Czym jest hydrologia polarna, co badania zlewni arktycznych mówią nam o zmianach klimatu i dlaczego warto mieć w zanadrzu trzy warianty harmonogramów prac terenowych? Na te pytania odpowiada dr hab. inż. Marzena Osuch, prof. PAN, hydrolog z Zakładu Hydrologii i Hydrodynamiki Instytutu Geofizyki PAN w rozmowie z Dagmarą Bożek, specjalistką ds. komunikacji naukowej i edukacji, w kolejnym odcinku „GEOGADKI” – popularnonaukowego podkastu prowadzonego w ramach projektu „Geofizyka dla każdego”.

Dagmara Bożek: Jak to się stało, że jako hydrolog, który wcześniej zajmował się badaniem wód w Polsce, w 2004 roku wzięłaś udział w wyprawie polarnej na Spitsbergen?

Dr hab. Inż. Marzena Osuch: Dwa dni przed wypłynięciem statku Horyzont II z Polski, okazało się, że jest jedno wolne miejsce. Wtedy pracowałam w Zakładzie Hydrologii i Hydrodynamiki i dziale IT IGF PAN. Była potrzebna osoba, która zrobiłabym inwentaryzację komputerów na stacji polarnej. Oczywiście natychmiast się zgodziłam, ponieważ taki wyjazd był moim odwiecznym marzeniem. W dzieciństwie czytałam wszystkie książki podróżnicze, w tym autorstwa Centkiewiczów, więc jak tylko nadarzyła się okazja, to byłam gotowa.

D.B.: A myślałaś kiedykolwiek o zimowaniu w stacji polarnej?

M.O.: Nie zastanawiałam się nad tym. Miałam dużo innych pomysłów i wyzwań. Obecnie mam tak dużo pracy, że to nie byłoby możliwe. A co najważniejsze – posiadam dwa koty, których bym nie mogła zostawić na tak długo. To nie wchodzi w rachubę, bo to są członkowie rodziny, których nie można ot tak zostawiać.

D.B.: Ten wyjazd dość mocno zmienił kierunek Twoich zainteresowań badawczych. Czy można powiedzieć, że od tego czasu zaczęłaś się zajmować hydrologią polarną?

M.O.: Po raz pierwszy pojechałam na Svalbard w 2004 roku. Po tym okresie nastąpiła dość długa przerwa. Niestety wtedy jeszcze nie miałam swoich własnych projektów, więc byłam trochę uzależniona od osób, które decydowały o tym, kto jedzie na Spitsbergen i co będzie tam robił. Ale to cały czas siedziało w mojej głowie. Ma to z pewnością związek z tzw. chorobą polarną – jak ktoś tam kiedyś pojedzie, pooddycha tym świeżym powietrzem, wyjdzie w teren, to najczęściej jest trafiony zatopiony i marzy o tym, żeby tam wrócić. Czy wróci od razu, czy później, to się okaże i jest to sprawa indywidualna. Ja musiałam na to trochę poczekać, ale z każdej kolejnej szansy skrupulatnie korzystałam. Teraz sama prowadzę własne projekty, żeby być niezależna i móc w każdej chwili tam pojechać.

D.B.: Czyli obszar Twoich zainteresowań to hydrologia Svalbardu – czy można tak powiedzieć?

M.O.: Tak. Już od paru lat prowadzę projekty z zakresu hydrologii polarnej. Miejsce, które badam, jest szczególne. Tam zmiany klimatu są największe na świecie. Jeśli chodzi o zmiany temperatury średniej rocznej, to są to zmiany sześć razy większe niż średnia globalna. Możemy zaobserwować gołym okiem, jak zmienia się tamtejsze środowisko. Najłatwiej to zobaczyć na podstawie lokalizacji czół lodowców. Widać to doskonale również w przypadku hydrologii rzek polarnych. Widzimy, że zaczynają płynąć coraz wcześniej, bo sezon ablacyjny szybciej się zaczyna, i płyną coraz dłużej. Również w okresie zimowym są aktywne, ponieważ mamy takie okresy z temperaturami powyżej zera, kiedy śnieg topnieje.

