the SpanishAntarctic Research Station”.
TerraAntartica 4 (1), 5-10.
Ramos, M. (1998). “Active layer in the vicinity of the SpanishAntarctic Station”. TerraAntartica 5(2): 189-193.
Ramos, M; Vieira, G; Crespo, F; Bretón, L (2002). ”Seguimiento De La Evolución Temporal Del Gradiente Térmico De Capa
Activa En Las Proximidades De La B.A.E Juan Carlos I.” . Periglaciarismo en Montaña y en altas latitudes (E. Serrano y A. García
(Ed.)) (ISBN.- 84-607-4666-6. Pp.- 257-276.
Ramos, M.; Vieira, G. (2003) “Active layer and permafrost monitoring in Livingston Island, Antarctic. First results from 2000 and
2001”. In: M. Phillips, S.M. Springman e L.U. Arenson (Eds.), Permafrost. Proceedings of the Eight International Conference on
Permafrost, 21-25 July 2003, Zurich, Switerland, Balkema Swets & Zeitlinger, Lisse: 929-933.
Ramos al. (2004). “Permafrost and active layer monitoring and modelling in livingston and deception islands (south shetlands,
antarctic) – permamodel.” And “Ground surface energy balance in deception island during the summer (south shetlands, antarctic)”.
XXVIII SCAR, Open Sience Conference.
Sone, T., J. Strelin, and J. Mori. 2001. Thermal characteristics of permafrost in Seymour Island and James Ross Island, Antarctic
Peninsula (abstract, p. 100). In: C. Harris and B. Rea (eds.) 1st European Permafrost Conference.
Tanarro,L.M., Hoelzle, M., García, A., Ramos, M., Gruber, S., Gómez, A., Piquer, M., Palacios, D. (2001).
“Modelling of Permafrost Distribution in Mediterranean Mountains: Corral del Veleta, Sierra Nevada, Spain”. Norsk Geografisk
Tidsskrift. Vol. 55, pp.253-260 (ISSN- 0029-1951). Revista. NORUEGA.
Vieira, G.; Ramos, M. & Garate, J. (2000)."Detailed geomorphological mapping with kynematic GPS. Examples from Livingston
Island, Antarctic". Estudos do Quaternário, 4:35-42.
Vieira, G.; Ramos, M. (2003). “Geographic factors and geocryological activity in Livingston Island,Antarctic. Preliminary results”. In:
M. Phillips, S.M. Springman e L.U.Arenson (Eds.),Permafrost. Proceedings of the Eight International Conference on Permafrost, 2125 July 2003, Zurich, Switerland, Balkema Swets & Zeitlinger, Lisse: 1183-1188.
Vonder Mühll D., R. D., Haeberli W., Hoelzle M., Krummenacher B., 2003. Permafrost monitoring in Switzerland (PERMOS) in
the pilot stage. In 8th International Conference on Permafrost, Extended Abstracts, Haeberli W Brandova D (ed). University of
Zurich. 1; 173-174.
7
3. OBJETIVOS DEL PROYECTO
X
3.1 Describir brevemente las razones por las cuales se considera pertinente plantear esta investigación y, en su caso, la
hipótesis de partida en la que se sustentan los objetivos del proyecto (máximo 20 líneas)
Una de las zonas más sensibles al cambio climático por encima de los 60ºS se encuentra en la
península antártica y sus archipiélagos adyacentes. Este es el caso de las Islas Livingston y Decepción
que forman parte del las Shetland del Sur. Los registros meteorológicos en esta zona indican una
tendencia al incremento de la temperatura ambiente, asimismo las evidencias glaciológicas y
geomorfológicas manifiestan un retroceso de los frentes glaciares y la existencia de geoformas relictas
que indican episodios anteriores de climas más fríos.
La temperatura del aire media anual de esta zona a nivel del mar es de aproximadamente -2ºC, muy
próxima a la temperatura de fusión del agua en condiciones normales y a la máxima temperatura
admisible para la existencia de permafrost (-1ºC) en las zonas libres de hielo. Esta situación climática
indica un estado inestable y muy sensible a la variabilidad climática.
