Zmiana klimatu a klify. Polka badała wybrzeże Kalifornii, teraz zbada wybrzeże Bałtyku

Co ma promieniowanie kosmiczne do losu klifów? Jak zmiana klimatu może na nie wpłynąć? I czy erozja przybrzeżna to zjawisko, które warto próbować ograniczać? Odpowiedzi na te i wiele innych pytań udziela dr Zuzanna Świrad, która rozpoczyna właśnie badania nad klifami Morza Bałtyckiego.

Erozja przybrzeżna

Szymon Bujalski: W szkole uczyli nas, że erozja wybrzeża to naturalny proces. W obecnych czasach już jednak nie taki naturalny? 

Dr. Zuzanna Świrad: Faktycznie, ludzie mogą pośrednio wpływać na erozję. Jeśli na przykład przyczyniamy się do podwyższenia poziomu morza, to wpłyniemy na erozję. Gdy postawimy konstrukcje uniemożliwiające swobodny transport osadów plażowych, odcinki klifów morskich mogą tracić bufor chroniący je przed atakiem fal. Również regulując rzeki, ograniczamy dostawę materiału plażowego.

A co wynika z pomiarów? Erozja wybrzeży przyspiesza?

 – W niektórych miejscach przyspiesza, w innych nie – to zależy od konkretnej lokalizacji.

Czyli od czego dokładnie?

 –  Na przykład od tego, jak wygląda dane wybrzeże – od jego morfologii czy budowy geologicznej. Ale również od klimatu – sztormów, zmian poziomu morza.

W swojej pracy zajmuję się wybrzeżami skalistymi. Niektóre skały ulegają erozji pod wpływem opadów, a fale morskie w ogóle nie odgrywają w tym żadnej roli. Dla innych to właśnie falowanie będzie kluczowe. Albo to, czy przed klifem znajduje się plaża, czy nie – bo plaże z jednej strony chronią klify przed falami, a z drugiej strony materiał poderwany z plaży, uderzając w klif, może przyspieszyć erozję.

Jaka bywa największa skala mierzonej erozji?

– Wybrzeża arktyczne zbudowane są w luźnych osadach, w których dodatkowo może być   masywny lód. Gdy w skutek wzrostu temperatur lód topnieje, a grunt rozmarza, dochodzi do cofnięcia brzegu nawet do kilkudziesięciu metrów na rok. Ma to miejsce m.in. na obszarze północnej Rosji i Kanady.

Jakie wybrzeża pani badała, w jakich częściach świata? 

– W czasie studiów doktorskich badałam wybrzeża Wielkiej Brytanii. Później skupiałam się na wybrzeżach Kalifornii i Spitsbergenu, ale w tym ostatnim przypadku nie były to klify, tylko plaże mieszane i kamieniste. Aktualnie zaczynam zaś projekt na temat skalistych wybrzeży Bałtyku. Lite skały nie są odsłonięte w Polsce; znajdziemy je między innymi w Estonii, na Gotlandii i na Łotwie, więc na tych obszarach będę się skupiać.

Wybrzeża skaliste – co je wyróżnia?

Czym różni się badanie wybrzeży skalistych od badania innych typów wybrzeży?

– Wybrzeża możemy podzielić na wybrzeża plażowe, podmokłe tereny przybrzeżne oraz wybrzeża skaliste charakteryzujące się tym, że są zbudowane w skałach litych. Ten ostatni typ wybrzeży nigdy nie był odpowiednio zbadany. Znacznie więcej artykułów powstawało na temat plaż i terenów podmokłych. Na przykład w latach 90. XX w. publikowano rocznie średnio 50 artykułów o wybrzeżach w osadach luźnych, ale tylko cztery w temacie wybrzeży skalistych. To mniej niż 10%. Podobnie wygląda to w podręcznikach akademickich na temat wybrzeży.

Skąd taka dysproporcja? 

– Z kilku powodów, które są też odpowiedzią na wcześniejsze pytanie.

Po pierwsze, przez wiele lat wydawało nam się, że na wybrzeżach skalistych mało się dzieje. Gdy na plaży pojawia się sztorm, efekty widać od razu. Tymczasem w przypadku wybrzeży skalistych może być tak, że mimo naprawdę wielkich fal nic się na klifie nie zmienia. Dopiero później, w wydawałoby się bezpiecznych warunkach i przy pięknej pogodzie, taki klif może runąć. 