D.B.: Wspomnieliśmy o rzekach. Uchylmy rąbka tajemnicy dla naszych Czytelników, jakimi jeszcze rodzajami wód zajmuje się hydrologia polarna, a szczególnie Ty w swojej pracy badawczej.

M.O.: Zaczynałam od badań zlewni w okolicach Polskiej Stacji Polarnej Hornsund. Nazywa się Fuglebekken, jest położona mniej więcej 500 metrów od bazy, więc jest łatwo dostępna. Początkowo zainstalowaliśmy tam różne urządzenia i staraliśmy się zrozumieć, jaki jest obieg wody w tej zlewni. Badaliśmy, ile wody tam wpada, ile przepływa, jakie są temperatury powietrza, i na tej podstawie staraliśmy się stworzyć modele, które będą nam sprawdzały, czy na podstawie tych opadów i temperatury będziemy mogli zasymulować przepływy wody w rzece Fuglebekken. Na początku było to dość trudne, ale testowaliśmy wiele różnych podejść i mamy bardzo duże sukcesy. Z początku wydawało się nam, że wszystko rozumiemy. Co oczywiście wcale nie było prawdą. Bo im bardziej zaczyna się wchodzić w temat, umie się stworzyć małe, proste modele, okazuje się, że człowiek wcale nic nie wie. (śmiech) Ta rzeczywistość jest dużo bardziej skomplikowana. Zwłaszcza w zlewniach polarnych jest bardzo dużo czynników, które wpływają na przepływy w nich. I jak mieliśmy na początku cztery sezony z danymi pomiarowymi, to te modele nam się całkiem ładnie dopasowywały. Na tej podstawie bardzo dobrze mogliśmy zasymulować obserwowane przepływy. Jak już mieliśmy trochę więcej danych, to okazało się, że to wcale nie jest takie proste i trzeba wziąć pod uwagę dużo więcej czynników, żeby spróbować zrozumieć, jaki jest obieg wody w przyrodzie, zwłaszcza w zlewniach polarnych.Ta zlewnia, która jest najbliżej stacji, jest niezlodowacona. To znaczy, że na jej terenie nie ma lodowca. Natomiast kolejna zlewnia, która jest położona tuż obok, to Ariebekken. I to jest zlewnia, która jest częściowo zlodowacona. To znaczy, że jest na jej terenie lodowiec, który w znacznym stopniu wpływa na obserwowane i symulowane przepływy w tej rzece. Podczas takiego modelowania musimy oczywiście brać to pod uwagę.

Kolejnym czynnikiem jest tzw. permafrost, czyli wieloletnia zmarzlina. Arktyka jest miejscem, które się ociepla bardzo szybko, a zwłaszcza Hornsund. Kiedy zrobiliśmy wstępne odwierty, bo chcieliśmy sprawdzić, jaka jest miąższość permafrostu i warstwy czynnej w tych okolicach, okazało się, że nasze oczekiwania są bardzo dalekie od rzeczywistości. Zobaczyliśmy, że miąższość warstwy czynnej jest zdecydowanie większa i jej zmiany, podobnie jak permafrostu, w znacznym stopniu wpływają na procesy hydrologiczne w tych zlewniach. Jak się zmienia miąższość warstwy czynnej, to coraz bardziej istotne są wody gruntowe. Pomiary zaczęliśmy trzy lata temu, czyli to jest całkiem świeża sprawa.

D.B.: Interesuje mnie historia badań zlewni przy Polskiej Stacji Polarnej Hornsund. Z tego co się orientuję, mają dość długą tradycję – czy była to końcówka lat 70., czy nieco później?

M.O.: Same badania hydrologiczne prowadzone były wcześniej. Mamy kilka sezonów z archiwalnymi danymi z lat 1978, 1979, 2001. Ale wtedy korzystano z innych urządzeń pomiarowych, pomiary były robione raz na dobę lub rzadziej. Nie do końca też wiemy, w jakich lokalizacjach je prowadzono. Dlatego te ciągi danych nie są homogeniczne. W przypadku małych zlewni zmiany lokalizacji pomiarów o kilkaset metrów dają nam już zupełnie inne dane. Tak więc badania były rozpoczęte, natomiast my zaczęliśmy zbierać regularnie dane, opracowywać modele i, co najważniejsze, możemy się pochwalić wieloma publikacjami. To znaczy, że zamykamy sprawy, pokazujemy efekty światowi naukowemu i tym samym szerokiemu kręgowi odbiorców.