La presencia de “permafrost” constituye un sistema de atenuación de la onda climática de prolongado
periodo, permitiéndonos su control el estudio de la variabilidad climática de los últimos años, en función
de la profundidad de los registros de su temperatura, para un sondeo de hasta 25 m, un análisis inverso
de su gradiente térmico permite conocer la variaciones climáticas entre 5 y 100 años.
Por otro lado, el estudio de la capa activa nos ayudará a determinar el balance de energía
intercambiado entre el aire y el suelo en su superficie, este parámetro nos indicará la variabilidad anual
del clima y su efecto sobre el “permafrost”.
El reto científico que proponemos es la realización de dos perforaciones complementarias en zona de
“permafrost”, una en la Isla Livingston y la otra en Decepción, que alcancen la profundidad de amplitud
térmica anual cero (estimada entre 20 y 25 m). Aprovechando la singularidad que presenta la isla
Decepción por su carácter de volcán activo con un intenso flujo geotérmico, en comparación con la isla
Livingston.
X
3.2. Indicar los antecedentes y resultados previos, del equipo solicitante o de otros, que avalan la validez de la hipótesis de
partida
La realización durante la campaña antártica del año 2000 de dos sondeos en la isla Livingston
(Incinerador, 35 m SNM, 2.5 m de profundidad y Sofía 275 m SNM, 1.2 m de profundidad) con la
instalación de las cadenas termométricas correspondientes para registrar en forma continua la
evolución térmica del gradiente de temperaturas en dichos emplazamientos (Ramos 2002). Nos ha
permitido tras 4 años de funcionamiento ininterrumpido realizar un detallado estudio preliminar de las
condiciones de la zona de trabajo (Ramos 2003 y 2004) y la oportunidad de plantear otras instalaciones
de mayor profundidad para no sólo realizar un estudio de la capa activa sino también del estado
térmico del “permafrost”. Así como el estudio de la variabilidad climática pasada, en el caso de que se
pueda alcanzar la profundidad de amplitud térmica anual cero.
Además, la proximidad geográfica entre las islas Livingston y Decepción y su gran diferencia de
comportamiento térmico en el subsuelo, debido a la actividad volcánica de esta última, nos permitirán
establecer dos estaciones de medida complementarias donde podremos estudiar el comportamiento
del “permafrost” en dos sistemas con equivalente balance de energía con la atmósfera pero diferentes
condiciones de flujo geotérmico (Ramos, 1989).
Finalmente, las recomendaciones de diferentes asociaciones y grupos científicos internacionales
avalan la propuesta presentada. En el anexo se han incorporado diferentes cartas de apoyo (SCAR
Expert Group & IPA Working Group, Dr. Navarro, Dr.Quesada) a nuestra propuesta. También es de
señalar la presencia de algunos de nuestros investigadores en las propuestas “Expression of Intent”,
8
enviadas al comité del año polar internacional por la “International Permafrost Association (IPA) y por el
“Expert Group on Permafrost an Periglacial Environments (EGPPE-SCAR)”.
Proyecto TSP-IPA:
-The Thermal State of Permafrost (TSP): An IPA Contribution to the International Polar Year and the
International Year of Planet Earth.
Proyecto ANTPAS- EGPPE-SCAR.
-Antarctic and sub-Antarctic Permafrost, Periglacial and Soil Environments (ANTPAS).
X
3.3. Enumerar brevemente y describir con claridad, precisión y de manera realista (es decir, acorde con la duración prevista del
proyecto) los objetivos concretos que se persiguen, los cuales deben adecuarse a las líneas temáticas prioritarias del
Programa Nacional al que se adscribe el proyecto (ver Anexo de la convocatoria).
La novedad y relevancia de los objetivos (así como la precisión en la definición de los mismos) se mencionan explícitamente
en los criterios de evaluación de las solicitudes (ver apartado Noveno de la Convocatoria)
1. Prospección Geofísica (BTS, RADAR, Resistividad, Acústica) sobre la zona de estudio con objeto de
caracterizar el estado térmico del “permafrost”.
2. Selección de dos emplazamientos uno en la isla Livingston y el otro en Decepción candidatos a
realizar las los sondeos propuestos.
3. Realización de dos perforaciones en las zonas seleccionadas con las características siguientes:
entre 70 y 90 mm de diámetro sin extracción de testigo y entubadas en policarbonato. Con una
profundidad óptima de 25 metros.
