Morfodynamika wydm gwiaździstych w obszarach o bimodalnym reżimie wiatru

Uniwersytet Warszawski Wydział Geografii i Studiów Regionalnych Katarzyna Biejat Morfodynamika wydm gwiaździstych w obszarach o bimodalnym reżimie wiatru Rozprawa doktorska w zakresie Nauk o Ziemi dyscyplina Geografia Rozprawa doktorska przygotowana pod kierunkiem: Promotor dr hab. Bogdana Izmaiłow Wydział Biologii i Nauk o Ziemi Uniwersytet Jagielloński Promotor Pomocniczy dr hab. Maciej Dłużewski Wydział Geografii i Studiów Regionalnych Uniwersytet Warszawski Warszawa, 2015

Spis treści 1. Wstęp... 3 2. Cel i zakres pracy... 7 2.1 Cel pracy... 7 2.2 Zakres terytorialny... 8 3. Wydmy gwiaździste na świecie... 11 3.1 Charakterystyka wydm gwiaździstych... 11 3.2. Środowisko przyrodnicze obszarów występowania wydm gwiaździstych... 25 3.3. Morfodynamika wydm gwiaździstych... 30 4. Metody badań... 55 4.1. Metody terenowe... 55 4.2. Metody kameralne... 61 5. Charakterystyka obszaru badań... 75 5.1. Rzeźba terenu i litologia... 75 5.2. Klimat... 83 5.3. Wody i szata roślinna... 100 6. Morfodynamika wydm gwiaździstych Ergu Chebbi... 107 6.1. Morfometria... 107 6.2. Nachylenie powierzchni... 113 6.3. Przebieg i przemieszczenie ramion... 119 6.4. Bilans osadów... 149 7. Podsumowanie... 165 Literatura... 171

1. Wstęp Współczesna morfodynamika wydm jest najczęściej analizowanym procesem w badaniach rozwoju akumulacyjnych form eolicznych. Badania te polegają na analizie zmienności ich kształtu i położenia. Określane jest tempo przemieszczenia się pojedynczych form oraz wielkość zmian ich cech morfometrycznych. W ostatnich latach do oceny morfodynamiki akumulacyjnych form eolicznych stosowana jest również analiza bilansu osadów. Charakterystyka i typologia wydm wykonywana jest od ponad stu lat (Sokołow 1884). Badania morfodynamiki form eolicznych koncentrowano jednak dotychczas w większości na innych niż wydmy gwiaździste, typach form eolicznych np. barchanach. Wynikało to ze znacznie większych względnych wartości parametrów określających morfodynamikę tego typu form, zwłaszcza tempa ich przemieszczania, zmienność wielkości czy kształtu, co związane jest z ich mniejszą wielkością oraz występowaniem w obszarach o jednomodalnym reżimie wiatru. Mała precyzja pomiaru nie była w tych badaniach istotną przeszkodą, a pierwsze wyniki cech morfometrycznych określających wielkości barchanów opublikowano już w połowie XX wieku (Finkel 1959). Badań dotyczących morfodynamiki wydm gwiaździstych jest bardzo niewiele. Jak dotychczas nie przeprowadzono badań kompleksowych, uwzględniających wszystkie elementy pozwalające na ocenę morfodynamiki tych form. Nie wykonywano również badań dotyczących zmienności ich morfodynamiki zarówno w skali sezonowej, jak i długookresowej. Jest to związane ze znaczną wielkością tego typu form oraz specyfiką reżimu wiatru odpowiedzialnego za ich rozwój. Cechy te powodują, że wydmy gwiaździste charakteryzują się niewielkimi wartościami wypadkowego przemieszczania się ramion, względnej zmiany cech morfometrycznych czy względnego bilansu osadów. Wymaga to bardzo precyzyjnego określania ich morfologii, co do niedawna było bardzo trudne. Pierwsze pomiary wydm gwiaździstych zapoczątkowano w latach 80-tych XX w. (Nelson, Kocurek 1987, Lancaster 1989), lecz ich liczba była bardzo niewielka. Wynikało to przede wszystkim z małej precyzji pomiarów, co uniemożliwiało tworzenie dokładnych trójwymiarowych modeli tych form. Dopiero od 2000 roku zapoczątkowano pierwsze szczegółowe, powtarzalne pomiary form rzeźby terenu, w tym form rzeźby eolicznej. Porównanie uzyskanych wyników pozwoliło na analizę nawet nieznacznej zmienności położenia krawędzi ramion, cech morfometrycznych czy bilansu osadów danej formy. Dotychczasowe badania morfodynamiki wydm gwiaździstych ograniczały się jednak jedynie 3

do sezonowej analizy tylko pojedynczych form wyłącznie typu prostego, występujących w obszarze o złożonym reżimie wiatru (Liu i in. 2011). Badania te nie uwzględniały porównania form będących w różnej fazie rozwoju. Nie analizowano również wydm gwiaździstych w obszarach o bimodalnym reżimie wiatru. Dotychczasowe badania, w przeciwieństwie do badań innych typów form akumulacji eolicznej, oparte były wyłącznie na analizie zmienności wybranych cech morfometrycznych. Nieliczne z nich dotyczyły sezonowej zmienności wielkości erozji i depozycji na powierzchni pojedynczej wydmy gwiaździstej (Wang i in. 2005). Możliwość zastosowania nowych technik pomiarowych w badaniach kształtu akumulacyjnych form eolicznych, zwiększająca znacznie dokładność pomiaru, pozwala obecnie na precyzyjne odzwierciedlenie kształtu wydm gwiaździstych i jego zmian zarówno w skali sezonowej, jak i długookresowej. Ze względu na nieliczne badania, zarówno ilościowe, jak i jakościowe wydm gwiaździstych, nie stworzono dotychczas procedur określających zasady pomiaru kształtu tych form, a także sposobu analizy zmienności ich cech morfometrycznych. Mimo wieloletnich badań morfodynamiki form rzeźby terenu, nie zostały do tej pory precyzyjnie określone zasady oceny morfodynamiki akumulacyjnych form eolicznych, w szczególności oceny morfodynamiki wydm gwiaździstych. Brak dotychczas jednoznacznej odpowiedzi na następujące pytania: Które cechy wydm gwiaździstych są najważniejsze dla ich morfodynamiki? Jak typ i wielkość wydm gwiaździstych wpływa na ich morfodynamikę? Czy morfodynamikę wydm należy określać na podstawie rzeczywistej drogi przemieszczenia się danej formy w czasie, czy też jako wartość wypadkową przemieszczenia danej formy w określonym przedziale czasowym? Czy w analizie przemieszczania się akumulacyjnych form eolicznych należy uwzględniać całą formę czy jej poszczególne części? Jest to szczególnie istotne i wymaga sprecyzowania w przypadku badań wydm gwiaździstych, których podstawa nie zmienia położenia, a morfodynamikę określa się na podstawie zmiany położenia i przebiegu ramion, w przeciwieństwie np. do barchanów, które w całości zmieniają swoje położenie. Czy zasady określające zależność morfodynamiki wydm poprzecznych od kierunku natarcia wiatru w stosunku do przebiegu ramion (Walker, Nickling 2002) są możliwe do stosowania w przypadku analizy morfodynamiki ramion wydm gwiaździstych? 4