D.B.: To może pochwal się swoją ostatnią publikacją z 2022 roku.

M.O.: To jest jedna z finalnych publikacji z mojego ostatniego projektu finansowanego z Narodowego Centrum Nauki. To był projekt typu OPUS, realizowany we współpracy z Uniwersytetem Wrocławskim i Uniwersytetem Śląskim. W jego ramach analizowaliśmy cztery zlewnie. Moim zadaniem było stworzyć modele hydrologiczne, które będą symulowały przepływy w tych zlewniach. Udało się to zrobić. Testowaliśmy cały szereg różnych modeli i na tej podstawie wybraliśmy te, które dobrze działają. Dzięki jednemu wspólnemu dla wszystkich czterech zlewni o różnym stopniu zalodzenia udało nam się zrekonstruować przepływy, bazując na danych wejściowych, takich jak temperatura powietrza oraz opad, i mamy dzięki temu całe szeregi czasowe przepływów od roku 1979. To jest świetna sprawa, nasze wyniki spotkały się z dużym zainteresowaniem. Niektórzy naukowcy nawet twierdzili, że już nie trzeba prowadzić dalszych monitoringów, bo ja potrafię wszystko zamodelować i to będzie działać. (śmiech) To nieprawda, bo jest wiele różnych czynników, które trzeba wziąć pod uwagę. Im dłuższe serie czasowe będziemy posiadali, tym lepiej będziemy potrafili zrozumieć to środowisko. Zwłaszcza tak dynamicznie zmieniające się.

D.B.: Ty i Twój zespół często bywacie na Svalbardzie, w ostatnim czasie nawet co roku, ale wiadomo, że nie jesteście tam cały czas. Jak wygląda współpraca z pracownikami Polskiej Stacji Polarnej Hornsund, którzy wykonują dla Was pomiary w ramach swojej pracy?

M.O.: Współpraca jest bardzo dobra. W ramach projektów mamy różne ciekawe pomysły badawcze, jakie urządzenia zastosować. Kupujemy sprzęt i robimy pomiary przez pierwsze lato w ramach trwania projektu. Natomiast jeśli widzimy, że dany monitoring, analizy są wartościowe, to przekazujemy je i są one kontynuowane w ramach monitoringu na stacji. Uważam to za świetne rozwiązanie.

D.B.: Czyli rozumiem, że na bieżąco otrzymujecie dane ze stacji w Hornsundzie i pracujecie na nich?

M.O.: Tak, te dane są systematycznie przesyłane do baz w Instytucie kilka razy w ciągu roku i analizuję je w ujęciu czasowym. Uaktualniam i sprawdzam, czy modele nadal działają, czy pojawiło się coś się zmieniło, czy sprzęt działa poprawnie, a te serie obserwacyjne mają sens.

D.B.: Jakie to są dane i jaki sprzęt je rejestruje?

M.O.: Pytasz o monitoring prowadzony na stacji czy działania realizowane w ramach naszego nowego projektu?

D.B.: Z przyjemnością dowiem się czegoś o Waszym projekcie.

M.O.: Od 2021 roku prowadzę nowy projekt, również finansowany przez NCN. Nazywa się SONATA BIS i jest przeznaczony na stworzenie nowego zespołu badawczego. W jego ramach chcemy zbadać nowe rzeczy w naszych dwóch zlewniach w okolicy Hornsundu. Kupiliśmy dron do wykonywania pomiarów, który jest wyposażony w dodatkowe kamery – RGB, termiczną i multispektralną. Dzięki takiemu obrazowaniu możemy stworzyć modele pokrycia terenu. Najnowsze dane są już opracowywane, powstała już nawet publikacja, którą wysłaliśmy do recenzji.

D.B.: Trzymamy kciuki!

M.O.: Prowadzimy również dużo pomiarów in situ – mamy rozstawione urządzenia, które mierzą np. temperaturę gruntu (Tomst) czy temperaturę gruntu na różnych głębokościach, a także wilgotność i zasolenie (czujniki drill&drop). Rozpoczęliśmy całą serię badań parowania rzeczywistego. W tym roku po raz pierwszy zainstalowaliśmy sześć ewaporometrów w różnych lokalizacjach w Hornsundzie. W tej chwili opracowujemy dane. Sprawdzamy, czy to obserwowane parowanie pasuje do parowania potencjalnego, które jest jedną z danych wejściowych do modeli hydrologicznych.

D.B.: Gratuluję, że Wasze badania tak się rozwijają! Zastanawia mnie jedno – coraz bardziej nowoczesny sprzęt ułatwia prowadzenie badań, ale to też liczne problemy techniczne, zwłaszcza że wykorzystujecie go w trudnych warunkach klimatycznych. Jak sobie z tym radzicie?

M.O.: To jest bardzo ważna sprawa. Gros urządzeń, które dobrze działają w Polsce, jest nieprzydatna w Arktyce. Po pierwsze ze względu na niskie temperatury. Wytrzymałość baterii, akumulatorów jest tam zdecydowanie niższa. Po drugie cały sprzęt musimy nosić na własnych plecach do tych lokalizacji, gdzie jest prowadzony monitoring. Mamy już cały szereg przetestowanych urządzeń i wiemy, że działają. Systematycznie też uczestniczymy w konferencjach, warsztatach i spotkaniach, mamy kontakt ze specjalistami badającymi zlewnie w klimacie zimnym. Sporo się od nich uczymy i dzięki temu udaje nam się uniknąć różnych problemów technicznych, na przykład co zrobić, żeby automatyczna stacja meteorologiczna nie została przewrócona przez renifera.

D.B.: Jak można taką stację zabezpieczyć przed reniferami?

M.O.: To rozwiązanie podpowiedzieli nam Norwedzy. Najpierw robi się szczegółowe rozpoznanie terenu, znajduje się odpowiednie miejsce o najlepiej skalnym podłożu, w skałę wwierca się postument i do niego bezpośrednio przyczepia się maszt, na którym jest stacja meteorologiczna. Jeżeli są robione odciągi, to zakłada się na nich peszle, żeby się obracały, kiedy renifery będą się o nie ocierać i dzięki temu stacja nie ucierpi. W przypadku korzystania z takiego sprzętu w Polsce zupełnie nie bierze się pod uwagę takich czynników.

D.B.: A co z warunkami pogodowymi? Jak planujecie prace terenowe z wykorzystaniem statków bezzałogowych, kiedy okien pogodowych jest mało?

M.O.: Dron, z którego korzystamy, lata przy prędkości wiatru do 12-15 m/s. Tymczasem w Arktyce często wieje i te wiatry są dość silne, co wyklucza korzystanie z takiego sprzętu. Kiedy byliśmy na Spitsbergenie we wrześniu, czatowaliśmy na momenty z w miarę dobrą pogodą, żeby nie padało i prędkość wiatru umożliwiała latanie. Podczas korzystania z kamery RGB potrzebujemy niezachmurzonego nieba. Jeżeli chcemy uzyskać zdjęcie powierzchni terenu, musimy je zrobić w takim momencie, kiedy jest widoczna. Z tym mieliśmy problem. Całe szczęście, że latem w Hornsundzie mamy dzień polarny, więc trafiliśmy w takie momenty, że udało się zrobić naloty.

D.B.: Czyli trzeba czasem zrezygnować ze śniadania lub dłuższego snu, żeby wykonać badania.

M.O.: Musimy się dostosować do panujących warunków. Kiedy widzimy, że jest szansa na poprawę pogody, to wtedy działamy. Mamy tyle różnych planów, że i tak codziennie wychodzimy w teren. Poza tym nie wyobrażam sobie, żeby siedzieć w stacji i oglądać telewizję, kiedy jesteśmy w tak pięknym środowisku. Zazwyczaj w trakcie moich wyjazdów tak szczegółowo mam zaplanowany harmonogram prac, że jest co robić.

D.B.: Czy planując wyjazd na Svalbard, bierzesz pod uwagę okresy bezczynności spowodowane pogodą?

M.O.: Zdecydowanie. Nie wiemy, kiedy konkretnie dopłyniemy do stacji, jakie będą warunki podczas powrotu, kto i kiedy po nas przypłynie. Zawsze musimy mieć parę dni zapasu, dlatego mamy plan A, B i C, czyli minimum, średni i maksimum.

D.B.: Czyli jesteście przygotowani na każde warunki. (śmiech)

M.O.: Zgadza się. Zazwyczaj jest tak, że nie ma warunków, które by uniemożliwiały wszystkie zaplanowane działania. Trzeba się dostosować. Kiedy silnie wiało, to w tym roku robiliśmy pomiary przy użyciu georadaru. Udało się to zrobić, mimo że wszyscy na stacji byli bardzo zdziwieni, że idziemy w teren. Ale mieliśmy ograniczony czas, wiedzieliśmy, co chcemy zrobić i trzeba było robić to, co się dało.

D.B.: Powoli już podsumowując naszą rozmowę – co wyniki Waszych badań dotyczących wód w Arktyce mówią nam o zmianach klimatu w Polsce i na dalekiej północy?

M.O.: Arktyka to obszar, w którym zachodzą dynamiczne zmiany. W ramach projektów sprawdzamy, czy modele, które były stworzone na podstawie danych historycznych możemy stosować dla współczesnych danych. Dlaczego? Ponieważ tam wzrosty temperatury powietrza są bardzo duże, zmienia się też reżim opadowy i sprawdzamy, czy występuje pewna stacjonarność tych procesów. To wszystko jest istotne również w tych miejscach, gdzie się wykonuje projekcje klimatyczne, jak będą wyglądały przyszłe warunki. W Polsce, gdzie obserwujemy mniejsze zmiany, dane, które do tej pory zebraliśmy, dają nam możliwości ich wykorzystania w przyszłości. Tylko nie wiemy, czy założenia, które są stawiane podczas tworzenia takich modeli, będą spełnione. Tymczasem Arktyka jest świetnym miejscem, gdzie da się przetestować, czy te gwałtowne zmiany temperatury powietrza, opadów, rozmarzania permafrostu na tyle zmienią obieg wody w zlewni, a przez to czy obecnie stworzone modele będą się nadawały do modelowania przyszłości.

D.B. Zmiany nie zawsze są negatywne, mogą przynieść również coś pozytywnego. Czy jako hydrolog widzisz nowe obszary badań, jakie mogą się pojawić w Arktyce wraz ze zmianami klimatycznymi?

M.O.: Tu można wskazać kilka aspektów. Po pierwsze na podstawie najnowszych opracowań stwierdziliśmy, że lodowiec, który jest na zlewni Arie, prawdopodobnie w dość bliskiej przyszłości, mniej więcej do 2050 roku, stopnieje. Czyli ma to diametralne znaczenie dla reżimu i przepływu w zlewniach. Możemy się spodziewać, że kiedy stopnieje ten lodowiec, latem, gdy będzie tam stosunkowo niewiele opadów, ta rzeka będzie okresowa. Będzie płynęła, gdy będzie topniał śnieg. Kiedy nie będzie dalszego zasilania lodowcem, to w sierpniu będą zerowe przepływy. Natomiast możemy się spodziewać znacznych opadów, ponieważ teraz na Spitsbergenie mamy, możemy powiedzieć, porę deszczową i opady głównie występują we wrześniu. Jadąc w tym okresie na Spitsbergen, trzeba to uwzględnić, co będzie z kolei wpływać na nasze badania i ich opracowanie.

D.B.: Na koniec chciałam zapytać, co chyba w pełni uzasadnia to, co mówiłaś wcześniej o swojej fascynacji Arktyką – za co lubisz swoją pracę?

M.O.: Moja praca to moje hobby. (śmiech) Bardzo lubię rozwiązywać problemy, zastanawiać się, jak to tak naprawdę jest. Jak wygląda obieg wody w zlewniach arktycznych. Próbuję to zrozumieć i im więcej wiem, tym bardziej zdaję sobie sprawę, że jest jeszcze cały nowy obszar do poznania.

D.B.: Życzę, żeby ta niegasnąca ciekawość stale Ci towarzyszyła i dziękuję za rozmowę!