4. Instalación de la cadena de sensores térmicos en los sondeos y establecimiento de las estaciones
superficiales de medida de parámetros micrometeorológicos (temperatura ambiente, capa nival y
radiación).
5. Análisis de los primeros resultados obtenidos y realización de un protocolo de mantenimiento de las
estaciones para garantizar su funcionalidad a largo plazo.
9
4. METODOLOGÍA Y PLAN DE TRABAJO
Básicamente el método de trabajo que emplearemos se dividirá en las siguientes tareas:
1. Alineación con los programas internacionales propuestos para el año polar internacional (Junio- 2004
a Junio-2005) UAH, UL y ETH:
a. Reuniones de coordinación con la “International Permafrost Association” (IPA) y el “Expert
Group on Permafrost and Periglacial Environments (EGPPE-SCAR)”.
i. SCAR Open-Science Bremen (Junio-2004) UAH y UL.
ii. Antarctic Permafrost and Soils. Madison (Nov-2004) UAH, UL y ETH.
iii. European Geosciences Union. Viena (Abril-2005) UAH y ETH.
iv. European Permafrost Congress. Potsdam (Junio-2005) UAH, UL y ETH.
b. Presentación de propuestas EoI al comité polar Español para el año polar internacional (Ene2005) UAH.
Propuestas Visadas por el Comité polar Español:
- The Thermal State of Permafrost (TSP): A Contribution from Spain (M. Ramos
research group) to an International Network of Permafrost Observatories (INPO) by
IPA.
- Antarctic Permafrost and Soils Database and Monitoring System (ANTPAS)Contribution from Spain to a SCAR Permafrost Expert Group Project.
-Climate Change influence on polar terrestrial landscape. CCIPTL.
Propuestas enviadas directamente al comité polar internacional:
- The Thermal Stat of Permafrost (TSP): A Contribution from Portugal to an
International Network of Permafrost Observatories (INPO by IPA).
- Antarctic and sub-Antarctic Permafrost, Periglacial and Soil Environments –
Portuguese contribution to ANTPAS.
2. Preparación de los protocolos de actuación en base a las propuestas internacionales (Enero a
Diciembre- 2005) UAH, CSIC, UL y ETH:
a. Sistemas de perforación, diámetro y profundidad. Anexión a los protocolos GTN-P y CALM-S.
UAH y ETH.
b. Sistemas de registro de variables térmicas en el suelo UAH y ETH.
i. Gradiente vertical de temperaturas.
ii. Flujo de calor en el suelo.
iii. Balance de entalpía en la superficie.
c. Sistemas de registro de variables micrometeorológicas en la capa límite atmosférica UAH,
CSIC, UL y ETH.
i. Temperaturas del aire a diferentes niveles y cotas.
ii. Componentes de la radiación.
iii. Distribución y espesor de la capa nival.
3. Campaña de prospección geofísica en la zona de trabajo (Junio-2005 a Junio-2006) (Campaña
antártica Ene-Feb 2006 caso de ser aprobada la acción complementaria CGL2004-20896-E) UAH,
CSIC, UL y ETH:
a. Determinación de la existencia y espesor del permafrost en la zona de trabajo, métodos:
i. Electromagnéticos: RADAR y resistividad ETH.
ii. Mecánicos: acústica ETH.
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iii. Térmicos: BTS. Registros térmicos y método indirecto UAH, UL y ETH.
iv. Parámetros climáticos UAH, UL y ETH.
4. Campaña de perforación (Junio-2006 a Junio- 2007) (1ª Campaña antártica de esta propuesta,
En-Feb 2007) UAH, CSIC, UL y ETH.
a. Elección de los dos emplazamientos (Livingston y Decepción) UAH, CSIC, UL y ETH.
b. Contratación de la empresa perforadora UAH y ETH.
c. Estudio de la logística e impacto ambiental UAH.
d. Realización de los sondeos y entubado UAH, ETH y UL.
e. Instalación de los sensores, sistemas de registro y transmisión de datos UAH y ETH.