Po drugie, odpowiedzi rzeźby terenu na różne czynniki występujące na wybrzeżach skalistych są nie tylko opóźnione, ale też pośrednie i skomplikowane. Często trudno znaleźć bezpośredni związek między jakimś czynnikiem klimatycznym a erozją klifu.

Po trzecie, klify to często obszary trudne do fizycznego prowadzenia badań. Nieraz nie da się na nie dostać – jest to po prostu zbyt niebezpieczne.

Skoro badania wybrzeży skalistych były obszarem zaniedbanym, dlaczego warto to zmienić?

– Większość ludzi żyje niedaleko wybrzeży, a ponad połowa wybrzeży światowych ma klify. Na tych klifach zbudowane są miejscowości, drogi, koleje, strefy wojskowe, elektrownie, uniwersytety… Czasami stanowią one też część parku narodowego lub innego chronionego obszaru przyrodniczego, czyli mają duże znaczenie przyrodnicze i turystyczne.

Obecnie dysponujemy metodami badawczymi, które pozwalają nam dokładnie i precyzyjnie mierzyć erozję. Zaczęliśmy też rozwijać modele numeryczne, dzięki którym lepiej rozumiemy dynamikę wybrzeży skalistych, czyli zachodzące tam procesy fizyczne. Skoro mamy takie możliwości, warto wiedzieć, co się dzieje i co może się zadziać w przyszłości. Bo faktycznie – klify się cofają, choć nie wszędzie tak samo szybko, co stanowi realne zagrożenie dla ludzi i infrastruktury. 

Erozja przybrzeżna a zmiana klimatu i wzrost poziomu morza

Wzrost poziomu morza, sztormy i klify… Co już wiemy na ten temat, a czego wciąż nie?

– Jeśli chodzi o zmiany poziomu morza, reakcja klifów jest czymś bardzo trudnym do oceny. Plaże naturalnie umiejscowią się na jakimś poziomie „równowagi”. Wzrost poziomu morza skutkuje tym, że plaża przesunie się trochę wyżej, trochę bardziej w głąb lądu. Klif się nie przesunie, nie podniesie, bo nie może. Po prostu fale będą atakowały to samo wybrzeże na innej wysokości. A jeśli skała runie, to runie bezpowrotnie – już się nie odbuduje.

Wyzwaniem na przyszłość jest zrozumienie, jak przy wzroście poziomu morza zmienią się procesy fizyczne na wybrzeżach skalistych i jak przełoży się to na to ich zachowanie. Przykładowo weźmy pod uwagę platformy przybrzeżne. Platforma przybrzeżna – lub abrazyjna – to swego rodzaju półka skalna przed czołem klifu. Gdy klif się cofa, platforma mniej więcej na poziomie morza tworzy się, a potem rozszerza. 

W czasie odpływu fale mogą łamać się w okolicy krawędzi platformy, a w czasie przypływu docierać do klifu. Często wietrzenie fizyczne spowodowane naprzemiennym zanurzaniem i odsłanianiem platformy ze względu na poziom pływów odgrywa kluczową rolę w ewolucji platformy. Jeśli wyższy poziom wody spowoduje, że nawet przy odpływie platforma będzie pod wodą, procesy wietrzeniowe mogą być mniej efektywne, zmienią się procesy fizyczne.

Czy będą to takie same procesy, tylko zachodzące z inną intensywnością? A może będą to zupełnie inne procesy? Szukamy odpowiedzi na takie właśnie pytania.

A jak to jest ze sztormami?

– Erozja klifów jest związana z intensywnością sztormów. Żeby wiedzieć, co dzieje się na klifach, musimy rejestrować zmiany topograficzne. Możemy na przykład co roku robić serię zdjęć z drona i używać ich do budowania modeli terenu, a potem wychwytywać zmiany topograficzne. Ale liczba, intensywność i długość sztormów z roku na rok może się różnić. Najlepiej byłoby więc powiązać fale z konkretnego sztormu z konkretną miarą erozji, na przykład objętością zerodowanego materiału (w metrach sześciennych), cofnięciem czoła klifu (w metrach) lub tempem cofania klifu (w metrach na rok)

I robicie tak?

– Pod kierunkiem Adama Younga przeprowadziliśmy trzyletnie badania piaskowcowych klifów południowej Kalifornii (Young i in. 2021). Co tydzień skanowaliśmy 2,5 km odcinek wybrzeża skanerem laserowym umieszczonym na pace samochodu. Dzięki tak częstym pomiarom byliśmy w stanie powiązać erozję z konkretnymi sztormami. Znaleźliśmy liniową zależność między kumulowaną wysokością fal uderzających o klif a objętością materiału oderwanego w dolnych partiach klifu. 

Znajdowanie takich zależności może pomóc w przewidywaniu, co stanie się w przyszłości, gdy sztormy będą trwać dłużej, pojawiać się częściej, a fale będą wyższe i dłuższe.

Jak bardzo zmiana klimatu wpływa na erozję wybrzeży?

– W 2018 r. opublikowano artykuł przeglądowy grupy badaczy pod kierunkiem Mélody Prémaillon (Prémaillon i in. 2018). Przeanalizowano w nim 58 publikacji dotyczących tempa erozji klifów na całym świecie, robiąc to w bardzo systematyczny sposób. Autorzy przeprowadzili statystyczne analizy zależności między tempem cofania klifów, a budową geologiczną i różnymi parametrami klimatycznymi – falami, zmianami poziomu morza, pływami, wietrzeniem mrozowym, itp.

I okazało się, że w skali globalnej tak naprawdę istnieje tylko jedna właściwość, którą można powiązać bezpośrednio z tempem cofania klifów. To budowa geologiczna – litologia, czyli typ skały (piaskowiec, wapień, kreda, bazalt, granit) oraz struktura (spękania, uskoki czy inne nieciągłości).

Jeśli chodzi o klimat, jako jedyny statystycznie istotny czynnik wskazano wietrzenie mrozowe, przez autorów przybliżone przez liczbę dni z temperaturą poniżej 0°C.

Jaki wniosek pani z tego wyciąga?

– To pokazuje, jak bardzo lokalne są te zjawiska i jak bardzo trzeba mieć na uwadze specyfikę obszaru, żeby zrozumieć, co się dzieje. Na przykład w naszym badaniu w Kalifornii znaleźliśmy zależność między erozją a klimatem. Ale możliwe, że w innym miejscu i dla innego typu skał tej zależności już nie będzie.

Które skały są najbardziej, a które najmniej wytrzymałe? 

– Skały krystaliczne, bazalty, granity są bardzo wytrzymałe, piaskowce i wapienie są zwykle średnio wytrzymałe, a mułowce czy kreda to miękkie skały mało odporne – podobnie jak polskie klify w osadach polodowcowych.

Jakie czynniki związane ze zmianą klimatu mogą wpływać na erozję? Wyższe temperatury wody, zmiana zasolenia, intensywność opadów?

– Prawdopodobnie zasolenie albo kwasowość wody będą wpływać na niektóre klify. To na przykład istniejące na Bornholmie czy Rugii klify kredowe, które mogą erodować przy pomocy rozpuszczania materiału. 

Zmiany temperatury powietrza mogą modyfikować cyrkulację atmosferyczną wpływając na kierunek i porywistość wiatru. A wiatr kontroluje wielkość fal. 

Jednym z głównych czynników osuwania się klifów w miękkich osadach są opady, z powody których grunt staje się nasycony wodą. Niezależnie od tego, co dzieje się w morzu, nasycenie materiału klifowego może więc powodować osuwanie.

Ochrona wybrzeży przed erozją

Czy ograniczenie erozji jest możliwe? I czy jest w ogóle uzasadnione pod kątem tego, co możemy uzyskać, jak mocno zaingerujemy w środowisku i jakie koszty będzie to oznaczało?

– Istnieją metody ograniczenia erozji. Klify można na przykład zabetonować. Tylko że jest to obusieczny miecz, bo gdy uniemożliwiamy erozję klifu, jednocześnie uniemożliwiamy dostawę materiału, który buduje plaże. Często to właśnie przez oberwanie się klifu, a następnie rozdrobnienie materiału, powstaje materiał plażowy. Gdy mamy zaś mniej plaży, to do klifu docierają większe fale.

Z czasem może dojść do tego, że o ile klify zostaną umocnione, przed nimi w ogóle zniknie plaża i zmaleje na przykład wartość turystyczna. Nie wspominając o tym, że mniej erozji w jednym miejscu oznacza wzmożoną erozję gdzieś indziej, zwykle na odcinku klifu położonym bezpośrednio obok zabezpieczeń.

Czyli warto chronić klify przed erozją, czy nie za bardzo? 