Jak czas, w którym analizowana jest morfodynamika wydm gwiaździstych, w tym zmienność sezonowa i wieloletnia, wpływają na wartość interpretacyjną uzyskanych wyników? W jakim stopniu specyfika bimodalnego reżimu wiatru wpływa na morfodynamikę wydm gwiaździstych? Jakie wskaźniki są najlepsze do określania zmienności i zróżnicowania morfodynamiki wydm gwiaździstych? W celu odpowiedzi na powyższe pytania, w pracy wykonano analizę zmienności: kształtu określonego na podstawie cech morfometrycznych oraz nachylenia powierzchni wydm, wielkości i kierunku przemieszczania się ramion oraz całkowitego i powierzchniowego bilansu osadów. Badania i analizy morfodynamiki wydm gwiaździstych przeprowadzono zarówno w skali sezonowej jak i długookresowej. Badania przeprowadzono dla wszystkich typów wydm gwiaździstych, zróżnicowanych pod względem kształtu i rozmieszczenia ramion, znajdujących się w różnej fazie rozwoju. Analizę bilansu osadów wykonano dla całych wydm, jak również dla górnej ich części, w której morfodynamika wydm gwiaździstych jest największa. Przeanalizowano zmienność sezonową i wieloletnią reżimu wiatru i określono jego wpływ na morfodynamikę analizowanych wydm gwiaździstych w poszczególnych sezonach badawczych. Pomiary przeprowadzono w południowo-wschodnim Maroku, w obrębie Ergu Chebbi, w latach 2011-2012. Ze względu na nielicznie dotychczas prezentowane wyniki badań dotyczące morfodynamiki wydm gwiaździstych, dyskusja oparta na porównaniu uzyskanych wyników z wynikami innych autorów musiała zostać w niniejszej pracy bardzo ograniczona. Porównanie morfodynamiki wydm gwiaździstych z morfodynamiką innych typów form akumulacji eolicznej nie wnosi istotnych informacji. Podejmując się badań morfodynamiki wydm gwiaździstych autorka była świadoma, że część wykonywanych zadań będzie obejmowała działania pionierskie, wymagające opracowania i weryfikacji nowych metod pomiaru oraz analizy wyników, zwłaszcza analizy ilościowej. Dotychczasowe definicje tego typu wydm były definicjami jakościowymi, powstałymi na podstawie ogólnej charakterystyki form (Lancaster 1989 a). Brak ilościowego zdefiniowania wydm gwiaździstych znacznie utrudniał nowoczesne podejście do badań ich morfodynamiki. W pierwszych etapach pracy autorka musiała określić parametry ilościowe charakteryzujące wydmy gwiaździste. Określone zostały też ich wzajemne zależności, umożliwiające w przyszłości obliczenie na podstawie dwuwymiarowych zdjęć lotniczych tak podstawowych cech jak wysokość czy objętość wydm gwiaździstych. Zaproponowano też 5

między innymi zastosowanie wskaźnika określającego stopień rozwinięcia ramion, cechy kluczowej dla morfodynamiki tego typu form. W pracy zaprezentowano szczegółowe zasady pomiaru cech morfometrycznych, jak również tworzenia trójwymiarowych modeli form oraz zaproponowano procedury umożliwiające ich porównanie. Zdefiniowano procedury pomiaru i analizy wyników kierunku i wielkości przemieszczania się ramion. W tym celu niezbędne okazało się stworzenie typologii ramion wydm gwiaździstych. Po raz pierwszy w przypadku wydm gwiaździstych zdefiniowano zasady i zastosowano do badań ich morfodynamiki całkowity i powierzchniowy bilans osadów oparty na porównaniu kilku dokładnych trójwymiarowych modeli stworzonych dla każdej z analizowanych wydm. Autorka zweryfikowała zasadność zastosowania do analizy morfodynamiki wydm gwiaździstych wskaźników zaproponowanych przez Fryberger a (1979), określających reżim wiatru w danym obszarze. Mimo, że wykorzystywane są dość powszechnie do określania morfodynamiki akumulacyjnych form eolicznych, w przypadku wydm gwiaździstych możliwość ich zastosowania nie została dotychczas potwierdzona. Kluczowym efektem pracy jest model określający zależność pomiędzy reżimem wiatru, w szczególności częstością zmiany jego kierunku w skali sezonowej i długookresowej a wielkością powierzchniowego bilansu osadów wydm gwiaździstych występujących w obszarach o bimodalnym reżimie wiatru. Model ten pozwala na parametryczną analizę morfodynamiki wydm gwiaździstych występujących w innych obszarach o bimodalnym reżimie wiatru, a w konsekwencji na określanie jej sezonowej i długookresowej zmienności. 6

2. Cel i zakres pracy 2.1 Cel pracy Celem rozprawy doktorskiej było określenie morfodynamiki wydm gwiaździstych, należących do różnych typów (prostego, złożonego i zespolonego), występujących w obszarach o bimodalnym reżimie wiatru. Cel pracy osiągnięto poprzez analizę długookresowej i sezonowej zmienności kształtu wydm gwiaździstych w różnych fazach ich rozwoju. Pozwoliło to na uwzględnienie zróżnicowania typologicznego wydm gwiaździstych oraz ich wielkości. Morfodynamika wydm gwiaździstych została określona na podstawie analizy: kształtu wydm (zmienności cech morfometrycznych, w tym zmienności nachylenia stoków), typu oraz położenia ramion głównych i ramion drugiego rzędu (tempa przemieszczania się linii grzbietowej ramion), wielkości oraz położenia obszarów erozji i akumulacji (całkowitego i powierzchniowego bilansu osadów). Wyniki badań skorelowano z sezonową i wieloletnią zmiennością reżimu wiatru. Celem szczegółowym rozprawy było odpowiedzenie na fundamentalne dla rozwoju wydm gwiaździstych pytanie: jakie znaczenie dla morfodynamiki ma wielkość wydm gwiaździstych (ich faza rozwoju). Celem szczegółowym, wynikającym z głównego celu rozprawy, było również zaproponowanie typologii ramion wydm gwiaździstych, niezbędnej do pełnego określenia morfodynamiki tego typu form. Ze względu na bardzo małą liczbę dotychczasowych badań dotyczących wydm gwiaździstych, celem rozprawy było również określenie metod badań (pomiarowych i analitycznych) służących tworzeniu trójwymiarowych modeli form, uznawanych za podstawowe w badaniach współczesnej morfodynamiki form rzeźby, w szczególności w badaniach współczesnej morfodynamiki akumulacyjnych form rzeźby eolicznej. 7

2.2 Zakres terytorialny Z uwagi na cel pracy zastosowano dwa główne kryteria wyboru obszaru badań: występowanie trzech typów wydm gwiaździstych na jednym obszarze (ergu), występowanie w tym obszarze bimodalnego reżimu wiatru. Kryteria te spełnia Erg Chebbi, położony w południowo-wschodnim Maroku w prowincji Errachidia, około 35 km na południowy-wschód od miejscowości Erfoud (ryc. 1). Dodatkowym atutem tego obszaru była dostępność długookresowych danych meteorologicznych z pobliskiej stacji pomiarowej oraz wieloletnia współpraca pracowników Wydziału Geografii i Studiów Regionalnych UW z Uniwersytetem Mohammeda V w Rabacie. Erg Chebbi stanowi pole wydmowe o powierzchni około 110 km 2, o rozciągłości południkowej 18 km i równoleżnikowej 3,2 km w najwęższym miejscu oraz 8,5 km w najszerszym miejscu. Erg Chebbi zaliczany jest do najmniejszego saharyjskiego pola wydmowego. Erg ten stanowi kompleks wydm gwiaździstych należących do różnych typów oraz będących w różnych fazach rozwoju. Wydmom gwiaździstym towarzyszą (w przewadze na obrzeżu ergu) wydmy poprzeczne proste i złożone. Charakterystyczne dla Ergu Chebbi są wydmy gwiaździste typu zespolonego (ang. compound star dune) ułożone w łańcuchach o przebiegu południkowym, po wschodniej stronie ergu. Sumarycznie wyróżnić można 13 takich form (ryc. 2). Ryc. 1. Lokalizacja obszaru badań 8