5. Realización de un protocolo sistemático de mantenimiento de las estaciones integradas en la red
internacional de medida GTN-P y CALM-S a través de los proyectos TSP y ANTPAS (Junio- 2007 a
Noviembre- 2008, año polar internacional) (2ª Campaña antártica de esta propuesta, En-Feb 2008)
UAH, CSIC, UL y ETH.
a. Transmisión de datos UAH, CSIC.
b. Realización de una base de datos propia UAH.
c. Intercambio de datos en la red global GTN-P y CALM-S UAH, UL.
d. Distribución de datos al comité polar español UAH, CSIC.
e. Pautas de mantenimiento y revisiones periódicas UAH.
La complejidad del proyecto, por sus vínculos internacionales y por la novedad de la empresa
abordada, nos ha aconsejado invitar a científicos nacionales y extranjeros para participar en esta propuesta.
La participación del Dr. Ortiz del Museo de Ciencias se encuadra en una ya antigua colaboración entre
nuestras instituciones (Ramos, 1989) y se presenta necesaria para profundizar en el análisis comparativo de
la evolución del “permafrost” en un área volcánica de gran actividad geotérmica respecto de otra sin dicha
actividad, es reconocida la capacidad del Dr. Ortiz en el espacio científico internacional de la volcanología.
Con el equipo del Dr. Hoelzle del laboratorio de “Glaciology at the Laboratory of Hydraulics, Hydrology
and Glaciology, ETH Zurich”, trabajamos conjuntamente en el proyecto europeo PACE (Permafrost and
Climate in Europe) (Tanarro, Hoelzle et al, 2001) del que el Dr. Hoelzle fue co-laeder. El equipo Suizo está
presente en diferentes niveles de organización y grupos de trabajo en la “International Permafrost
Association” (IPA) y han desarrollado numerosas perforaciones y técnicas de registro en el Ártico y los Alpes.
Finalmente, el equipo Portugués aporta la visión geomorfológica y de procesos al conjunto del
proyecto, la relación científica con el Dr. Vieira (Ramos, 2003; Vieira, 2003) tiene más de seis años con su
participación en diferentes campañas antárticas.
La colaboración con estos equipos se pone de manifiesto en artículos conjuntos que se han publicado.
UAH.CSIC.ETH.UL.-
Equipo de la Universidad de Alcalá.
Equipo del Museo de Ciencias Naturales. CSIC.
Equipo Universidad de Zurich. ETH.
Equipo Universidad de Lisboa.
11
5. BENEFICIOS DEL PROYECTO, DIFUSIÓN Y EXPLOTACIÓN EN SU CASO DE LOS RESULTADOS
La proyección internacional de la propuesta, apoyada en su integración en diversos programas
candidatos a formar parte de la estructura científica durante el Año Polar Internacional es una de las
bazas más interesantes de la misma. No hay que olvidar que durante el 2007-08 se celebrará un nuevo
año polar internacional tras 75 años del anterior. Para España, país de muy reciente ingreso en las
estructuras científicas de la ciencia polar será la puesta de largo este acontecimiento, es la primera vez
que España participa con medios propios en un aniversario de tal calibre. El nivel alcanzado en los
últimos 15 años por los científicos de nuestro país así como el grado de implantación logística, nos
permiten hoy estar presentes en los foros internacionales de decisión y participar en igualdad de
condiciones en la estructura científica de los proyectos internacionales. Esta expectativa debe ser
apoyada por nuestras autoridades responsables en política científica de forma decidida para poder dar el
gran salto que consolide nuestra investigación y nuestras estructuras de apoyo. El año polar internacional
será un gran escaparate, similar al de la celebración de unas olimpiadas, donde, salvando el efecto
mediático del deporte en comparación con la investigación científica, se realizará una continua
comparación entre los efectivos, organización y capacidad investigadora de los diferentes países
participantes. Es de desear que nuestro país quede a la altura en este campo de la investigación
científica y dé el salto que en su día dio el deporte con la celebración de Barcelona-92.
El proyecto que presentamos ofrece un camino de colaboración internacional abierto, un equipo de
investigación con experiencia anterior y demostrada capacidad en la investigación en zonas polares y de
alta montaña.
