Climate controls and permafrost-volcano interactions, Deception Island, Antarctica

El programa de monitoreo de capa activa de la International Permafrost Association (CALM) fue desarrollado en las últimas décadas con la finalidad de comprender el impacto del cambio climático sobre los ambientes con permafrost. A partir del Año Polar Internacional (2007-2008), se han incrementado los estudios en la temática en la región de la Península Antártica en un esfuerzo realizado a nivel mundial (CALM-S), debido al reducido conocimiento del comportamiento del mismo. A su vez, debido a la complejidad de instalar y mantener equipos de monitoreo en la zona, y con la finalidad de extender los resultados obtenidos en estos sitios puntuales, ha habido un incremento de estudios correlacionando la presencia y/o degradación de estos suelos congelados con los procesos que ocurren en superficie. En este trabajo se analizan los resultados obtenidos de los sitios CALM-S Irizar, Cráter Lake y Refugio Chileno, ubicados en Isla Decepción, uno de los volcanes activos localizados en el Continente Antártico. La relevancia del estudio en este sitio es que allí se produce la interacción entre procesos ligados a la ocurrencia de permafrost, al cambio en las condiciones climáticas y al vulcanismo activo, siendo que además, la isla es una de las áreas protegidas por el Tratado Antártico. En estos sitios de monitoreo se ha medido el espesor, el estado térmico y la distribución espacial de la capa activa, como así también se ha analizado su interacción con la temperatura del aire y el espesor y distribución de la cubierta nival y sus tendencias. Con la finalidad de extender estos resultados, se ha realizado un relevamiento geomorfológico de detalle de la isla. Con él, se efectuó un modelado geomórfico con base en el método estadístico de Valor Informativo, a fin de analizar la distribución espacial de las geoformas mapeadas e inferir sus posibles factores condicionantes. Además, con base en relatos históricos y en trabajos de investigación antiguos, se ha construido la historia volcánica de la isla desde el punto de vista de la evidencia geomorfológica hallada. En el sitio Irizar la evolución del espesor de capa activa varió interanualmente entre los valores de 67 y 45 cm, sin mostrar una clara tendencia dentro del corto período analizado; por el contrario, el sitio Cráter Lake evidenció una tendencia significativa a la disminución de espesor entre los años 2006 y 2014, de 35,5 a 23,1 cm. La distribución espacial, el espesor y el régimen térmico de esta capa, en los sitios de monitoreo, mostraron estar condicionados principalmente por la potencia de la cubierta de nieve, la granulometría/litología y la exposición frente a los vientos. La ausencia de potentes espesores de nieve durante el invierno, como lo ocurrido en el 2011 y en el 2012, favoreció la libre interacción suelo-atmósfera permitiendo alcanzar las temperatura más frías observadas en los sondeos, siendo inferiores a los -10 ºC. Por el contrario, la presencia de espesores de nieve superiores a los 20 cm, como lo ocurrido durante el invierno del 2010, inhibió el enfriamiento del suelo, el cual alcanzó solamente los -3 ºC. Durante el verano, debido a la ausencia de una cubierta nival, los primeros 60 cm de los sondeos alcanzaron temperaturas cercanas a los 4 ºC, mientras que su parte inferior permaneció a 0 ºC durante el período analizado. Esto permite suponer la presencia del tope del permafrost a esta profundidad. Por su lado, los sitios expuestos a los vientos y con mayor granulometría, desarrollaron los mayores espesores de deshielo superficial debido a que favorecen la rápida conductividad térmica al comienzo de la época de fusión. El relieve, la topografía de detalle y la orientación de las laderas frente a la radiación solar incidente, solamente ejercieron un control menor sobre la distribución de esta capa superficial. Pese a tratarse de un volcán activo con procesos geotérmicos e hidrotermales superficiales puntuales, la dinámica de la capa activa solamente ha evidenciado una influencia de los mismos muy reducida y solamente cercana a los sitios anómalos. Allí, la interacción local entre el flujo geotérmico anómalo y la ocurrencia de permafrost controlan la hidrología del sitio provocando el desarrollo de movimientos de remoción en masa. El modelado geomorfológico de susceptibilidad de ocurrencia utilizando el método estadístico de Valor Informativo, mostró buenos resultados al considerar a las geoformas analizadas como polígonos. Por otro lado, al considerarla como puntos, el modelado arrojo resultados excelentes, con niveles de predicción y validación