Ryc. 2. Zdjęcie satelitarne obszaru Ergu Chebbi, Google Earth, 2013 Do badań szczegółowych wybrano 6 wydm gwiaździstych. Badania nad morfologią i morfodynamiką wydm gwiaździstych przeprowadzone były w marcu 2011 r., marcu 2012 r., czerwcu 2012 r. oraz październiku 2012 r. Dodatkowo w marcu 2013 r. zostały przeprowadzone obserwacje zmienności położenia ramion. Wybór terminów przeprowadzenia szczegółowych pomiarów terenowych związany był z sezonową zmiennością reżimu wiatru w obszarze Ergu Chebbi. Badania przeprowadzone były w okresach o dużej, średniej oraz małej energii wiatru, co pozwoliło na przeanalizowanie sezonowej morfodynamiki wydm gwiaździstych w zależności od kierunku oraz prędkości wiatru. 9

3. Wydmy gwiaździste na świecie 3.1 Charakterystyka wydm gwiaździstych Wydmy gwiaździste, zwane również wydmami piramidalnymi, są jednymi z największych i najmniej rozpoznanych form akumulacji eolicznej. Wydmy gwiaździste charakteryzują się dużym rozmiarem, piramidalną morfologią oraz radialnie rozchodzącymi się ramionami o przebiegu sinusoidalnym (Lancaster 1989 a, 1989 b, Laity 2008, Pye, Tsoar 2009). Występują jako formy proste z trzema lub więcej ramionami połączonymi w jednym wierzchołku; jako formy złożone z wieloma wierzchołkami lub jako formy zespolone na podłużnych megawydmach (Breed, Grow 1979, McKee 1982, Walker 1986, Nielson, Kocurek 1987, Pye, Tsoar 2009). Wydmy gwiaździste na Saharze znane są pod nazwami demkhas, ghourds, rhourds, oghrouds (Aufrère 1935, Capot-Rey 1945, Mainguet, Callot 1978). Inne nazwy, które jednocześnie charakteryzują te formy to masywy piaskowe (ang. sand massifs) (Bagnold 1951), wydmy piramidalne (ang. pyramidal dunes) (Holm 1960), wydmy gwiezdne (ang. stellate dunes) (Glennie 1970), góry piaszczyste (ang. sand mountains) (Cooke, Warren 1973) czy rogi oraz wydmy w kształcie stożka (ang. horn/ coneshaped dunes) (Zhenda 1984). W dotychczasowej literaturze niewiele jest informacji dotyczących morfologii oraz morfodynamiki tych form. Podawane cechy dotyczą niewielu form na świecie oraz na ogół przedstawiają charakterystykę jednej przykładowej formy z danego pola wydmowego. S.G. Fryberger i A.S. Goudie (1981) określili, że wydmy gwiaździste stanowią 8,5% wszystkich form akumulacji eolicznej oraz zajmują tylko 5% powierzchni zajmowanych przez wszystkie formy akumulacji eolicznej. Wydmy gwiaździste występują na wielu pustyniach piaszczystych, takich jak: Wielki Erg Wschodni, Ala Shan, Rub al-khali, Gran Desierto, Erg Fachi Bilma czy na Pustyni Namib (ryc. 3). W Ameryce Północnej występuje natomiast wiele obszarów z wydmami określanymi jako gwiaździsto-podobne wydmy (ang. star-like dunes) (Sharp 1966, Andrews 1981, Smith 1982, Breed i in. 1984, Nielson, Kocurek 1987). 11

Ryc. 3. Występowanie wydm gwiaździstych na świecie Występowanie wydm gwiaździstych związane jest z obszarami charakteryzującymi się dużą dostawą materiału eolicznego, o dużym sezonowym zróżnicowaniu kierunków wiatru. Typowym reżimem wiatru, który panuje na obszarach występowania wydm gwiaździstych, to reżim złożony, o wielokierunkowym przepływie powietrza, sezonowo kompleksowy (Pye, Tsoar 1990, Lancaster 1995, Livingstone, Warren 1996, Parteli i in. 2009, Liao i in. 2010, Dong i in. 2013). Obszarami ich występowania są najczęściej centra depozycji na polach piaszczystych (Mainguet, Callot 1987, Lancaster 1983, 1989 a, Brookfield 1984, Parsons i in. 2009, Dong i in. 2013). Wydmy te zajmują około 9-12% powierzchni całego pola wydmowego, na którym występują. Wyjątkiem jest Wielki Erg Wschodni w Algierii, gdzie wydmy gwiaździste obejmują 40% powierzchni całego ergu (Breed i in. 1979, Lancaster 1989 a). Wydmy gwiaździste charakteryzują się dużym rozmiarem, piramidalną morfologią oraz sinusoidalnym przebiegiem ramion rozchodzących się w różnych kierunkach. Wydmy te są największymi formami akumulacji eolicznej oraz osiągają największe wysokości. Ich wysokość wynosi przeważnie do 300 m, a najwyższe formy osiągają nawet prawie 500 m (tab. 1) (Yang i in. 2003, Dong i in. 2004). 12

Tabela 1. Średnia i maksymalna wysokość wydm gwiaździstych Obszar występowania Wysokość [m] średnia maksymalna Wielki Erg Wschodni (Algieria) 117 230 Erg Issaouane (Algeria) 350 430 Badain Jaran (Chiny) 200-300 500 Namib (Namibia) 300 500 Pola wydmowe Ameryki Półocnej 120 200 Uważa się, że są to formy o największej objętości (Wasson, Hyde 1983, Wang i in. 2005), choć w dostępnej literaturze brak wyników pomiarów potwierdzających tę tezę (Nielson, Kocurek 1987, Lancaster 1989 a). Wydmy gwiaździste charakteryzują się piramidalnym kształtem, występowaniem wielu stoków zsypowych (ang. avalanche slopes). Formy pojedyncze mają najczęściej trzy lub cztery ramiona, które rozchodzą się radialnie, we wszystkich kierunkach, z jednego, centralnego wierzchołka (ryc. 4 a, b). Rozkład ramion, zarówno głównego, jak i bocznych, odzwierciedla reżim wiatru danego obszaru (Holm 1960, McKee 1966, 1982, Glennie 1970, Cooke, Warren 1973, Pietrow 1976, Fryberger 1979, Wasson, Hyde 1983, Zhu i in. 1981, Nielson, Kocurek 1987, Yang, Hong 1994, Lancaster 1989 a, Pye, Tsoar 2009). 13

Ryc. 4. Zróżnicowanie morfologii wydm gwiaździstych: a) wydma pojedyncza z trzema ramionami rozchodzącymi się z jednego wierzchołka Pustynia Daszt-e Lut, b) wydma pojedyncza z czterema ramionami rozchodzącymi się z jednego wierzchołka Pustynia Namib, c) wydma pojedyncza z czterema ramionami rozchodzącymi się z różnych miejsc Pustynia Rub-al Khali, d) wydma złożona, o wielu ramionach Pustynia Namib, e) wydma zespolona, powstała z wielu wydm o przeważających cechach wydmy gwiaździstej Wielki Erg Wschodni (źródło: Google Earth) Ze względu na wielkość form oraz stopień ich złożoności M. Mainguet (1976) określił trzy podstawowe typy wydm gwiaździstych: prosty (ang. simple star dunes), złożony (ang. compound) oraz zespolony (ang. complex). 14