Por otro lado, la propuesta confirma la instalación de estaciones de medida permanentes en las
proximidades de las Bases Antárticas Españolas (Juan Carlos I y Gabriel de Castilla), lo que ofrece un
valor añadido a nuestras actividades científicas en unas zonas ya muy conocidas por la ciencia
descriptiva, donde hay que profundizar en nuevos métodos y protocolos de medida para que den
contenido a nuestra presencia en dichas ubicaciones.
La integración de las estaciones experimentales en redes internacionales consolidará el equipamiento
científico de nuestras bases antárticas. La proximidad de las estaciones de registro y las bases aportará
la necesaria estabilidad en su funcionamiento a largo plazo por el mantenimiento realizado directamente
tanto por los componentes científicos como técnicos de las estaciones polares.
12
6. HISTORIAL DEL EQUIPO SOLICITANTE EN EL TEMA PROPUESTO
La experiencia de nuestro equipo en la investigación polar comienza en la etapa anterior del ingreso
de España como miembro del tratado antártico, en aquellos tiempos en los que nuestro país no contaba con
ningún tipo de logística en la zona, tiempos en los que los pocos investigadores que podíamos viajar para
realizar nuestra labor científica lo teníamos que hacer de la mano de otros países amigos. La primera
campaña antártica que realizamos fue en la isla Decepción durante el verano austral 1987-88 (Ramos, 1989).
Tras la realización de más de 10 campañas antárticas hemos constituido una base de datos de gran
interés en el campo del estudio del balance térmico suelo-atmósfera, con completos y sistemáticos registros
durante el verano y con la introducción de los sistemas automáticos de medida para realizar registros
autónomos durante el invierno polar. Las primeras experiencias sin mantenimiento y de duración anual las
establecimos a partir de 1990 en la isla Livingston. Hay que recordar que el rápido desarrollo tecnológico nos
hace sentir que los sistemas de medidas automáticos, que funcionan alrededor nuestro, llevan muchos años
implantados pero la realidad es otra. Hace 15 años eran contadas las experiencias con registros automáticos
que se realizaban en zonas climáticas tan agresivas y aisladas como la Antártida.
A partir de 1990 fijamos nuestro interés en la monitorización de la capa activa del “permafrost”
haciendo especial incidencia en su régimen térmico y en la adecuación de los protocolos necesarios para
calcular el balance de energía intercambiado entre el suelo y la capa límite superficial. Este primer proyecto
tuvo por título: "Estudio del Régimen del suelo Permahelado en las proximidades de la Base Antártica
Española” ANT- 1263/91. Siendo la entidad financiadora el Plan Nac. de I+D.
Posteriormente combinamos las medidas de invierno (Ramos, 1995, 1998) con sondeos de poca
profundidad y estudios micrometeorológicos (Ramos, 1997) de la zona de estudio durante la época estival
tanto en las islas Livingston como Decepción.
Fue a partir del año 1999 cuando pudimos realizar dos sondeos en cuarcita con una máquina portátil
de perforación (HILTI) alcanzando la profundidad de 2.4 m (Ramos, 2002, 2003). Estos sondeos, uno de ellos
en “permafrost” continuo, nos han permitido realizar un seguimiento continuo de la evolución térmica de la
capa activa en la isla Livingston. Estas estaciones han estado funcionando durante los últimos 5 años en
forma continuada por lo que pensamos que el protocolo de medidas ha sido adecuado pues el mantenimiento
anual se realizó en varias ocasiones por personal técnico de la base sin participación directa de nuestros
investigadores.
Estos sondeos son los únicos de sus características en el área de la península antártica y de los
pocos existentes en la actualidad en el continente.
Las perforaciones fueron realizadas por no especialistas, nosotros mismos, y con maquinas de
pequeña potencia. La propuesta de realización de perforaciones con la suficiente profundidad como para que
alcancen la posición de amplitud térmica cero, pasa por la contratación de un equipo de profesionales con la
maquinaria adecuada con objeto de alcanzar la profundidad requerida.
En este aspecto del proyecto tanto el quipo Suizo como el de la Universidad de Alcalá, tenemos la
experiencia conjunta de nuestra participación en el programa europeo PACE (Tanarro, 2001). El equipo de la
ETH tiene en su currículo la realización de numerosas perforaciones en el Ártico y el los Alpes, en esta última
13
cordillera tienen la perforación monitorizada más antigua de Europa (25 años de registros) (Von del mühlll,
2003).