– Wydaje mi się, że najlepsze, co moglibyśmy zrobić, to zostawić dany obszar przyrodzie. Sam proces erozji, czyli de facto przesunięcia brzegu w stronę lądu, jest bardzo naturalny. Tylko problem pojawia się w sytuacji, gdy na szczycie klifu znajdują się domy mieszkalne, które chcemy chronić. Rodzi się jednak pytanie, jak długo i jakim kosztem.

Inne metody spowalniania erozji to budowanie konstrukcji, które łamią fale zanim te dotrą na brzeg. Dzięki temu do brzegu docierają mniejsze fale, które mają mniejszą moc erozyjną. Ale i tu pojawiają się dodatkowe pytania: gdzie umiejscowić takie konstrukcje, jak wysoko muszą sięgać i jeśli poziom morza wciąż będzie wzrastać, to czy dalej będą spełniać swoją funkcję? 

Z pani słów wnioskuję, że być może istotniejsze jest nie to, jak i czy chronić klifowe wybrzeże przed erozją, tylko gdzie i czy w ogóle budować infrastrukturę w takich miejscach?

– Jedno pytanie dotyczy tego, gdzie powinny powstawać nowe inwestycje, a drugie tego, co robić z infrastrukturą już stworzoną, a będącą lub mogącą znaleźć się w zagrożeniu. Odpowiedzi na to niech już jednak szukają inżynierowie i planiści. 

Badania wybrzeży Bałtyku

W takim razie zmieńmy temat. W badaniu wybrzeża Bałtyku istotną rolę odegra datowanie kosmogeniczne. Czyli co dokładnie?

– Datowanie kosmogeniczne to metoda określania wieku odsłonięcia powierzchni skalnej. Ziemia jest bombardowana przez promieniowanie kosmiczne i przy powierzchni powstają tzw. izotopy kosmogeniczne. Na przykład w piaskowcu są ziarna kwarcu, a w ziarnach kwarcu powstają izotopy berylu 10. Jeśli policzymy koncentrację tych izotopów – ilość atomów na gram materiału – możemy odtworzyć, kiedy dana skała została wyeksponowana na powierzchnię, kiedy przestała być w głębi. W przypadku wybrzeży skalistych interesuje nas rekonstrukcja tempa cofania klifów morskich. Możemy zatem zrekonstruować, kiedy dane miejsce na wspomnianej wcześniej platformie abrazyjnej (półce skalnej) przed klifem zostało odsłonięte. A więc to, kiedy był tam klif.

To zaś pozwoli nam obliczyć tempo cofania na przestrzeni tysięcy lat. I to jest świetna metoda, bo wybrzeża skaliste są całkowicie erozyjne czyli nie dysponujemy żadnymi osadami, których możemy  użyć do datowania innymi metodami. Tak naprawdę datowanie kosmogenicznie jest obecnie jedyną metodą odtwarzania tempa cofania klifu na przestrzeni tysięcy lat.

Co nam to może dać?

– Na przykład zobaczymy, czy to, co dzieje się współcześnie, jest reprezentatywne dla dłuższego okresu. Będziemy zatem wiedzieć, czy klif cofa się szybciej niż się cofał przez tysiące lat, czy wolniej, czy w podobnym tempie.

Na świecie do tej pory przeprowadzono około 10 badań tego typu. Są one dosyć skomplikowane, bo wymagają przeprowadzenia badań laboratoryjnych, zbudowania modelu numerycznego i jeszcze posiadania danych terenowych. Niektóre badania pokazały, że to, co dzieje się teraz, jest mniej więcej tym samym, co działo się przez tysiące lat. Inne badania wykazują zaś, że klify cofają się wolniej, a jeszcze inne – że szybciej. I znów wracamy do tego, o czym już rozmawialiśmy, czyli jak wielkie znaczenie ma lokalność.

Z dokładnością do ilu lat potrafią zmierzyć przeszłość takie badania?

– To zależy od tego, jak rygorystycznie przeprowadzi się badania. Można jednak przyjąć, że zazwyczaj z dokładnością do ok. 100 lat.

Na wybrzeżu Bałtyku wykorzystacie dokładnie taką technologię?

– Zgadza się. Tytuł naszego projektu to: „Erozja klifów wzdłuż skalistych wybrzeży Bałtyku: obserwacje, rekonstrukcje, predykcje”. Badania kosmogeniczne będą więc odpowiadać za część rekonstrukcyjną.