Typ prosty stanowią wydmy o trzech lub czterech ramionach rozchodzących się z jednego lub dwóch wierzchołków (ryc. 5a). Wydmy złożone charakteryzują się dominującym ramieniem głównym, od którego z wielu miejsc odchodzą ramiona drugiego rzędu (ryc. 5b). Wydmy zespolone stanowią połączenie paru wydm, przy dominacji charakterystycznego kształtu i cech wydmy gwiaździstej (ryc. 5c) (Breed, Grow 1979, Nielson, Kocurek 1987, Lancaster 1989 a, Biejat 2009). Ryc. 5. Typy wydm gwiaździstych: a) prosty, b) złożony, c) zespolony Z. Dong i in. (2013) wyznaczyli dodatkowo czwarty typ formy efemeryczny typ wydmy gwiaździstej. W południowej części Pustyni Kumatgh w Chinach, podczas badań terenowych zaobserwowali oni barchany, które w wyniku przemodelowania przez różny w poszczególnych sezonach kierunek wiatru, miały dwa (lub trzy) stoki zawietrzne. Takie wydmy efemeryczne zlokalizowali od dowietrznej strony wydm gwiaździstych, na obszarach o mniejszej dostępności materiału do procesów eolicznych. Wysokość wydm efemerycznych nie przekraczała 2 m. Są to formy niedojrzałe, aktywne oraz bardzo niestabilne, podatne na przemodelowanie, nawet przy niewielkiej zmianie kierunku wiatru. Nie osiągają one fazy dojrzałej, najczęściej łączą się z sąsiednimi wydmami lub zostają rozwiane (Dong i in. 2013). Nie wydaje się, aby wyznaczanie go, ze względu na dużą niestabilność i krótki okres funkcjonowania tych form, było słuszne. Dodatkowo formy takie mogą być wydmami poprzecznymi, które w wyniku sezonowych zmian kierunku wiatru ulegają nieznacznym modyfikacjom kształtu, jednak rozpatrując funkcjonowanie takich form w skali długookresowej mają cechy typowe dla wydm poprzecznych. Tak modyfikowane formy występują m.in. na Saharze Zachodniej. Występujące tam barchany mają stok zawietrzny prostopadły do dominującego przebiegu stoku lub dwa stoki zawietrzne, w bardzo krótkim okresie, podczas którego kierunek wiatru o dużej energii jest prostopadły do kierunku 15

dominującego w tym obszarze. Jednak okres ten występuje na tyle krótko, że nie wpływa on w istotnym stopniu na funkcjonowanie barchanów (Dłużewski 2013). Oprócz podstawowej typologii wydm gwiaździstych, M. Mainguet (1976) określił sposoby występowania, grupowania się tych form. Na podstawie obserwacji terenowych oraz analiz zdjęć lotniczych stwierdził on, że wydmy gwiaździste mogą występować jako: formy izolowane (ang. isolated) (ryc. 6a); łączące (zlewające) się (ang. merge) (ryc. 6b); bez określonego rozkładu (ang. unorganized) (ryc. 6c,d); jako formy łączące się (w trójkątnych lub prostokątnych grupach) (ang. coalescing, triangular or rectangular groupings) (ryc. 6e); w łańcuchach równoległych do siebie (ang. paralel/lozenge-like chains) (ryc. 6f) (Lancaster 1989 a). Ze względu na różny stopień rozwoju ramion wydm gwiaździstych, wyróżnia się ramiona główne (ramiona pierwszego rzędu) oraz ramiona podrzędne (ramiona drugiego rzędu). Ramię główne (ang. main arm, primary arm), stanowi największe i najwyższe ramię (Lancaster 1995, Nielson, Kocurek 1987, Pye, Tsoar 2009). Od niego odchodzą ramiona drugiego rzędu (ang. subsidiary, secondary arm). Przebieg tych ramion jest zazwyczaj prostopadły lub zbliżony do prostopadłego, w stosunku do ramion głównych. Ramiona drugiego rzędu są na ogół mniejsze od ramion głównych, aczkolwiek w przypadku wydm typu prostego różnica pomiędzy wielkością (długością, objętością, wysokością) ramienia głównego a ramieniem drugiego rzędu może być niewielka. Od ramion drugiego rzędu, odchodzą ramiona trzeciego rzędu (ang. tertiary arm). Ich przebieg jest na ogół równoległy lub zbliżony do przebiegu ramienia głównego (Lancaster 1995, Nielson, Kocurek 1987, Pye, Tsoar 2009). Ramiona trzeciego rzędu występują w wydmach gwiaździstych typu złożonego i zespolonego, w typie prostym ich brak. Wydmy gwiaździste są formami o skomplikowanej i bardzo zróżnicowanej budowie oraz kształcie. Podstawa wydmy jest szeroka, rozłożysta, o dużym zasięgu. Dolna część powierzchni wydmy ma nieznaczne nachylenia, od prawie płaskiego (0-5 ) do kilkunastu stopni (10-15 ). Nachylenie stoków wzrasta wraz z wysokością wydmy, osiągając wartość 33, po zawietrznej stronie ramion. Bardzo często u podnóża wydm gwiaździstych występują mniejsze formy akumulacji eolicznej, które łączą się z podstawą lub nachodzą na nią (wstępują na podstawę). W związku z tym, że obszary występowania wydm gwiaździstych charakteryzują się dużą dostawą transportowanego przez wiatr materiału, łączenie się ramion wydm (tego samego lub różnego rzędu) oraz przemieszczanie się form mniejszych po powierzchni wydm większych, jest bardzo częste. 16

Ryc. 6a, b,c. Różne Sposoby rozmieszczenia wydm gwiaździstych 17

Ryc. 6d, e, f. Różne Sposoby rozmieszczenia wydm gwiaździstych 18

Wydmy nachodzące na większe formy akumulacji eolicznej to na ogół małe, 1-5 metrowe wydmy poprzeczne lub wydmy odwracalne. Występowanie mniejszych wydm u podnóża wydm gwiaździstych lub w ich otoczeniu mogą stanowić również obszary źródłowe materiału transportowanego przez wiatr w obręb wydmy gwiaździstej. Podnóże wydmy gwiaździstej (ang. toe lub plinth) jest bardzo stabilną częścią tej formy eolicznej, dlatego może ono być częściowo porośnięte roślinnością trawiastą lub krzewiastą typową dla danego regionu (Lancaster 1989 b, Laity 2008). Ramiona wydm gwiaździstych mają przeważnie ostrą krawędź o przebiegu sinusoidalnym, ze stokiem zsypowym, którego położenie zależne jest od zmiany dominującego kierunku wiatru. Charakterystyczne dla wydm gwiaździstych jest występowanie głębokich obszarów deflacyjnych pomiędzy ramionami, znajdującymi się u podnóża wydm (Nielson, Kocurek 1987, Lancaster 1983, 1989 b, Zhang i in. 2000, Wang i in., 2005, Dong i in., 2013). Na stopień rozwoju akumulacyjnych form eolicznych, w szczególności na stopień rozwoju wydm gwiaździstych wskazują cechy morfometryczne wydm i ich wzajemne zależności. Najczęstszą przedstawianą w literaturze korelacją dotyczącą tego typu form jest rozmieszczenie wydm względem siebie w stosunku do ich wysokości. Średnia odległość pomiędzy wierzchołkami lub podstawą wydmy (dwa sposoby pomiarów) wynoszą od 1000 m do 2400 m. Najmniejsza zaobserwowana odległość to 150 metrów, największa natomiast to ponad 5000 m (tab. 2) (Lancaster 1995, Pye, Tsoar 2009, Thomas 2011). Największa odległość między wydmami gwiaździstymi występuje na Pustyni Rub Al Khali oraz na Wielkim Ergu Wschodnim, gdzie średnia wartość wynosi około 2000 m (Breed, Grow 1979). Tabela 2. Zależność pomiędzy wysokością wydm gwiaździstych a ich rozmieszczeniem względem siebie 1 Lokalizacja Namib 1 Niger 2 Erg Wielki Zachodni Średnia odległość pomiędzy wydmami [m] Średnia szerokość wydmy [m] Średnia wysokość wydmy [m] Rub Al Khali 2 Gran Desierto 5 (łańcuchy wydm) Gran Desierto (wydmy w łańcuchach) Ala Shan (Badain Jaran) 2 1330 1000 2070 2060 2982 312 137 1000 610 950 840 2092 183 740 145 b. d. 1173 50-150 4 b. d. 80 200-300 6 1 Źródło: 1 Lancaster 1983, 2 Breed, Grow 1979, 3 Wilson 1972, 4 Holm 1960, 5 Lancaster i in. 1987, 6 Walker i in. 1987 (na podstawie: Lancaster 1989 a) 19

Ryc. 7. Zależność pomiędzy wysokością wydm gwiaździstych a ich rozmieszczeniem (Lancaster 1989 a) Jedną z ważniejszych cech decydujących o rozwoju form akumulacji eolicznej są cechy teksturalne osadów budujących wydmy. Informacje dotyczące składu mechanicznego i mineralnego dostępne są niemal dla wszystkich pól wydmowych, na których podejmowane były badania dotyczące wydm gwiaździstych. Jak dotychczas nie określono jednak wpływu cech tekstualnych materiału na rozwój wydm gwiaździstych. Średnia średnica ziarn budujących wydmy gwiaździste zawiera się w przedziale 2,09Φ 2,67Φ (tab. 3) (Hack 1941, Holm 1960, Wilson 1972, Ahlbrandt 1979, Breed, Grow 1979, Haff 1986, Walker i in. 1987, Lancaster 1989 a). Materiał budujący wydmy gwiaździste jest zróżnicowany zarówno w obrębie wydmy, jak i pomiędzy obszarami występowania tych form. Zróżnicowanie, charakterystyczne dla form akumulacji eolicznej, występuje pomiędzy podstawą wydmy i częścią wierzchowinową a środkiem stoku wydm (tab. 3, ryc. 8). Materiał budujący podstawę wydmy ma największą średnicę ziarn, natomiast materiał występujący na stoku najmniejszą. Na podstawie dotychczasowych wyników badań określających cechy tekstualne (tab. 3) wnioskować można jednak, że wielkość materiału występującego u podstawy wydm gwiaździstych zależy od tego, z jakiego materiału zbudowane są obszary regu (międzywydmowe), obszary źródłowe. Wskazuje na to różnica pomiędzy wysortowaniem i średnią średnicą ziarna w materiale z podstawy wydmy i z pozostałych miejsc. I tak na przykład dużymi różnicami charakteryzują się wydmy gwiaździste Ergu Eureka. Z kolei wydmy, jak i obszary międzywydmowe na Gran Desierto zbudowane są z bardziej jednorodnego materiału (tab. 3). 20

Tabela 3. Cechy teksturalne materiału budującego wydmy gwiaździste Lokalizacja Mz (Φ) σ 1 Lokalizacja Mz (Φ) σ 1 Pustynia Namib Erg Eureka (USA) Grzbiet 2,29 0,29 Grzbiet 2,2 0,37 Stok 2,46 0,3 Stok 2,26 0,46 Podstawa 2,17 0,54 Podstawa 1,5 0,94 Gran Desierto Wydmy Kelso (USA) Grzbiet 2,49 0,3 Grzbiet 1,66 0,3 Stok 2,57 0,33 Wielkie Wydmy (USA) Podstawa 2,39 0,49 Grzbiet 2,09 0,26 Arabia Saudyjska Grzbiet 2,67 0,32 Zróżnicowanie w średnicy ziarn oraz wysortowaniu materiału budującego wydmy gwiaździste wskazuje na dynamikę transportowanego przez wiatr materiału. Najlepszym wysortowaniem charakteryzuje się część grzbietowa form, a więc część wydmy, w której prędkość przepływu strumieni powietrza i wielkość transportu jest największa. Ryc. 8. Zależność pomiędzy średnią średnicą ziarna a wysortowaniem materiału budującego wydmy gwiaździste na Pustyni Namib (A) i na Gran Desierto (B) (Lancaster 1989 a) Badania J. Nielsona i G. Kocurka (1987) oraz T. Wanga i in. (2005) dotyczące cech strukturalnych osadów budujących wydmy gwiaździste prowadzone były na podstawie wkopów możliwych do wykonania po opadach deszczu, gdy materiał budujący wydmy był wilgotny. Wyniki analiz struktur osadu przeprowadzone maksymalnie do głębokości 80 cm, pokazały duże zróżnicowanie cech strukturalnych wydm gwiaździstych (McKee 1966, 1982, 21

Nielson, Kocurek 1987, Wang i in. 2005). Stwierdzono, że struktura osadu wskazująca na występowanie stoku zsypowego jest ograniczona do niewielkich powierzchni w obszarze wierzchowinowym. Świadczy to o bardzo dynamicznym środowisku, charakteryzującym się szybkim tempem erozji i depozycji. Struktura osadu występująca w pozostałych częściach wydm gwiaździstych oraz w obszarach międzywydmowych charakteryzuje się małym nachyleniem, wskazując na kierunek transportu materiału po stoku dowietrznym (Wang i in. 2005). Cechy strukturalne przypowierzchniowych warstw osadów wydm gwiaździstych zbadano również na obszarze pola wydmowego Dumont w Kalifornii (Nielson, Kocurek 1987), w obszarze Mogao Grottes oraz na Pustyni Badain Jaran (Wang i in. 2005). Uzyskane wyniki potwierdziły znaczne zróżnicowanie kierunku wiatru odpowiedzialnego za akumulację materiału w danym miejscu formy. Podobne obserwacje wskazujące na bardzo duże zróżnicowanie cech strukturalnych osadów stwierdzono również dla wydm gwiaździstych Ergu Chebbi (fot. 1a, b). Fot. 1a. Struktura osadów powierzchniowych wydm gwiaździstych Ergu Chebbi (fot. autorki) 22

Fot. 1b. Struktura osadów powierzchniowych wydm gwiaździstych Ergu Chebbi (fot. autorki) Na obszarze Ergu Chebbi, w obrębie jednej wydmy gwiaździstej (analizowanej w poniższej rozprawie oznaczonej jako WG6), Briston i Duller (2013) przeanalizowali struktury osadów przy użyciu georadaru (GPR). Wykonali dwa długie przekroje, pierwszy z WSW na ENE (A-A ), drugi z E na W (B-B ) oraz 5 krótszych, w obrębie grzbietowej części ramion do głębokości ok. 10 m (ryc. 9). Przekroje przecinały się w części wierzchowinowej wydmy, w pobliżu jej wierzchołka. Uzyskane wyniki potwierdziły duże zróżnicowanie cech strukturalnych przypowierzchniowej warstwy osadów. Według autorów uzyskane przez nich wyniki potwierdzają jednak bimodalny reżim wiatru występujący w rejonie Ergu Chebbi (Briston, Duller 2013). 23

Ryc. 9. Profile, wzdłuż których wykonano pomiary georadarem (Briston i Duller 2013) Brak jednoznacznych wniosków pozwalających na wyjaśnienie morfodynamiki wydm gwiaździstych, uzyskiwanych na podstawie cech strukturalnych występujących w obrębie tych form, skłonił autorkę do zaniechania wykonania tego typu badań. 24

3.2. Środowisko przyrodnicze obszarów występowania wydm gwiaździstych Istnieją trzy podstawowe uwarunkowania, które muszą być spełnione, aby powstały formy akumulacji eolicznej: 1) dostawa materiału w ilości wystarczającej do jego akumulacji; 2) energia wiatru umożliwiająca transport materiału in situ; 3) odpowiednie warunki meteorologiczne i topograficzne, utrzymujące się przez dłuższy okres, pozwalające na akumulację warstwy materiału piaszczystego (Lancaster 1995, Pye, Tsoar 2009). Uważa się, że złożoność czynników mających wpływ na rozwój wydm gwiaździstych jest ze wszystkich form akumulacji eolicznej najbardziej skomplikowana. Stwierdzono, że czynniki te oraz ich istotność, są różne dla różnych pól wydmowych. Jednak kluczowymi czynnikami dla rozwoju wydm gwiaździstych we wszystkich obszarach ich występowania są: reżim wiatru oraz dostępność materiału dla procesu eolicznego (Cornish 1914, Fedorovich 1940, Zhu i in. 1981, Lancaster 1989 b, Qu i in. 1992, Zhang i in. 1998, Dong i in. 2013). Najczęściej wymienianym i zarazem głównym czynnikiem determinującym występowanie wydm gwiaździstych jest wielokierunkowy reżim wiatru, w szczególności w miesiącach o największym transporcie materiału eolicznego (Aufere 1935, Fedorovich 1940, Smith 1963, McKee 1966, Fryberger 1979, Zhu i in. 1981, Nielson, Kocurek 1987, Lancaster 1989 b, Qu i in. 1992, Zhang i in. 2000, Wang i in, 2005, Parteli i in. 2009, Liao i in. 2010, Dong i in. 2013). Nielson i Kocurek (1987) sugerują, że im kierunek wiatru wydmotwórczego jest bardziej zróżnicowany (ang. complex wind regime), im mniejsza różnica w prędkości wiatru z różnych kierunków oraz im kąt pomiędzy kierunkami wiatru o największej energii jest bliższy kątowi prostemu, tym wydmy gwiaździste będą bardziej typowe. Obszarem spełniającym powyższe kryteria, w którym powstały wydmy gwiaździste jest Pustynia Mojave oraz pole wydmowe Dumont, gdzie kierunki wiatru są zmienne sezonowo i niemal prostopadłe do siebie (Lancaster 1989 b). W obszarach, w których dotychczas prowadzono szczegółowe badania dotyczące rozwoju wydm gwiaździstych, przeważa złożony reżim wiatru z dominującymi co najmniej trzema, występującymi sezonowo, kierunkami wiatru wydmotwórczego. Do obszarów tych należą: Pustynia Kumatgh (Zhang i in. 2000), Badain Jaran (Liu i in. 2011), Gran Desierto (Lancaster 1983), Pustynia Namib, Wielki Erg Wschodni (Lancaster 1989 a). Według Z. Donga, Z. Zhanga, G. Qiana, Q. Luo, P. Lv i J. Lu (2013) bardzo istotne znaczenie w rozwoju i funkcjonowaniu wydm gwiaździstych ma również występowanie wiatru dwukierunkowego (ang. bimodal wind regime), przeciwstawnego (wiatr wiejący z przeciwległych kierunków). Przy takim reżimie wiatru wydmy gwiaździste mogą 25

powstawać w obszarach o wskaźniku zróżnicowania kierunków wiatru typowego dla wydm poprzecznych. Reżim wiatru, a w szczególności liczba kierunków dominującego wiatru aktywnego, mają decydujący wpływ na kształt i liczbę ramion wydm gwiaździstych. Przebieg ramienia głównego jest wynikiem oddziaływania wiatru z różnych kierunków w danym obszarze. Jest on najczęściej prostopadły lub lekko skośny do wypadkowego kierunku wiatru. Z kolei przebieg ramion drugiego rzędu jest równoległy do tego kierunku wiatru oraz na ogół prostopadły do kierunku drugorzędnego (Lancaster 1983). Mimo, że reżim wiatru jest głównym czynnikiem determinującym powstawanie wydm gwiaździstych, nie określono jednak dotychczas jego stopnia złożoności, niezbędnego do powstania tego typu form. W dotychczasowych badaniach analizowany był wpływ zmienności kierunku wiatru na sposób formowania się (kształt) wydm gwiaździstych. Nie wyjaśniono jednak, jaki jest wpływ energii wiatru na zmienność morfologii wydm (Dong i in. 2013). Reżim wiatru określa się najczęściej za pomocą wskaźników zaproponowanych przez Frybergera (1979), tj. potencjalnej wielkości transportowanego materiału DP (ang. drift potencial), wypadkowej potencjalnej wielkości transportowanego materiału RDP (ang. resultant drift potential), wypadkowego kierunku potencjalnego przemieszczania się transportowanego materiału RDD (ang. resultant drift direction) oraz stosunku RDP/DP, wskazującym na zmienność kierunku wiatru. Według wskaźników zaproponowanych przez Frybergera (1979), stosunek wypadkowej potencjalnej wielkości transportowanego materiału do potencjalnej wielkości transportowanego materiału (RDP/DP) dla obszarów występowanie wydm gwiaździstych, wynosi mniej niż 0,35 (ryc. 10) (Fryberger 1979, Wasson, Hyde 1983). Większość badaczy sugeruje, że wydmy gwiaździste muszą powstawać w obszarach o dużej energii wiatru (Fedorovich 1940, Zhu i in. 1981, Lancaster 1989 b, Qu i in. 1992). Fryberger (1979) stwierdził jednak, że formy te rozwijają się w obszarach charakteryzujących się zarówno niską, jak i wysoką energią wiatru, o złożonym lub bimodalnym reżimie wiatru. Obszary o małej energii wiatru charakteryzują się wskaźnikiem DP < 200, o średniej energii 200 < DP < 400, a o dużej energii wiatru DP > 400 (Fryberger 1979). W obszarach występowania wydm gwiaździstych wartość potencjalnej wielkości transportowanego materiału jest bardzo zróżnicowana. Przykładowo w południowo-wschodniej części pustyni Badain Jaran w Chinach DP wynosi 88 (Dong i in. 2004), w okolicach jaskiń Mogao, w Chinach 266 (Wang i in. 2005), na Pustyni Kumatgh, w 4 obszarach występowania wydm gwiaździstych DP wynosi od 145 do 316 (Dong i in. 2013), na Wielkim Ergu Wschodnim 26

185 (McKee 1979), w Ghudamis w Libii 658, w Beni Abbes w Algierii 184 oraz w Illizi w Algierii 73 (McKee 1979). Przy tak dużym zróżnicowaniu wartości DP wnioskować można, że energia wiatru nie jest cechą determinującą rozwój wydm gwiaździstych, które mogą występować zarówno w obszarach o niskiej, jak i wysokiej energii wiatru. Ryc. 10. Zależność typu wydmy od zmienności kierunku wiatru określonej przez stosunek RDP/DP i wielkości dostawy materiału określonej jako miąższość warstwy piasku (Wasson, Hyde 1983) Drugą cechą reżimu wiatru, mającą bardzo duże znaczenie dla rozwoju i występowania wydm gwiaździstych jest zmienność kierunku wiatru, określana poprzez stosunek RDP/DP. Obszary, w których występują wydmy gwiaździste charakteryzują się wartością tego stosunku wynoszącą poniżej 0,60. Przykładowo stosunek RDP/DP w południowo-wschodniej części pustyni Badain Jaran w Chinach wynosi 0,50 (Dong i in. 2004), w okolicach jaskiń Mogao w Chinach 0,31 (Wang i in. 2005), na Pustyni Kumatgh, w 4 obszarach występowania wydm gwiaździstych wynosi od 0,29 do 0,58 (Dong i in. 2013), w Ghudamis w Libii 0,09, w Beni Abbes w Algierii 0,11 oraz w Illizi w Algierii 0,07 (McKee 1979). McKee (1979) dla obszarów, w których występują izolowane wydmy gwiaździste określił wartość stosunku RDP/DP na 0,20. Stwierdził również, że wydmy gwiaździste o rozkładzie łańcuchowym lub usytuowane na dużych wydmach podłużnych mogą występować, gdy stosunek RDP/DP jest znacznie wyższy. Wartość stosunku RDP/DP, charakterystyczna dla obszarów występowania wydm gwiaździstych determinuje reżim wiatru jako wielokierunkowy (RDP/DP <0,3) lub 27

