Spatial modelling of the temperature at the top of Permafrost in Cierva Point (Antarctic Peninsula)
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2018 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | eng |
Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10451/36229 |
Resumo: | The Western Antarctic Peninsula (WAP) has shown complex reactions to climate change in the last decades. To evaluate the changes occurring in these environments, permafrost and active layer monitoring and modelling are essential. In this dissertation, the characteristics of the ground temperature regime are analysed and the spatial distribution of the “Temperature at the Top of Permafrost” (TTOP) in Cierva Point (Danco Coast, WAP) is estimated using topo-climatic information over an area of 0.65 km2. With the results, the climate sensitivity of permafrost in this area and the potential impact of small climate change in its extent are evaluated. A first evaluation of the temperature regimes allowed to determine the temperature and depth of the permafrost table and the ground thermal offset using observed borehole and climate data from nine different monitoring sites, in selected periods from 2012 to 2018. The top of permafrost was observed at depths of 0.4, 1 and 5m and the temperature at these depths was observed to be -1.4 ºC, -2.6 ºC and 1.2 ºC in these locations. For the monitoring boreholes where the top of permafrost was not reached, the depth of the top of permafrost was estimated to range between 0.4 and 5 m with temperatures ranging between -0.2 ºC and -2.6 ºC. The results were used together with topographic data to implement the spatial TTOP model using a Geographical Information System (GIS)-based methodology to implement a high-resolution model (1 x 1 m grid cell) that allows a further insight into the spatial characteristics of permafrost. Permafrost was estimated to be present in nearly 88% of the area and the lower TTOP values were found at high altitudes and unconsolidated soil or peat areas covered by moss. The highest TTOP results were found at low altitudes, bare surfaces and concave areas. Bare surfaces increase exposure to solar radiation during the summer and the concavity of the terrain promotes higher snowpack accumulation during the winter, which acts as a good thermal insulator hindering ground energy loses. In the areas where the mean temperature at the top of permafrost was found to be higher than 0 ºC, permafrost is absent and the TTOP stands for the temperature at the base of the seasonal freezing layer. An increment of the TTOP was observed in case of a hypothetical long-term increase of 1 ºC in the MAAT and the results suggest the disappearance of nearly 50% of the current modelled permafrost area. Ground temperatures resulted to be more sensitive to the temperature increment at bare ground surfaces and/or concave sites. The less sensitive areas were the ones covered by moss formations as well as the most convex. Permafrost degradation in Cierva Point, which is an Antarctic Specially Protected Area, may lead to significate impacts in the local ecosystem. |
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Spatial modelling of the temperature at the top of Permafrost in Cierva Point (Antarctic Peninsula)PermafrostActive layerTemperature regimeWestern Antarctic PeninsulaTTOPGeografiaThe Western Antarctic Peninsula (WAP) has shown complex reactions to climate change in the last decades. To evaluate the changes occurring in these environments, permafrost and active layer monitoring and modelling are essential. In this dissertation, the characteristics of the ground temperature regime are analysed and the spatial distribution of the “Temperature at the Top of Permafrost” (TTOP) in Cierva Point (Danco Coast, WAP) is estimated using topo-climatic information over an area of 0.65 km2. With the results, the climate sensitivity of permafrost in this area and the potential impact of small climate change in its extent are evaluated. A first evaluation of the temperature regimes allowed to determine the temperature and depth of the permafrost table and the ground thermal offset using observed borehole and climate data from nine different monitoring sites, in selected periods from 2012 to 2018. The top of permafrost was observed at depths of 0.4, 1 and 5m and the temperature at these depths was observed to be -1.4 ºC, -2.6 ºC and 1.2 ºC in these locations. For the monitoring boreholes where the top of permafrost was not reached, the depth of the top of permafrost was estimated to range between 0.4 and 5 m with temperatures ranging between -0.2 ºC and -2.6 ºC. The results were used together with topographic data to implement the spatial TTOP model using a Geographical Information System (GIS)-based methodology to implement a high-resolution model (1 x 1 m grid cell) that allows a further insight into the spatial characteristics of permafrost. Permafrost was estimated to be present in nearly 88% of the area and the lower TTOP values were found at high altitudes and unconsolidated soil or peat areas covered by moss. The highest TTOP results were found at low altitudes, bare surfaces and concave areas. Bare surfaces increase exposure to solar radiation during the summer and the concavity of the terrain promotes higher snowpack accumulation during the winter, which acts as a good thermal insulator hindering ground energy loses. In the areas where the mean temperature at the top of permafrost was found to be higher than 0 ºC, permafrost is absent and the TTOP stands for the temperature at the base of the seasonal freezing layer. An increment of the TTOP was observed in case of a hypothetical long-term increase of 1 ºC in the MAAT and the results suggest the disappearance of nearly 50% of the current modelled permafrost area. Ground temperatures resulted to be more sensitive to the temperature increment at bare ground surfaces and/or concave sites. The less sensitive areas were the ones covered by moss formations as well as the most convex. Permafrost degradation in Cierva Point, which is an Antarctic Specially Protected Area, may lead to significate impacts in the local ecosystem.Durante as últimas décadas, a região ocidental da Península Antártica manifestou reações complexas às mudanças climáticas e as suas causas ainda não foram completamente compreendidas. Na segunda metade