La Universidad de Alcalá participó en la realización de la perforación de 125 m de profundidad
realizada en el pico Veleta en el marco del proyecto PACE.
El equipo del Dr. Ortiz en el museo de Ciencias Naturales ha sido pionero en la investigación
volcanología en la Antártida teniendo un profundo conocimiento del volcán Decepción.
El equipo de la Universidad de Lisboa tiene gran experiencia en el estudio de la capa activa de suelos
helados y de registros climáticos en zonas de alta montaña (Vieira, 2000, 2003).
14
6.1 FINANCIACIÓN PÚBLICA Y PRIVADA (PROYECTOS Y CONTRATOS DE I+D) DE LOS MIEMBROS DEL EQUIPO INVESTIGADOR
Relación con
la solicitud
que ahora se
presenta (1)
1
Dr. Charles Harris
Subvención
concedida o
solicitada
EURO
120000
“Evolución anual de la capa activa hielo/deshielo y 1
mecanismos Físicos de Interacción Suelo-atmósfera
en presencia de Permafrost. Islas Decepción y
Livingston (Shetlands del Sur. Antártida)”. ANT980571.
"Proyecto Estrela. Processos gepomorfológicos e 2
biofísicos e unidades de paisagem em ambientes
de montanha mediterrànea. Aplicaçao à Serra da
Estrela".
Dr. Miguel Ramos
125000
PNICYT
C 1998-2001
Dr. Antonio BRUM
60000
Fundaçao para la
Ciência e a Tecnologia
C 1998-2001
"Capa Activa y permafrost en la Antártida (Isla
Livingston. Shetlands del Sur). CAPA". REN20015082-E/ANT
1
Dr. Miguel Ramos
8500
PNICYT
C 2002-2003
"Capa Activa y permafrost en la Antártida (Isla 1
Livingston. Shetlands del Sur). Campaña 2003-2004.
CAPA 2003-04". REN2002-1150-E/ANT.
Dr. Miguel Ramos
7500
PNICYT
C 2003-2004
Título del proyecto o contrato
Proyecto nº PL970267. EU 4th Framework:
Environmental and Climate Programme.
Investigador Principal
Periodo de
vigencia o
Entidad financiadora y
fecha de la
referencia del proyecto
solicitud (2)
EU
C 1997-2000
0
Dr. Miguel Ramos
28163,60
PNICYT (Acción
S 2005
Modelización y seguimiento térmico de la capa
Complementaria).
activa y el permafrost en las Islas Livingston y
Decepción. Trabajo preliminar de un proyecto
dirigido al Año Polar Internacional (PERMAMODEL).
CGL2004-20896-E
(1) Escríbase 0, 1, 2 o 3 según la siguiente clave: 0 = Es el mismo proyecto 1 = está muy relacionado 2 = está algo relacionado 3 = sin relación
(2) Escríbase una C o una S según se trate de una concesión o de una solicitud.
15
7. CAPACIDAD FORMATIVA DEL PROYECTO Y DEL EQUIPO SOLICITANTE
Lamentablemente la investigación polar no ha estado dotada de las plazas formativas suficientes en
temas tan novedosos en nuestro país como es el estudio y monitorización del “permafrost” en estas regiones.
A pesar del número de proyectos que hemos coordinado desde nuestro grupo de la Universidad de Alcalá y
de las solicitudes de becas y contratos en formación que hemos realizado, nunca nos ha correspondido
ninguna de estas plazas. Por ello, los recursos humanos en esta área de trabajo tan hostil, se mengua poco a
poco y no hay relevo generacional con nuevos investigadores en formación. Quizás sea el momento oportuno
de volver a solicitar una plaza de becario predoctoral, cuando la madurez de nuestras investigaciones viene
refrendada por nuestros contactos y publicaciones internacionales. Asimismo, nuestra administración debería
realizar un esfuerzo en este sentido de cara al año polar internacional, cabe recordar que uno de los objetivos
básicos de la propuesta genérica del IPY (International Polar Year) es la captación y formación de jóvenes
investigadores en ciencias polares.
16