bimodalny (0,3<RDP/DP<0,6). Wnioskować można zatem, że zmienność kierunku wiatru jest kluczowa dla rozwoju i morfodynamiki wydm gwiaździstych. W wielu obszarach rozwój wydm gwiaździstych łączony jest z występowaniem barier topograficznych, takich jak góry, doliny czy skarpy (Wilson 1973, Breed, Grow, 1979, Zhu i in. 1981, McKee 1982, Lancaster 1983, Wang i in. 2005, Liu i in. 2011). Zależność tą zaobserwowali już C.S. Breed i T. Grow (1979). Stwierdzili, że bariery topograficzne mają wpływ na modyfikację oraz zwiększenie złożoności reżimu wiatru w danym obszarze. Przykładem takiego obszaru jest Erg Fachi Bilma, w Algierii, gdzie łańcuch wydm gwiaździstych występuje w pobliżu Gór Tibseti. Góry te powodują zmiany przepływu mas powietrza z NE na NNE i SE (Lancaster 1989 b). Innym przykładem obszaru, w którym formy rzeźby stanowią istotny czynnik w rozwoju wydm gwiaździstych jest Pustynia Mojave. Większość wydm gwiaździstych występuje tam w pobliżu gór, które powodują zwiększenie akumulacji materiału, stanowiąc ponadto jego dodatkowe źródło dostawy (Breed, Grow 1979, Lancaster 1983). Podobnie odległość pomiędzy wydmami, czy rozmieszczenie wydm względem siebie, zmienia się wraz ze wzrostem odległości od gór. Wnioskować można, że bariery topograficzne mają dwojakie znaczenie w rozwoju form akumulacji eolicznej, w tym wydm gwiaździstych. Po pierwsze wpływają na zwiększenie złożoności reżimu wiatru, a po drugie wzbogacają obszar w materiał tworzący wydmy. Za jeden z czynników wpływających na rozwój i morfodynamikę akumulacyjnych form eolicznych uważa się szatę roślinną. Wydmy mogą występować w obszarach o pokryciu roślinnością dochodzącą nawet do 45% powierzchni (Ash, Wasson 1983, Lancaster 2005). W zależności od gęstości szaty roślinnej można obserwować wydmy aktywne i nieporośnięte roślinnością, aktywne i częściowo porośnięte roślinnością oraz całkowicie porośnięte i stabilne (Wilson 1973, Tsoar 2002). Występowanie szaty roślinnej oraz jej gęstość w obszarach pustyń gorących determinowana jest przez czynniki klimatyczne, takie jak: niskie i epizodyczne opady atmosferyczne, wysokie parowanie potencjalne oraz energię i częstość występowania wiatru aktywnego (Tsoar 2002). Specyfika pustyń w dużym stopniu ogranicza możliwość rozwoju szaty roślinnej w tych obszarach. Obszary występowania wydm gwiaździstych nie mają sprzyjających warunków klimatyczno-glebowych do rozwoju szaty roślinnej. Bardzo wysoka ewaporacja, niskie i epizodyczne opady atmosferyczne, niska żyzność gleb oraz duża energia wiatru, jak również duża miąższość materiału tworzącego wydmy gwiaździste, powodują że w obrębie tego typu form roślinność występuje bardzo rzadko. Ze względu na niską wilgotność podłoża i głęboko występujące wody podziemne, krzewy lub drzewa mogą występować wyłącznie w obszarach międzywydmowych, wolnych 28

od materiału piaszczystego. W przypadku, gdy w materiale budującym wydmy gwiaździste znajduje się większa zawartość materiału frakcji ilastej, koncentrującego się zazwyczaj w dolnej części stoków wydm oraz w obszarach deflacyjnych, możliwe jest występowanie traw, które zaopatrują się w wodę z rosy. Obszarami, gdzie występuje taka roślinność, jest m.in. pustynia Namib czy Gran Desierto, gdzie końce ramion oraz podnóże wydm porastają sporadyczne, ale duże kępy trawy wielbłądziej (stipagrosits sabilicol) lub krzewy eragrostis spinosa (Lancaster 1989 a, b). W innych obszarach występowania wydmy gwiaździste, brak jakichkolwiek informacji o występującej roślinności. Kolejnym czynnikiem wpływającym na początkową fazę rozwoju form akumulacji eolicznej jest duża wilgotność podłoża, która powodując wzrost sił wynikających z kohezji, przyczynia się do depozycji materiału transportowanego przez wiatr. Tak wielkie formy, jakimi są wydmy gwiaździste tworzyły się na przestrzeni wielu tysięcy lat, w zmiennych i znacznie różniących się od dzisiejszych warunkach klimatycznych. Badania X. Yanga i in. (2003) prowadzone na pustyni Badain Jaran, dotyczące analiz wody w jeziorach znajdujących się w obszarach międzywydmowych wykazały m.in. duży wpływy podwyższonej wilgotności na tworzenie się i rozwój mega wydm oraz wydm gwiaździstych. Obecnie pomiędzy wydmami występują małe jeziora bezodpływowe, których woda pochodzi w większości z podsiąku. Analizy chemiczne wód, miąższość osadów jeziornych w podłożu oraz szczątki roślin na Badain Jaran wskazują, że około 1-2 tysięcy lat temu, gdy zaczęły formować się mega wydmy i wydmy gwiaździste, wilgotność podłoża oraz opady atmosferyczne były bardzo wysokie. Duża wilgotność podłoża zapoczątkowała w tym obszarze akumulacje materiału, którego ciągła dostawa oraz zmiany zachodzące w klimacie na przestrzeni lat, zwłaszcza wielkości opadów oraz reżimu wiatru, doprowadziły do rozwoju wydm gwiaździstych oraz mega wydm. Obecne jeziora bezodpływowe są świadectwem, jak ważnym czynnikiem w kształtowaniu się jednych z największych form akumulacji eolicznej jest wilgotność podłoża (Yang i in 2003, Liu i Yang 2011). 29

