Mariusz RZĘTAŁA Maksymilian SOLARSKI Wydział Nauk o Ziemi, Uniwersytet Śląski Sosnowiec CODZIENNE OBSERWACJE TERENOWE ŹRÓDŁEM IDENTYFIKACJI NOWYCH FORM I PROCESÓW ZLODZENIA ZBIORNIKA WODNEGO CEL, METODY I OBSZAR BADAŃ Codzienne obserwacje zlodzenia przeprowadzono w półroczu zimowym roku hydrologicznego 2010 na niewielkim poeksploatacyjnym zbiorniku wodnym położonym w południowo-wschodniej części Czeladzi przy trasie Warszawa-Katowice (rys. 1). Celem kriologicznych badań zbiornikowych prowadzonych z uwzględnieniem wyników obserwacji meteorologicznych było szczegółowe rozpoznanie przebiegu zjawisk lodowych i określenie form występowania lodu na wszystkich etapach zlodzenia akwenu (ze szczególnym uwzględnieniem form i procesów zlodzenia dotychczas nie identyfikowanych). Rys. 1. Zbiornik wodny w południowo-wschodniej części Czeladzi w województwie śląskim: 1 zbiornik wodny, 2 nieużytki, 3 tereny przemysłowe, 4 ogródki działkowe, 5 zadrzewienia, 6 roślinność szuwarowa i krzewiasta, 7 dział wodny zlewni zbiornika, 8 nasypy komunikacyjne, 9 drogi. 155
Zbiornik ma charakter bezodpływowy i zlewnię o granicach wyznaczonych w przewadze przez nasypy komunikacyjne (powierzchnia zbiornika wynosi 1 ha, a jego zlewnie zajmuje powierzchnię około 5 ha). Głębokość akwenu przy rzędnej zwierciadła wody na wysokości około 264 n.p.m. nie przekracza 2,5 m, natomiast pojemność jest szacowana na około 8,9 tys. m 3 (rys. 2). Zasilanie zbiornika zapewniają opady atmosferyczne i płytkie wody podziemne. Marginalne znaczenie posiada epizodyczna alimentacja z rowu odwadniającego drogę dla pojazdów samochodowych. Zlewnia zbiornika i jego brzegi od strony północnej, wschodniej i południowej posiadają status nieużytków, które porasta roślinność zielna, miejscami krzewiasta. Podobna roślinność występuje na brzegu zachodnim, który stanowią pozostałości nasypu dawnej kolei. Zbiornik jest zaliczany do akwenów zarastających, a o jakości jego wód świadczy nieznacznie zasadowy odczyn (ph = 7,9), przewodność właściwa wynosząca ok. 700 μs/cm oraz zawartość tlenu rozpuszczonego na poziomie ok. 13 mg O 2 /dm 3 i 111,8% O 2 (Rzętała, Rzętała, 2009). 156 Rys. 2. Plan batymetryczny niewielkiego zbiornika wodnego w Czeladzi: 1 linia brzegowa, 2 izobaty [m]. Obserwacje zjawisk lodowych przeprowadzono w sezonie zimowym 2009/2010. Były to obserwacje codzienne, sporadycznie prowadzone częściej, tzn. 2-3 razy na dobę. Badania polegały na kartowaniu zjawisk lodowych, którego najważniejszym elementem były obserwacje form występowania lodu i przebiegu oraz zasięgu zlodzenia, włącznie z pomiarami grubości lodu oraz zalegającego na nim śniegu i wody, a także sporządzaniem dokumentacji fotograficznej. Pomiary wykonywane były miarką z podziałką milimetrową bezpośrednio na świeżym przełamie lub z użyciem kosy do pomiarów grubości pokryw lodowej w przypadku większej grubości lodu po jego rozwierceniu wędkarskim świdrem. Ponadto, w celu zbadania przestrzennego zróżnicowania grubości pokrywy lodowej, w dniu 15 stycznia 2010 r. wykonano kilkadziesiąt odwiertów, których położenie określono przy pomocy odbiornika GPS. Pomiary grubości pokrywy śnieżnej znajdującej się na tafli lodu i zalegającej pod śnie-
giem wody mierzono miarką z podziałką milimetrową. W analizach przebiegu zjawisk lodowych uwzględniono pomiary temperatury powietrza ze stacji funkcjonującej przy Wydziale Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego. WYNIKI BADAŃ Początek zjawisk lodowych w badanym zbiorniku wodnym miał miejsce już w niespełna dobę od momentu, gdy średnia dobowa temperatura powietrza osiągnęła wartości niższe od 0 C, czyli 13 grudnia 2009 roku. W strefie brzegowej akwenu pojawił się wówczas krystaliczny lód brzegowy o miąższości 0,2 centymetra, powstały z horyzontalnie ułożonych igieł lodowych. Lód taki tworzy się zazwyczaj podczas bezwietrznej pogody, początkowo na płyciznach oraz w miejscach porośniętych roślinnością brzegową (rys. 3). Rys. 3. Etapy zlodzenia zbiornika wodnego w sezonie zimowym 2009/2010: 1 linia brzegowa zbiornika, 2 powierzchnia akwenu wolna od pokrywy lodowej, 3 powierzchnia akwenu z pokrywą lodową, 4 roślinność szuwarowa i miejscami krzewiasta. Przez kolejnych kilka dni średnia dobowa temperatura powietrza systematycznie spadała, by w dniach 17-20 grudnia osiągnąć wartości oscylujące wokół -15 C. W wyniku tego procesu następował stopniowy przyrost lodu od spągu, w efekcie ochładzania się kolejnych warstw wody zbiornika, co prowadziło do powstawania lodu o wertykalnej orientacji osi optycznych kryształów. Proces ten był jednak hamowany przez warstwę śniegu zalegającą na pokrywie lodowej, o miąższości dochodzącej do 5 centymetrów, która izolowała pokrywę lodową od warunków atmosferycznych. W dniu 23 grudnia grubość pokrywy lodowej osiągnęła miąższość 11 centymetrów, a więc w okresie pierwszych jedenastu dni zlodzenia tempo przyrostu miąższości pokrywy lodowej wyniosło średnio 1 centymetr na dobę (rys. 4). 157
Rys. 4. Zmiany zlodzenia zbiornika wodnego w Czeladzi w sezonie zimowym 2009/2010 na tle zmian średniej, minimalnej i maksymalnej temperatury powietrza atmosferycznego w Sosnowcu: 1 woda, 2 lód, 3 śnieg, 4 śnieg przesycony wodą, 5 lód śniegowy lub lód szczątkowy przesycony wodą, 6 wysokość stropu pokrywy lodowej na początku zlodzenia, 7 średnia dobowa temperatura powietrza atmosferycznego, 8 minimalna dobowa temperatura powietrza atmosferycznego, 9 maksymalna dobowa temperatura powietrza atmosferycznego. 158
W czasie kolejnych kilku dni sytuacja synoptyczna nad Polską uległa zmianie, nastąpił napływ cieplejszych mas powietrza nad terytorium Wyżyny Śląskiej z sektorów południowych, co prowadziło do wzrostu wartości temperatury powietrza. W dniach 22-26 grudnia średnio wynosiła ona 3,3 C przy średniej maksymalnej o wartości 7,4 C. Doprowadziło to do stopienia pokrywy śnieżnej zalegającej na lodzie i utworzenia się na nim warstwy wody o grubości 1-2 centymetrów oraz niewielkiej ablacji od spągu. Wytopieniu uległa warstwa pokrywy lodowej o grubości około centymetra. Ponowny spadek temperatury powietrza spowodował w następnych dniach stropowy przyrost pokrywy lodowej, w rezultacie zamarznięcia niewielkiej warstwy wody. W okresie od 26 grudnia 2009 do 19 stycznia 2010 roku przeważał proces stropowego przyrostu pokrywy lodowej, co związane było głównie ze stopniowym przymarzaniem przesączonej wodą warstwy śniegu zalegającego na lodzie. W dniu 15 stycznia pokrywa lodowa osiągnęła miąższość 15 centymetrów, przy czym 9 centymetrów stanowił lód krystaliczny, a 6 centymetrów lód śniegowy. W tym okresie grubość pokrywy lodowej wzrosła o 6 centymetrów, a więc średnio o 0,24 centymetra na dzień. Podczas kolejnych kilku dni (20-28 stycznia) nad obszar Polski z północnego-wschodu napłynęły ponownie mroźne masy powietrza. Były one związane ze stacjonującym w rejonie jeziora Ładoga rozległym wyżem o nazwie Teodoryk. W tych dniach średnie dobowe wartości temperatury powietrza ponownie spadły do około -15 C, przy temperaturach minimalnych dochodzących do -20 C. Utrzymujące się przez kilka dni dość duże mrozy spowodowały przyrost siedmiocentymetrowej warstwy lodu krystalicznego od spągu. Pokrywa lodowa osiągnęła wówczas maksymalną miąższość 23 centymetrów, a przyrost jej grubości w okresie od 15 do 29 stycznia wynosił średnio nieco ponad 0,5 centymetra na dobę (rys. 4). Obfite opady śniegu, występujące od 22 stycznia, były przyczyną gromadzenia się na tafli lodu miąższej warstwy pokrywy śnieżnej, której grubość maksymalna przekroczyła 20 centymetrów. Znajdująca się pod naciskiem śniegu pokrywa lodowa obniżała się nieznacznie i podlegała spękaniom, co w konsekwencji prowadziło do wypływów wód limnicznych na lód i nasiąkanie dolnych warstw śniegu, następował zatem ponownie stopniowy przyrost lodu śniegowego (Leppranta, 1983). W sytuacji takiej tworzył się także lód