Do rekonstrukcji długookresowych zmian na wapiennych wybrzeżach Estonii zmierzymy koncentrację izotopu chloru 36. Do tej pory nie był on jeszcze używany na wybrzeżach skalistych. 

Wybrzeże Bałtyku jest ciekawe, ponieważ niewiele badań wybrzeży skalistych przeprowadzono na obszarach, które podnoszą się na skutek ruchów izostatycznych, w tym przypadku ustąpienia lądolodu skandynawskiego. Oprócz tego jest to morze zamknięte, czyli pozbawione długich fal oceanicznych. Występujące na nim fale wiatrowe są zaś bardzo zmienne – zwłaszcza jeśli chodzi o kierunki. Ponadto w północnej części Bałtyku, w Zatokach Botnickiej i Fińskiej, istnieje sezonowa pokrywa lodowa. Co prawda jest jej już coraz mniej, niemniej wciąż warto zbadać, jaki wpływ na erozję klifów ma obecność lodu morskiego. I na koniec pozostaje jeszcze kwestia wietrzenia mrozowego i zrozumienia, co dzieje się z klifem, gdy temperatura powietrza spada poniżej 0°C.

Jak więc widać klifom Morza Bałtyckiego warto przyjrzeć się z wielu powodów.

W jaki jeszcze sposób będziecie to badać?

– Na pewno będziemy odtwarzać topografię i analizować zmiany sezonowe i z roku na rok. Do tego dochodzi mapowanie geomorfologiczne, analizowanie twardości skał, pomiary spękań. Żeby udokumentować zmiany na przestrzeni dekad, będziemy posiłkować się istniejącymi mapami topograficznymi i danymi lidarowymi.

Jak rozumiem predykcja polegać będzie zaś na tym, że porównacie przeszłość z teraźniejszością i na tej podstawie wskażecie możliwe trendy?

– Chcemy poniekąd rozszyfrować, jakie procesy faktycznie mają tam miejsce i jak one mogą się zmienić w przyszłości, najpewniej nasilić. Zależy nam na tym, by te badania były jak najbardziej użyteczne.

A te badania będą użyteczne, gdyż…?

– To może wyjaśnię to na przykładzie Kalifornii. W miejscu, które badaliśmy, biegnie linia kolejowa na trasie pomiędzy San Diego i Los Angeles. Obecnie znajduje się zaledwie kilka metrów od krawędzi klifu. Nasza ocena dynamiki klifów pomogła w podjęciu decyzji co do ich przyszłości.

Nasze badania na Bałtyku mogą więc pomóc lokalnym władzom, decydentom czy mieszkańcom ustalać, jak blisko klifu warto budować nową infrastrukturę i czy ewentualnie nie trzeba zastanowić się nad jakąś ochroną tej już istniejącej.

W badaniu klifów jeszcze długa droga przed nami?

– Myślę, że jest bardzo dużo do zrobienia. Na szczęście metody, którymi dysponujemy, są coraz lepsze.

Najważniejsze, czym trzeba się zająć, to znalezienie zależności między klimatem a erozją. Musimy zrozumieć, w jakiej skali czasowej i przestrzennej powinniśmy rozpatrywać procesy i spróbować znaleźć globalne zależności. To jest naprawdę kluczowe.

Inna sprawa to większa praktyczność naszych badań. Wykonujemy badania różnych obszarów, ale tak naprawdę ta wiedza zazwyczaj nie dociera do osób, które mogą podejmować istotne decyzje, takich jak lokalne władze i decydenci. Chodzi więc o to, żebyśmy nie tylko stworzyli system do przewidzenia przyszłości, ale i przekazali informacje na ten temat w taki sposób, żeby zostały one odpowiednio wykorzystane.

Rozmawiał Szymon Bujalski

Zuzanna Świrad jest geomorfolożką, adiunktką w Instytucie Geofizyki PAN. Interesuje się procesami przybrzeżnymi, brzegowymi i stokowymi, w szczególności geomorfologią wybrzeży skalistych. Ukończyła geografię na Uniwersytecie Wrocławskim, doktorat broniła na Durham University w Wielkiej Brytanii, a staż podoktorski odbyła w Scripps Institute of Oceanography, University of California San Diego. Jest kierowniczką rozpoczynającego się projektu Narodowego Centrum Nauki SONATA pt. „Erozja klifów wzdłuż skalistych wybrzeży Bałtyku: obserwacje, rekonstrukcje, predykcje”.