3.3. Morfodynamika wydm gwiaździstych Morfodynamika form eolicznych, tj. zmienność ich kształtu jak i położenia, może być rozpatrywana zarówno w skali krótko- jak i długookresowej. Ze względu na specyfikę wydm gwiaździstych, w szczególności ich znaczną wielkość i zróżnicowanie typologiczne, a także dość małą zmienność kształtu, wymagającą wykonania precyzyjnych pomiarów do jej ilościowego określenia, ich morfodynamika rzadko była dotychczas przedmiotem badań (Wang i in. 2005, Liu i in. 2011, Dong i in. 2013). Dotyczy to zwłaszcza analiz w skali długookresowej. W celu określenia morfodynamiki wydm gwiaździstych bardzo istotne jest rozpoznanie czynników, które o niej decydują. Są one znacznie bardziej złożone niż w przypadku czynników, które decydują o rozwoju pozostałych akumulacyjnych form eolicznych, np. wydm podłużnych czy poprzecznych (Dong i in. 2013). Na podstawie dotychczasowych badań stwierdzono, że najważniejszym czynnikiem mającym wpływ na rozwój oraz morfodynamikę wydm gwiaździstych jest reżim wiatru (Nielson, Kocurek 1987, Lancaster 1989 b, Wang i in. 2005, Liu i in. 2011). Również kształt wydm gwiaździstych, wpływający na łączenie się lub separację strumienia powietrza, ma istotne znaczenie dla morfodynamiki tych form (Liu i in. 2011). Jej zróżnicowanie związane jest w szczególności ze: zmiennością kierunku i energii wiatru wydmotwórczego, zróżnicowaniem kierunku i energii przypowierzchniowego strumienia powietrza oraz możliwością tworzenia się i położeniem w obrębie stoku zawietrznego wstecznej komórki cyrkulacyjnej (Breed, Grow 1979, Nielson, Kocurek 1987, Lancaster 1989 a, b, Zhang i in. 2000, Wang i in. 2005, Liu i in. 2011). Nielson i Kocurek (1987) wskazywali również, że w rozwoju, a zawłaszcza zmianie wysokości wydm gwiaździstych, bardzo istotną rolę odgrywa wielkość samej wydmy, która może być istotna dla prędkości przepływu przypowierzchniowego strumienia powietrza nad formą. W morfologii, jak i morfodynamice form eolicznych, nie tylko wydm gwiaździstych, podkreśla się również rolę kierunku wiatru w stosunku do przebiegu ramion danej formy (Tsoar 1983, Tsoar i in. 1985, Nielson, Kocurek 1987, Lancaster 1989 b, Zhang i in. 2000, Wang i in. 2005). W zależności od kąta natarcia przypowierzchniowego strumienia powietrza, poszczególne ramiona wydmy gwiaździstej mogą przyjmować cechy typowe dla wydmy poprzecznej lub podłużnej (Lancaster 1989b, Zhang i in 2000, Dong i in. 2013). Qu i in. (1993) oraz Zhang i in. (2000) wskazują, że duże znaczenie w rozwoju tych form ma lokalna cyrkulacja powietrza, zależna w dużej mierze od kształtu samej wydmy. Na sezonową zmienność morfologii i morfodynamiki wydm gwiaździstych wpływa czas, w jakim dominuje wiatr o danej energii i kierunku (Nielson, Kocurek 1987). 30

Dotychczasowe badania morfodynamiki wydm gwiaździstych prowadzone były na podstawie badań terenowych (Nielson, Kocurek 1987, Lancaster 1989 b, Wang i in. 2005, Liu i in. 2011) oraz eksperymentów w tunelach aerodynamicznych (Wang i in. 2005, Liu i in. 2011), pozwalających na wyznaczenie w obrębie wydmy wielkości oraz zasięgu obszarów erozji i depozycji. Zhang i in. (2000) oraz Wang i in. (2005) wykonali dla pojedynczej wydmy typu prostego mapy obszarów, w których dominuje erozja i depozycja. Zmienność kształtu analizowali w okresie 5 i 12 miesięcy oraz dodatkowo pomiędzy 1979 a 1985 rokiem. Morfodynamika w skali sezonowej określona została na podstawie precyzyjnych pomiarów przy użyciu tachimetru elektronicznego, natomiast morfodynamikę długookresową określono na podstawie porównania zdjęć lotniczych. W rozwoju wydm gwiaździstych bardzo istotna jest współzależność pomiędzy formą a przepływem powietrza (ang. form-flow interaction). Zależność ta zaznacza się w zmianie kierunku przypowierzchniowego strumienia powietrza (ang. surface airflow) oraz powstawaniu drugorzędnego kierunku wiatru (ang. secondary airflow) (fot. 2) (Lancaster 1989 a). Na podstawie przebiegu ripplemarków Lancaster (1989 a) określił kierunki przepływu przypowierzchniowego strumienia powietrza nad wydmą gwiaździstą typu prostego (ryc. 11). Wielkość erozji i depozycji oraz ich przestrzenne zróżnicowanie w obrębie wydmy badane były na podstawie pomiarów przyrostu lub ubytku materiału przy reperach wbitych w jej powierzchnię, w transektach prostopadłych do przebiegu ramion wydmy (Lancaster 1989 a). W zależności od długości ramienia oraz stoku zsypowego repery (pręty metalowe) rozmieszczono co 5 lub 10 metrów. Na każdym ramieniu wyznaczone zostały po dwa transekty od jego podstawy, przez linię grzbietową, po podstawę z drugiej strony ramienia. Wykonano pomiary krótko- i długookresowe pierwszy w styczniu 1986 roku, następnie po każdym sezonie w kwietniu, czerwcu oraz wrześniu 1986 i 1987 roku. Dodatkowo, podczas każdego pomiaru, przy użyciu dalmierza elektronicznego wyznaczano położenie linii grzbietowej ramienia głównego. Pomiary zostały wykonane na Pustyni Mojave wyłącznie w obrębie jednej wydmy gwiaździstej typu prostego o wysokości 42 m. Na podstawie tych pomiarów oraz obserwacji z innych obszarów, Lancaster (1989 a) stworzył pierwszy schemat rozwoju wydm gwiaździstych. 31

Ryc. 11. Kierunki przepływu przypowierzchniowego strumienia powietrza w obrębie wydmy gwiaździstej w różnych sezonach (Lancaster 1989 a) Fot. 2. Różny kierunek przepływu strumieni powietrza nad powierzchnią wydmy gwiaździstej (fot. autorki) 32

Jedną z kluczowych cech wpływających na morfodynamikę akumulacyjnych form eolicznych, decydującą o powstawaniu wstecznej komórki cyrkulacyjnej (ang. reverse vortex), jest stosunek kierunku wiatru wydmotwórczego do przebiegu ramion wydmy. Gdy kąt natarcia strumienia powietrza i (ang. incident flow angle; angle of attack) (Allen 1970, Lancaster 2011), tj. kąt pomiędzy kierunkiem wiatru a kierunkiem przebiegu ramienia wydmy jest mniejszy niż 30 (Walker, Nickling 2002, Wang i in. 2005), rozwój ramienia danej formy jest typowy dla wydmy podłużnej (ryc. 12a). Wartość graniczna tego kąta jest dyskusyjna. Tsoar (1985) i Lancaster (2011) określa ją na i < 40, a Allen (1970) - i < 45. Materiał jest wówczas transportowany wzdłuż krawędzi ramienia, zarówno po stronie dowietrznej, jak i zawietrznej, powodując jego wydłużanie (Tsoar 1983, Lancaster 1989 b, Wang i in. 2005, Liu i in. 2011). Krawędź ramienia w czasie występowania wiatru aktywnego jest erodowana, a wydma nie zwiększa swojej wysokości. Badania dotyczące wydłużania się ramion wydm gwiaździstych w warunkach naturalnych są trudne i jak dotychczas nieliczne ze względu na małą dynamikę tego procesu, związaną z niską częstością występowania kąta natarcia strumienia powietrza o wartości poniżej 30 w stosunku do przebiegu krawędzi ramion. Dodatkowo, po zmianie kierunku wiatru na poprzeczny do przebiegu ramienia, deponowany wcześniej na jego końcu materiał ulega zazwyczaj szybkiej erozji. W przypadku wydm gwiaździstych typu zespolonego, w których ramiona są zazwyczaj połączone, badania ich wydłużania nie są możliwe. Ryc. 12. Funkcjonowanie ramienia akumulacyjnych form eolicznych w zależności od kąta natarcia wiatru wydmotwórczego: a) zakres kąta natarcia wiatru powodującego funkcjonowanie ramienia jak wydmy podłużnej; b) zakres kąta natarcia wiatru powodującego funkcjonowanie ramienia jak wydmy poprzecznej 33