dwuwarstwowy, rozdzielony warstwą wody bądź śniegu przesyconego wodą. Tworząca się nad warstwą wody i przesyconego wodą śniegu skorupa lodowa, stopniowo zwiększała swoją grubość (maksymalnie do 6 centymetrów), bo ostatecznie połączyć się z zasadniczą warstwą lodu. Cechą charakterystyczną pokrywy lodowej, wybranego do badań akwenu, było znaczne przestrzenne zróżnicowanie jej grubości. Różnica pomiędzy maksymalną i minimalną miąższością lodu wyniosła bowiem 7 centymetrów. Maksymalną grubość lodu (19 cm) zmierzono w południowo-zachodniej części zbiornika-przy nasypie kolejowym. Minimalną natomiast (12 cm) w porośniętej szuwarami części północno-zachodniej (rys. 5). Za znaczne różnice grubości pokrywy lodowej odpowiedzialny był przede wszystkim proces stropowego przyrostu lodu śniegowego, który przebiegał nierównomiernie w poszczególnych sektorach akwenu (Leppranta, 1983, 2009; Piątek i in., 2010). Na podstawie wykonanych badań przestrzennych obliczono kubaturę pokrywy lodowej, która wyniosła 1,2 tys. m 3, co stanowiło 13,5% pojemności zbiornika. 159
Rys. 5. Zróżnicowanie grubości pokrywy lodowej w obrębie akwenu w dniu 15.01.2010 r.: 1 linia brzegowa zbiornika, 2 izopachyty lodu [cm]. Od 19 lutego do 3 marca średnia dobowa temperatura powietrza osiągała wartości nieznacznie wyższe od 0 C, co prowadziło do stopniowego wytapiania się lodu od spągu, przy jednoczesnym nieznacznym przyroście stropowym lodu śniegowego. Począwszy od 22 lutego zaczął przeważać proces ablacji pokrywy lodowej, polegający na jednoczesnym wytapianiu się lodu od stropu i od spągu, przy czym dominowało wytapianie spągowe. Proces ten został spowolniony poprzez ponowny spadek średniej dobowej temperatury powietrza poniżej 0 C, który miał miejsce w okresie od 3 do 13 marca. Średnie tempo ablacji pokrywy lodowej wyniosło nieco ponad 0,7 centymetra na dobę, a jej całkowity zanik nastąpił 23 marca 2010 roku (rys. 3). WNIOSKI Przeprowadzone badania pozwalają na przedstawienie kilku uwag na temat uwarunkowań przebiegu zjawisk lodowych w akwenie, który objęto szczegółowym monitoringiem: zlodzenie badanego zbiornika miało charakter quasi-naturalny i nie odbiegało zasadniczo od przebiegu tego procesu w jeziorach naturalnych; początkowo przyrost pokrywy lodowej następował w wyniku domarzania spągowego wód limnicznych, a w dalszych etapach zlodzenia główne znaczenie miało domarzanie stropowe lodu śniegowego; w czasie trwania pokrywy lodowej kilkakrotnie odnotowano występowanie kilku warstw lodu, oddzielonego warstwą wody bądź śniegu przesyconego wodą. Proces ten wynikał ze specyfiki domarzania stropowego i nie był dotąd opisywany w polskiej literaturze limnologicznej. 160
Pomiary batymetryczne i pomiary grubości pokrywy lodowej w obrębie akwenu służące ocenie jej zróżnicowania w jednym terminie pomiarowym wykonano w dniu 15.01.2010 r. we współpracy ze studentami II roku geografii stacjonarnej (rok akademicki 2009/2010), członkami Studenckiego Koła Naukowego Geografów Uniwersytetu Śląskiego Panią Fatimą Pawełczyk i Panem Pawłem Ociepą. LITERATURA LEPPÄRANTA M., 1983: A Growth Model for Black Ice, Snow Ice and Snow Thickness in Subarctic Basins. Nordic Hydrology 14(2), s. 59 70. LEPPÄRANTA M., 2009: Modelling the formation and decay of lake ice. [w:] G. George (red.): The impact of climate change on European lakes, Aquatic Ecology Series, Vol. 4. Springer, Germany. s. 63-83. PIĄTEK M., SOLARSKI M., RZĘTAŁA M., PRADELA A., 2010: Przebieg zjawisk lodowych w wybranych antropogenicznych zbiornikach wodnych Wyżyny Katowickiej. [w:] T. Ciupa, R. Suligowski (red.): Woda w badaniach geograficznych. Instytut Geografii UJK, Kielce. s. 243-252. RZĘTAŁA M., RZĘTAŁA M. A., 2009: Zlodzenie niewielkiego zbiornika wodnego (aspekty poznawcze i użytkowe). [w:] Kształtowanie środowiska geograficznego i ochrona przyrody na obszarach uprzemysłowionych i zurbanizowanych, t. 40. WBiOŚ UŚ, WNoZ UŚ, Katowice-Sosnowiec. s. 171 179.