do século XX, foi observada uma tendência de aquecimento na Península Antártica. Contudo, a partir do início do século XXI, observou-se uma tendência para o arrefecimento em algumas regiões da Península. Com o objetivo de avaliar os efeitos destas reações nos ambientes livres de gelo da região, é importante a monitorização e modelação do permafrost e da camada ativa. O permafrost é definido como solo permanentemente congelado (mantém a temperatura a/ou abaixo de 0 ºC durante pelo menos dois anos). A camada compreendida entre a superfície do solo e o topo do permafrost, e que congela e descongela sazonalmente, é designada como “camada ativa”. Nesta dissertação, são analisadas as caraterísticas do regime térmico do solo em Cierva Point (Costa de Danco Coast, Península Antártica Ocidental), numa área com 0.65 km2 e apresenta-se um mapa da distribuição espacial da Temperatura no Topo do Permafrost (TTOP), usando dados topoclimáticos observados e modelizados. Com os resultados, é avaliada a sensibilidade climática do permafrost e o potencial impacte que mudanças na temperatura média anual poderão causar na sua extensão. Inicialmente, foi desenvolvida uma análise do regime térmico do solo em nove locais com diferentes caraterísticas usando dados climáticos e de temperaturas do solo observados de 2012 a 2018 em perfurações instaladas na área de estudo. Esta análise, permitiu a determinação da espessura e da variabilidade interanual da camada ativa, da temperatura e profundidade do topo do permafrost, e finalmente, do offset térmico do solo (diferença de temperatura entre a superfície do solo e o topo do permafrost) nestes nove locais. O topo do permafrost (TOP) foi encontrado em três dos nove locais com diferentes caraterísticas a 0,4, 1 e 5 m de profundidade e com temperaturas de -1.4 ºC, -2.6 ºC e 1.2 ºC, respetivamente. Contudo, os dados mostraram que a presença de permafrost é possível em oito dos nove locais, embora a profundidades maiores que aquelas de algumas perfurações, que apenas se encontram na camada ativa. As temperaturas no topo do permafrost estimadas nestes nove locais variam entre -0,2 ºC e -2,6 ºC. Em geral, o topo do permafrost foi observado a maior profundidade em locais com afloramentos rochosos, seguindo-se os depósitos não consolidados e os substratos orgânicos formados por musgos. Os resultados da análise do regime térmico foram utilizados, em conjunto com dados topográficos, para a implementação de um modelo espacial da “Temperatura no Topo do Permafrost” (TTOP) em toda a área de estudo, usando uma metodologia baseada nos Sistemas de Informação Geográfica (SIG). Para a implementação do modelo TTOP, foram determinadas relações estatísticas entre os fatores topográficos e os parâmetros que constituem o modelo usando como base os dados observados nos nove locais. O software SPSS Statistics 25 foi o utilizado para estimar as correlações estatísticas entre fatores topográficos e parâmetros observados e para determinar as relações matemáticas existentes entre eles. Mais tarde, as relações estatísticas encontradas foram espacialmente computadas sob a área de estudo mediante o software ArcMap 10.4, e finalmente aplicou-se a equação do modelo sob a área de estudo completa. O resultado foi um modelo TTOP de alta resolução (1 m) que oferece pela primeira vez uma perspectiva da distribuição espacial do permafrost em Cierva Point. Os resultados do modelo TTOP ilustram os valores mais baixos (até -6.2 ºC) em solos orgânicos ou pouco consolidados cobertos por musgos e em altitude, do que em áreas de menor altitude de rocha nua, húmidas e em terrenos côncavos Os valores da Temperatura no Topo do Permafrost modelizada mais elevados (superiores a 0 ºC e até 3,5 ºC), encontraram-se em áreas mais baixas, húmidas e com topografia côncava. Nestas áreas, os valores resultantes representam, efetivamente, a temperatura na base do solo gelado sazonal. Embora a profundidade do topo do permafrost seja desconhecida, os resultados mostram que o permafrost deverá estar presente em 88% da área de estudo, estando ausente especialmente em setores com solo nú em altitudes inferiores a 120 m e com topografia côncava. O modelo espacial desenvolvido foi ainda usado para identificar a potencial sensibilidade do permafrost face a um cenário hipotético de aumento da temperatura média anual do ar de longo prazo de 1 ºC, considerando estáveis os restantes fatores como a precipitação, a neve, a humidade do solo, a distribuição dos musgos, etc. Os resultados indicam um significativo aumento na temperatura no topo do permafrost, correspondendo a um valor médio de +1.2 ºC, e o possível desaparecimento das condições para a manutenção do permafrost em cerca de 50% da área com permafrost na atualidade. A área com permafrost, ficaria então reduzida a cerca de 43% da área de estudo. Os setores mais sensíveis a esta mudança de temperatura são as áreas localizadas a menor altitude, caraterizadas por superfícies nuas e/ou elevados valores de concavidade topográfica. As áreas menos sensíveis ao impacte do aumento de temperatura são as com cobertura de musgos, pois estes atuam como isolante térmico, assim como as áreas com topografia convexa. A dinâmica do permafrost é especialmente importante em Cierva Point, que é uma Área Especialmente Protegida no quadro do Sistema do Tratado para a Antártida (ASPA), devido à presença de uma colónia de pinguins Gentoo, assim como de coberturas de líquenes e musgos. A redução da área com permafrost poderá influenciar significativamente o ecossistema local, pelos seus impactes na hidrologia e consequentemente, na flora. As propriedades impermeáveis do permafrost promovem o escoamento de água nos horizontes superficiais do solo ou à superfície, bem como a formação de pequenas lagoas temporárias. O descongelamento do permafrost, poderá induzir o aumento da infiltração em profundidade, reduzindo a água disponível para a vegetação.Vieira, GonçaloGoyanes, GabrielRepositório da Universidade de LisboaRamos Marín, Sara2019-01-03T11:31:30Z2018-11-082018-11-08T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/36229TID:202034771enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:32:44Zoai:repositorio.ul.pt:10451/36229Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:50:31.869411Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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