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