superiores al 80 %. De esta forma, fue posible aproximar la distribución de las geoformas de acuerdo a los factores condicionantes considerados (elevación, pendiente, exposición, curvatura total, radiación solar potencial, índice de humedad, litología, permeabilidad y temperatura del aire). A su vez se ha realizado una correlación de esta aproximación con los datos meteorológicos locales y regionales, permitiendo aproximar la génesis de cada una.The Circumpolar Active Layer Monitoring (CALM) program developed over the last two decades has a leading edge in comprehensive efforts to study the impacts of climate change in permafrost environments. Since the International Polar Year (2007-2008), an increase in the permafrost studies in the Antarctic Peninsula region has developed as an international effort to bridge the gap on the understanding of regional permafrost and active layer conditions. In turn, in order to overcome limitation due the complexity of installing and maintaining monitoring equipment and, in order to extend the observations besides specific monitoring sites, there has been an increase in studies analyzing frozen ground and its degradation in relation to the surface processes. In this work, data from Irizar, Crater Lake and Refugio Chileno CALM-S sites, located in Deception Island, one of the active volcanoes in the Antarctic region, are analyzed. The site is especially relevant due to the widespread occurrence of permafrost and active volcanism, in a setting of strong climate warming in the last decades. Furthermore, the island is an Antarctic Treaty protected site. Active layer thickness, thermal regime and distribution, as well as its interaction with air temperature and snow were analyzed at the monitoring sites. In order to obtain a better spatial understanding of active layer dynamics and its impact, a detailed geomorphological survey of Deception Island at scale of 1:15.000 was made. A statistical modeling of geomorphic processes based on Information Value method was performed in order to understand spatial distribution and triggering factors. Historical accounts and research papers have been analyzed in order to review the volcanic history of the island based on geomorphological evidence. In Irizar CALM-S site the active layer depth varied interannually between 67 and 45 cm without a clearly trend over the short record available. By contrast, Crater Lake CALM-S showed a significant thinning trend over the period 2006-2014, from 35.5 to 23.1 cm. In all sites, the spatial patterns of thaw, the active layer thickness and thermal regime were mainly controlled by snow cover conditions, grain-size/lithology and wind exposure. The occurrence of thin snow thickness during the winter, as in 2011 and 2012, favored the ground-atmosphere interaction allowing to reach the coldest borehole temperatures observed, still lower than -10 ºC. On the contrary, snow depths greater than 20 cm, as in 2010 winter, inhibited ground cooling reaching only -3 ºC. During the summer, due to snow cover absence, the first 60 cm of the boreholes reached temperatures close to 4 ºC meanwhile the bottom of them remained at 0 ºC during the period analyzed. This suggests the presence of the top of permafrost at this depth. On the other hand, the sites with larger grain sizes and exposed to the wind action, developed greater active layer thickness due to higher thermal conductivity at the beginning of melt season. The relief, the detailed topography and solar radiation also exerted a local control over the spatial patterns. Despite being an active volcano surficial geothermal anomalies and hydrothermal processes are local phenomena and as such, active layer dynamics, is only impacted in their vicinity. There, local interaction between high geothermal flux and permafrost occurrence at depth control the hydrology of the site resulting in the mass wasting landforms generation. Susceptibility modeling of geomorphological process distribution using the Information Value statistical method showed good results when analyzing landforms as polygons. However, when considering landforms as point features, the modeling results were excellent, with both prediction and success rates up to 80 %. This allowed to identify the effects of independent variables such as elevation, slope, aspect, total curvature, total solar radiation, moisture index, lithology, permeability and air temperature, on landform distribution. These results were discussed accounting for both local and regional meteorological data, allowing to infer causal effects.Fil:Goyanes, Gabriel Alejandro. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina