Convocatoria de ayudas de Proyectos de Investigación (2005) MEMORIA CIENTÍFICO-TÉCNICA DEL PROYECTO

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1 Convocatoria de ayudas de Proyectos de Investigación (2005) MEMORIA CIENTÍFICO-TÉCNICA DEL PROYECTO 1 RESUMEN DE LA PROPUESTA (Debe rellenarse también en inglés) INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Miguel RAMOS TITULO DEL PROYECTO: Modelización y seguimiento térmico de la capa activa y del permafrost en las islas Livingston y Decepción. Antártida- Permamodel. RESUMEN (debe ser breve y preciso, exponiendo sólo los aspectos más relevantes y los objetivos propuestos): El continente Antártico almacena el 90% de hielo del planeta Tierra, ejerciendo una influencia determinante del clima del hemisferio Sur y de los sistemas atmosféricos y criosféricos globales. Aunque sólo el 3% de la superficie total del mismo está libre de hielo, la presencia de los suelos helados (permafrost) se manifiesta en gran parte de sus suelos (expuestos o subglaciares). En las islas de la antártida marítima, como es el caso de Livingston (62º39'S, 60º21'W) y Decepción (62º43'S, 60º57'W), su situación en las proximidades de la isoterma (temperatura ambiente media anual) -1ºC y la existencia de recientes zonas deglaciadas, hacen que las características térmicas de sus suelos helados (permafrost) sean especialmente sensibles a las variaciones climáticas. Además, la región de la Península Antártica es, en el seno de Antártida, el área donde el calentamiento global se ha sentido con más vigor en las recientes décadas. La medida de la evolución del gradiente térmico en la capa activa del permafrost en esta zona, se presenta como una herramienta de cálculo del balance de energía en la superficie del suelo y de estudio de las variaciones climáticas interanuales, complementarias a los registros meteorológicos Standard. Además, las medidas del gradiente de temperaturas y flujo térmico en zonas de permafrost con perforaciones que alcancen la profundidad de amplitud térmica anual cero, nos permiten realizar análisis inversos para determinar las variaciones climáticas con periodos quinquenales, decanales e incluso seculares. El reto científico que proponemos es la realización de dos perforaciones complementarias en zonas de permafrost, una en la Isla Livingston y la otra en Decepción, que alcancen la profundidad de amplitud térmica anual cero (estimada entre 20 y 25 m). Aprovechando la singularidad que presenta la isla Decepción por su carácter de volcán activo con un intenso flujo geotérmico, en comparación con la isla Livingston. Posteriormente se Instalarán sendas estaciones de control de la evolución del gradiente térmico en la zona más profunda del permafrost, así como en la capa activa superficial. Estas medidas estarán acompañadas de registros sistemáticos de las condiciones meteorológicas en superficie. Una vez puestas en funcionamiento las estaciones pasarán a formar parte de las redes CALM-S (Circum-polar Active Layer Monitoring) and GTN-P (Global Terrestrial Network Permafrost / WMO, FAO and IPA), para la realización sistemática de registros a largo plazo (10 a 25 años de funcionamiento). 1

2 PROJECT TITLE: "Permamodel - Permafrost and Active Layer Monitoring and Modelling in Livingston and Deception Islands, Antarctic" SUMMARY: Antarctica stores 90% of the ice on Earth and the characteristics of the continent and of the Southern Ocean are determinant factors for the climate of the Southern Hemisphere and for Earth s atmospheric and cryospheric systems. Only 3% of the continent is ice-free, but most of that is underlain by perennially frozen ground (permafrost). Nevertheless, large subglacial areas in the interior of Antarctica show also the presence of permafrost. The islands of the Maritime Antarctic have significant areas with ice-free terrain underlain by permafrost (e.g. Livingston Island - 62º39 S, 60º21 W and Deception Island - 62º43 S, 60º57 W). The location of the islands close to the mean annual temperature isotherm of -1ºC, and their position in the Antarctic Peninsula region is reflected in a very high sensitivity to climate change. Monitoring of the temperature gradient of the active layer is a chief methodological approach for the calculation of the energy balance of the ground and therefore for the study of climate change, being complementary to the standard meteorological observations. Furthermore, monitoring of the temperature gradient and thermal fluxes of the permafrost in boreholes down to the zero annual amplitude depth, allow the application of inverse modelling techniques for the detection of climate change in periods of 5-years, 10-years, or even centuries. The main objective of this project is to drill 2 boreholes in permafrost, reaching the zero annual amplitude depth (estimated from 20 to 25m), one in Livingston and another in Deception Island. The procedure will allow the comparison of the permafrost conditions in the two islands, with the surplus that Deception Island is an active volcano with high geothermal heat flux. Ground temperature monitoring stations will be installed in the boreholes in order to monitor the evolution of the temperature gradients in the permafrost and also in the active layer. At the surface meteorological conditions will be also monitored. The two stations will be integrated in the international networks CALM-S (Circum-polar Active Layer Monitoring) and GTN-P (Global Terrestrial Network Permafrost / WMO, FAO and IPA) in order to attain long-term data series (10-25 years). 2

3 2. INTRODUCCIÓN El continente Antártico almacena el 90% de hielo del planeta Tierra, ejerciendo una influencia determinante del clima del hemisferio Sur y de los sistemas atmosféricos y criosféricos globales. Aunque sólo el 3% de la superficie total del mismo está libre de hielo, la presencia de los suelos helados (permafrost) se manifiesta en gran parte de sus suelos (expuestos o subglaciares), en estos últimos sólo cuando la temperatura basal del glaciar está por debajo del punto de congelación del agua sometida a la presión de la capa de hielo. Los cambios sistemáticos de temperatura y distribución del permafrost afectan de manera importante tanto al balance de flujo de gases de efecto invernadero como a las infraestructuras que se han instalado en diferentes partes del continente. Aunque los estudios de suelos en la Antártida se iniciaron hace más de 100 años, sin embargo aún no existe una base electrónica de datos donde se incorporen, en forma completa y sistemática, mapas temáticos digitales, clasificación taxonómica de los suelos y registros de temperaturas y distribución del permafrost. Estas carencias han llevado a diferentes grupos e instituciones científicas a plantear programas internacionales de trabajo. Así entre los objetivos del grupo de trabajo, del Antarctic Permafrost and Periglacial processes (APPP) de la Asociación Internacional de Permafrost (IPA) y del Expert Group on Antarctic Permafrost and Periglacial Environments (EGPPE-SCAR), se incluyen: - Libro blanco del estado de la ciencia en el estudio del permafrost en la Antártida. - Cartografía del permafrost y los suelos helados en la región circumpolar austral. - Medida permanente de parámetros relativos al permafrost, capa activa y flujo del suelo. - Generación de una base de datos y acceso bibliográfico on-line. El pasado mes de Noviembre de 2004 tuvo lugar en Madison (USA) el Internacional Workshop on Antarctic Permafrost and Soils donde nos reunimos 34 investigadores invitados de 14 países, especialistas en permafrost Antártico. Entre los objetivos básicos de actuación futura se acordaron los siguientes tópicos: - Desarrollo de una red de monitorización de permafrost en la Antártida, incluyendo nuevas perforaciones y equipos de registro para la medida a largo plazo de las temperaturas del permafrost. - Apoyo y nuevas actuaciones en el programa de monitorización de la capa activa del permafrost. - Presentación a los comités nacionales del año polar internacional de las Expression of intent (EoI) relativas a la formación de una red de monitorización térmica del permafrost y su capa activa, animadas por la International Permafrost Association (IPA) y el Expert Group on Antarctic Permafrost and Periglacial Environments (EGPPE-SCAR). Comparando los hemisferios Norte y Sur se comprueba el escaso conocimiento en este último de la distribución, espesor y propiedades del permafrost. El desconocimiento de la distribución del permafrost y su espesor en la antártida continental es manifiesto, ya que está en función del espesor del hielo del casquete, cuya presión basal causa la disminución de la temperatura de congelación, produciendo la fusión del permafrost. Bockheim (1995) generó el primer mapa de distribución del permafrost en la región Antártica, sugiriendo la presencia de permafrost en las zonas libre de hielo y con la existencia en las zonas subglaciares donde la capa de hielo sea lo suficientemente delgada como para permitir la congelación en el suelo basal. 3

4 Figura 1.- El mapa muestra la distribución del permafrost en la Antártida según Bockheim (1995). El límite Norte del permafrost corresponde, más o menos, con la isoterma (temperatura del aire media anual) de -1ºC (isotermas según Weyant, 1967) y está en la región comprendida en el sector (45º W a 70º W), donde se encuentran las islas Shetland del Sur objetivo de nuestro trabajo. El permafrost en zonas libre de hielo se representa en negro. El permafrost subglacial puede estar únicamente limitado a las zonas sombreadas. Los lagos subglaciares se representan con una cruz. En las islas de la antártida marítima, como es el caso de Livingston (62º39'S, 60º21'W) y Decepción (62º43'S, 60º57'W), su situación en las proximidades de la isoterma (temperatura ambiente media anual) -1ºC y la existencia de recientes zonas deglaciadas, hacen que las características térmicas de sus suelos helados (permafrost) sean especialmente sensibles a las variaciones climáticas. En la última década se han incrementado las investigaciones y campañas científicas con el objetivo de estudiar la distribución, comportamiento térmico y profundidad del permafrost sobre todo en la zona, más accesible, de la península Antártica. En nuestro país los equipos del Dr. Jerónimo López de la UA de Madrid (López-Martínez, J, 2002) y el Dr. Miguel Ramos de la UAH (Ramos, 2003) han complementado sus trabajos, enfocando el primero de ellos el estudio de la distribución cartográfica del permafrost en este área y dirigiendo el segundo sus trabajos a la monitorización de la temperatura del permafrost y el seguimiento térmico de la capa activa a través de sondeos y perforaciones, realizadas en las islas Livingston y Decepción. Además, el Dr. Antonio Quesada de la UA ha sistematizado un protocolo de medidas de la capa activa relacionándola con los ecosistemas limnológicos en península Bayers (isla Livingston). Finalmente, el Dr. Francisco Navarro de la UP de Madrid ha llevado a cabo la caracterización termomecánica de diversos glaciares entroncando con el estudio del permafrost basal en esta área geográfica. El esfuerzo internacional en el área de la península antártica, lo podemos resumir en las contribuciones realizadas en diferentes tópicos: - Bases de datos relativas al estudio del permafrost y los suelos helados: Location Coordinates Nature of Database URLs/Citations Antarctic Peninsula & islands Seymour Island 64º14 S, 56º37 W Permafrost thickness and Sone et al., 2001 temperature James Ross Island 63º52 S, 57º48 W Permafrost temperature; 2 sites Sone et al., 2001 King George Island 62º10 S, 58º 20 W Chen, 1993 Livingston and Deception Islands 62º39 S, 60º 21 W and 62º43 S, 60º 57 W Permafrost temperature and heat flux modeling Ramos et al a GTN-P- IPA- GIFA- CALM- kenhinke/calm/ Madison conference- 4

5 - Trabajos sobre dinámica de procesos periglaciares, con estudio de los ciclos de hielo/deshielo y succión criogénica: Location Coordinates Nature of Database URLs/Citations Antarctic Peninsula & islands Seymour Island 64º14 S, 56º37 W Behavior of ice-wedge polygons Sone et al., 2001 James Ross Island 63º52 S, 57º48 W Solifluction movement Sone et al., 2001 Livingston, King George Islands Livingston and Deception Islands 62º39 S, 60º 21 W and 62º 43 S, 60º 57 W Barsch and Stablein, 1984 Freeze-thaw cycles Ramos et al a Signy Island Freeze-thaw cycles Chambers, Estudio de suelos y sus componentes térmicas: Location Coordinates Nature of Database URLs/Citations Antarctic Peninsula & islands Seymour Island 64º14 S, 56º37 W Soil temperature Sone et al., 2001 James Ross Island 63º52 S, 57º48 W Soil temperature; 3 sites Sone et al., 2001 King George Is. 62º05 S, 58º 24 W 75 pedons, soil characterization, soil maps, aerial photographs, GIS King George Island 62º10 S, 58º 20 W Soil descriptions and Livingston and Deception Islands 62º39 S, 60º 21 W and 62º43 S, 60º 57 W Schaefer et al., 2003; Francelino, 2004 Bölter et al., 1997 characterization Soil temperature Ramos et al a Base de datos sobre la monitorización de la capa activa: Location Coordinates Nature of Database URLs/Citations Antarctic Peninsula & islands Seymour Island 64º14 S, 56º37 W Active layer monitoring at 0.1, 0.5, 1, 2, 3, 4, 6, 8 m James Ross Island 63º52 S, 57º48 W Active layer monitoring at 0.05, 0.5, 1.3, 1.8, 2.3 m; 3 sites Livingston and Deception 62º39S, 60º21 W and Islands 62º43 S, 60º 57 W Active layer monitoring (0.05, 0.15, 0.40, sites and 0.05, 0.15, 0.40, 0.90, 1.50, site) and modeling Sone et al., 2001 Sone et al., 2001 Ramos et al a Por otro lado, en la actualidad sólo existen 21 perforaciones en la Antártida con profundidades medias de 2 m (entre 1.2 y 15.5m) destinadas al seguimiento y caracterización térmica del permafrost y la capa activa. En el área de la península Antártica, los únicos sondeos que existen con medidas permanentes de datos durante todo el año destinados al estudio de la capa activa y el permafrost, son los realizados por nuestro equipo de investigación durante la campaña del año 2000 y vienen representados por la siguiente relación: Location Coordinates Elevation(m) Depth (m) URLs/Citations Antarctic Peninsula Livingston Island- 62º39 S Ramos et al., 2002; 2003; Incinerator Point Livingston Island- Reina Sofia Hill 60º21 W 62º39 S 60º21 W Ramos et al., 2002; 2003; 5

6 Las perforaciones están situadas en el Cerro incinerador y el Monte Reina Sofía (Figura 2) de la Isla Livingston y cada año se recogen los datos y se cambian los sensores. Estas medidas, de duración anual y completamente automáticas, alimentan nuestra base de datos en forma ininterrumpida, para realizar estudios comparativos, estadísticas y modelos de interacción atmósfera permafrost (e.g. Vieira, 2000, 2001, 2003; Ramos, 2001, 2003). Figura 2.- Localización de los sondeos realizados durante la campaña antártica , donde se han realizado, desde entonces, medidas sistemáticas de la evolución temporal del gradiente geotérmico. Los proyectos Global Terrestrial Network for Permafrost (GTN-P) (Burgess, 2000) y Circumpolar Active Layer Monitoring (CALM) tienen objetivos similares. GTN-P, fue una iniciativa de la Asociación Internacional de Permafrost International Permafrost Association (IPA) (IPA, 1998), que propuso organizar y mantener una red de estaciones de medida de la evolución del permafrost, con objeto de estudiar su sensibilidad a la variabilidad climática local y, a macro escala, al cambio global. La red de estaciones está asociada al Global Climate Observing System (GCOS) de la WMO y FAO, y tiene dos objetivos, el seguimiento del proceso de congelación/descongelación de la capa activa y la distribución espacial del permafrost. El proyecto Circumpolar Active Layer Monitoring (CALM), que inicialmente (1991) comienza sus medidas en el hemisferio boreal, especializándolas en la región polar, hace cuatro años abre sus puertas a la región austral y en particular al continente antártico, donde en la actualidad aún son escasas las estaciones de registro que funcionen continuamente. La importancia del estudio del permafrost en la región antártica está reconocida por las asociaciones científicas de más alto nivel y ha dado lugar a la creación del Antarctic Permafrost and Periglacial Processes (APPP) en el marco de la International Permafrost Association (IPA), así como un Standing Scientific Group on Geosciences on Antarctic Permafrost and Periglacial Environments (SSGG-SCAR) en la nueva estructura del SCAR. Los investigadores del equipo de esta propuesta forman parte de estos grupos de trabajo, habiendo asistido a las últimas reuniones científicas organizadas por la International Permafrost Association (IPA) celebrada en Zurich (2003) (Ramos, 2003; Vonder Mühll, 2003; Guglielmin, 2003) y por la Scientific Committee of Antarctic Research (SCAR) que tuvo lugar recientemente en Bremen (Ramos al. 2004). Asimismo tres de los investigadores de la propuesta (Ramos, Vieira y Gruber) asistieron a la reunión Antarctic Permafrost and Soils, que tuvo lugar en Madison (USA) el pasado mes de noviembre, donde 34 investigadores de 14 nacionalidades nos reunimos para concretar la puesta a punto de la red circumpolar antártica de registro del permafrost y establecer los criterios para la propuesta de Expression of Intent (EoI) de cara al año polar internacional 2007/08. Finalmente, esta actuación se encuadra en el marco de las propuestas aprobadas por el Comité Polar Español para en año polar internacional y remitidas en plazo y forma al comité polar para el año polar internacional. Los objetivos de nuestro proyecto se inscriben dentro de las siguientes Propuestas EoI - IPY: - The Thermal State of Permafrost (TSP): A Contribution from Spain (M. Ramos research group) to an International Network of Permafrost Observatories (INPO) by IPA. - Antarctic Permafrost and Soils Database and Monitoring System (ANTPAS)- Contribution from Spain to a SCAR Permafrost Expert Group Project. - The Thermal Stat of Permafrost (TSP): A Contribution from Portugal to an International Network of Permafrost Observatories (INPO by IPA). - Antarctic and sub-antarctic Permafrost, Periglacial and Soil Environments Portuguese contribution to ANTPAS. -Climate Change influence on polar terrestrial landscape. CCIPTL. 6

7 BIBLIOGRAFÍA: Barsch, D. and G. Stablein Frost dynamics and permafrost in ice-free areas of the Antarctic Peninsula. Polarforschung 54(2): Bölter, M., H.-P. Blume, D. Schneider, and L. Beyer Soil properties and distribution of invertebrates and bacteria from King George Island (Arctowski Station), maritime Antarctic. Polar Biology 18: Bockheim, J.G Permafrost distribution in the Southern Circumpolar Region and its relation to the environment: a review and recommendations for further research. Permafrost and Periglacial Processes 6: Burgess, M.M., Smith, S.L., Brown, J., Romanovsky, V., and Hinkel, K. (2000). The Global Terrestrial Network for Permafrost (GTNet-P): Permafrost monitoring contributing to global climate observations. in Current Research 2000E, Geological Survey of Canada. Available on-line at: Chambers, M.J.G Investigations of patterned ground at Signy island, South Orkney Islands. III: Miniature patterns, frost heaving and general conclusions. British Antarctic Survey Bulletin 12:1-22. Chen, X.B Permafrost around CGWS, Antarctica. In: Proceedings of the Sixth International Conference on Permafrost. South China University Technological Press, Guangzhou, Vol. 1, pp Guglielmin, M., M. Balks, and R. Paetzold Towards an Antarctic active layer and permafrost monitoring network, pp In: Phillips, M., S.M. Springman, and L.U. Arenson (eds.) Permafrost; Proc. 8 th International Conference on Permafrost, July, Zurich, Switzerland. Balkema Publ., Lisse. International Permafrost Association. (1998). Circumpolar Active-Layer Permafrost System (CAPS). CD-ROM, version 1.0. Published by the National Snow and Ice Data Centre, Boulder, Colorado. López-Martínez, J., Martínez de Pisón, E. &Arche,A. (1992). Geomorphology of Hurd Peninsula, Livingston Island, South Shetland Islands. In Y. Yoshida, K. Kaminuma & K. Shiraishi(eds.), Recent Progress inantarctic Earth Science: Tokyo.Terrapub. López Martinez, J.,Ramos, M., Criado,C., Serrano,E., Nicolas, P. (1996). "Anomalías Geotérmicas y Permafrost en la Isla Decepción Antártida". Actas del V Simposio de Estudios Antárticos, pp Madrid. CICYT. Libro. ESPAÑA. López-Martínez, J.; Smellie, J.L.;Thomson, J.W.;Thomson, M.R.A. (eds.) (2002). Geology and geomorphology of Deception Island, BAS Geomap series, Cambridge. Ramos M., Ortiz R., Diez-Gil J.L., Viramonte J.G. (1989)."Anomalías Térmicas y Balance del Flujo disipado en la Isla Decepción. Shetlands del Sur". Actas del III Simposio de Estudios Antárticos, pp Madrid. CICYT. (ISBN ). Libro. ESPAÑA. Ramos, M. (1995). Automatic device to measure the active permafrost layer near the SpanishAntarctic Station. TerraAntartica 2(1), Ramos, M. (1997). Topographic distribution of short-wave radiation in the vicinity of the SpanishAntarctic Research Station. TerraAntartica 4 (1), Ramos, M. (1998). Active layer in the vicinity of the SpanishAntarctic Station. TerraAntartica 5(2): Ramos, M; Vieira, G; Crespo, F; Bretón, L (2002). Seguimiento De La Evolución Temporal Del Gradiente Térmico De Capa Activa En Las Proximidades De La B.A.E Juan Carlos I.. Periglaciarismo en Montaña y en altas latitudes (E. Serrano y A. García (Ed.)) (ISBN Pp Ramos, M.; Vieira, G. (2003) Active layer and permafrost monitoring in Livingston Island, Antarctic. First results from 2000 and In: M. Phillips, S.M. Springman e L.U. Arenson (Eds.), Permafrost. Proceedings of the Eight International Conference on Permafrost, July 2003, Zurich, Switerland, Balkema Swets & Zeitlinger, Lisse: Ramos al. (2004). Permafrost and active layer monitoring and modelling in livingston and deception islands (south shetlands, antarctic) permamodel. And Ground surface energy balance in deception island during the summer (south shetlands, antarctic). XXVIII SCAR, Open Sience Conference. Sone, T., J. Strelin, and J. Mori Thermal characteristics of permafrost in Seymour Island and James Ross Island, Antarctic Peninsula (abstract, p. 100). In: C. Harris and B. Rea (eds.) 1 st European Permafrost Conference. Tanarro,L.M., Hoelzle, M., García, A., Ramos, M., Gruber, S., Gómez, A., Piquer, M., Palacios, D. (2001). Modelling of Permafrost Distribution in Mediterranean Mountains: Corral del Veleta, Sierra Nevada, Spain. Norsk Geografisk Tidsskrift. Vol. 55, pp (ISSN ). Revista. NORUEGA. Vieira, G.; Ramos, M. & Garate, J. (2000)."Detailed geomorphological mapping with kynematic GPS. Examples from Livingston Island, Antarctic". Estudos do Quaternário, 4: Vieira, G.; Ramos, M. (2003). Geographic factors and geocryological activity in Livingston Island,Antarctic. Preliminary results. In: M. Phillips, S.M. Springman e L.U.Arenson (Eds.),Permafrost. Proceedings of the Eight International Conference on Permafrost, July 2003, Zurich, Switerland, Balkema Swets & Zeitlinger, Lisse: Vonder Mühll D., R. D., Haeberli W., Hoelzle M., Krummenacher B., Permafrost monitoring in Switzerland (PERMOS) in the pilot stage. In 8th International Conference on Permafrost, Extended Abstracts, Haeberli W Brandova D (ed). University of Zurich. 1;

8 3. OBJETIVOS DEL PROYECTO 3.1 Describir brevemente las razones por las cuales se considera pertinente plantear esta investigación y, en su caso, la hipótesis de partida en la que se sustentan los objetivos del proyecto (máximo 20 líneas) Una de las zonas más sensibles al cambio climático por encima de los 60ºS se encuentra en la península antártica y sus archipiélagos adyacentes. Este es el caso de las Islas Livingston y Decepción que forman parte del las Shetland del Sur. Los registros meteorológicos en esta zona indican una tendencia al incremento de la temperatura ambiente, asimismo las evidencias glaciológicas y geomorfológicas manifiestan un retroceso de los frentes glaciares y la existencia de geoformas relictas que indican episodios anteriores de climas más fríos. La temperatura del aire media anual de esta zona a nivel del mar es de aproximadamente -2ºC, muy próxima a la temperatura de fusión del agua en condiciones normales y a la máxima temperatura admisible para la existencia de permafrost (-1ºC) en las zonas libres de hielo. Esta situación climática indica un estado inestable y muy sensible a la variabilidad climática. La presencia de permafrost constituye un sistema de atenuación de la onda climática de prolongado periodo, permitiéndonos su control el estudio de la variabilidad climática de los últimos años, en función de la profundidad de los registros de su temperatura, para un sondeo de hasta 25 m, un análisis inverso de su gradiente térmico permite conocer la variaciones climáticas entre 5 y 100 años. Por otro lado, el estudio de la capa activa nos ayudará a determinar el balance de energía intercambiado entre el aire y el suelo en su superficie, este parámetro nos indicará la variabilidad anual del clima y su efecto sobre el permafrost. El reto científico que proponemos es la realización de dos perforaciones complementarias en zona de permafrost, una en la Isla Livingston y la otra en Decepción, que alcancen la profundidad de amplitud térmica anual cero (estimada entre 20 y 25 m). Aprovechando la singularidad que presenta la isla Decepción por su carácter de volcán activo con un intenso flujo geotérmico, en comparación con la isla Livingston Indicar los antecedentes y resultados previos, del equipo solicitante o de otros, que avalan la validez de la hipótesis de partida La realización durante la campaña antártica del año 2000 de dos sondeos en la isla Livingston (Incinerador, 35 m SNM, 2.5 m de profundidad y Sofía 275 m SNM, 1.2 m de profundidad) con la instalación de las cadenas termométricas correspondientes para registrar en forma continua la evolución térmica del gradiente de temperaturas en dichos emplazamientos (Ramos 2002). Nos ha permitido tras 4 años de funcionamiento ininterrumpido realizar un detallado estudio preliminar de las condiciones de la zona de trabajo (Ramos 2003 y 2004) y la oportunidad de plantear otras instalaciones de mayor profundidad para no sólo realizar un estudio de la capa activa sino también del estado térmico del permafrost. Así como el estudio de la variabilidad climática pasada, en el caso de que se pueda alcanzar la profundidad de amplitud térmica anual cero. Además, la proximidad geográfica entre las islas Livingston y Decepción y su gran diferencia de comportamiento térmico en el subsuelo, debido a la actividad volcánica de esta última, nos permitirán establecer dos estaciones de medida complementarias donde podremos estudiar el comportamiento del permafrost en dos sistemas con equivalente balance de energía con la atmósfera pero diferentes condiciones de flujo geotérmico (Ramos, 1989). Finalmente, las recomendaciones de diferentes asociaciones y grupos científicos internacionales avalan la propuesta presentada. En el anexo se han incorporado diferentes cartas de apoyo (SCAR Expert Group & IPA Working Group, Dr. Navarro, Dr.Quesada) a nuestra propuesta. También es de señalar la presencia de algunos de nuestros investigadores en las propuestas Expression of Intent, 8

9 enviadas al comité del año polar internacional por la International Permafrost Association (IPA) y por el Expert Group on Permafrost an Periglacial Environments (EGPPE-SCAR). Proyecto TSP-IPA: -The Thermal State of Permafrost (TSP): An IPA Contribution to the International Polar Year and the International Year of Planet Earth. Proyecto ANTPAS- EGPPE-SCAR. -Antarctic and sub-antarctic Permafrost, Periglacial and Soil Environments (ANTPAS) Enumerar brevemente y describir con claridad, precisión y de manera realista (es decir, acorde con la duración prevista del proyecto) los objetivos concretos que se persiguen, los cuales deben adecuarse a las líneas temáticas prioritarias del Programa Nacional al que se adscribe el proyecto (ver Anexo de la convocatoria). La novedad y relevancia de los objetivos (así como la precisión en la definición de los mismos) se mencionan explícitamente en los criterios de evaluación de las solicitudes (ver apartado Noveno de la Convocatoria) 1. Prospección Geofísica (BTS, RADAR, Resistividad, Acústica) sobre la zona de estudio con objeto de caracterizar el estado térmico del permafrost. 2. Selección de dos emplazamientos uno en la isla Livingston y el otro en Decepción candidatos a realizar las los sondeos propuestos. 3. Realización de dos perforaciones en las zonas seleccionadas con las características siguientes: entre 70 y 90 mm de diámetro sin extracción de testigo y entubadas en policarbonato. Con una profundidad óptima de 25 metros. 4. Instalación de la cadena de sensores térmicos en los sondeos y establecimiento de las estaciones superficiales de medida de parámetros micrometeorológicos (temperatura ambiente, capa nival y radiación). 5. Análisis de los primeros resultados obtenidos y realización de un protocolo de mantenimiento de las estaciones para garantizar su funcionalidad a largo plazo. 9

10 4. METODOLOGÍA Y PLAN DE TRABAJO Básicamente el método de trabajo que emplearemos se dividirá en las siguientes tareas: 1. Alineación con los programas internacionales propuestos para el año polar internacional (Junio a Junio-2005) UAH, UL y ETH: a. Reuniones de coordinación con la International Permafrost Association (IPA) y el Expert Group on Permafrost and Periglacial Environments (EGPPE-SCAR). i. SCAR Open-Science Bremen (Junio-2004) UAH y UL. ii. Antarctic Permafrost and Soils. Madison (Nov-2004) UAH, UL y ETH. iii. European Geosciences Union. Viena (Abril-2005) UAH y ETH. iv. European Permafrost Congress. Potsdam (Junio-2005) UAH, UL y ETH. b. Presentación de propuestas EoI al comité polar Español para el año polar internacional (Ene- 2005) UAH. Propuestas Visadas por el Comité polar Español: - The Thermal State of Permafrost (TSP): A Contribution from Spain (M. Ramos research group) to an International Network of Permafrost Observatories (INPO) by IPA. - Antarctic Permafrost and Soils Database and Monitoring System (ANTPAS)- Contribution from Spain to a SCAR Permafrost Expert Group Project. -Climate Change influence on polar terrestrial landscape. CCIPTL. Propuestas enviadas directamente al comité polar internacional: - The Thermal Stat of Permafrost (TSP): A Contribution from Portugal to an International Network of Permafrost Observatories (INPO by IPA). - Antarctic and sub-antarctic Permafrost, Periglacial and Soil Environments Portuguese contribution to ANTPAS. 2. Preparación de los protocolos de actuación en base a las propuestas internacionales (Enero a Diciembre- 2005) UAH, CSIC, UL y ETH: a. Sistemas de perforación, diámetro y profundidad. Anexión a los protocolos GTN-P y CALM-S. UAH y ETH. b. Sistemas de registro de variables térmicas en el suelo UAH y ETH. i. Gradiente vertical de temperaturas. ii. Flujo de calor en el suelo. iii. Balance de entalpía en la superficie. c. Sistemas de registro de variables micrometeorológicas en la capa límite atmosférica UAH, CSIC, UL y ETH. i. Temperaturas del aire a diferentes niveles y cotas. ii. Componentes de la radiación. iii. Distribución y espesor de la capa nival. 3. Campaña de prospección geofísica en la zona de trabajo (Junio-2005 a Junio-2006) (Campaña antártica Ene-Feb 2006 caso de ser aprobada la acción complementaria CGL E) UAH, CSIC, UL y ETH: a. Determinación de la existencia y espesor del permafrost en la zona de trabajo, métodos: i. Electromagnéticos: RADAR y resistividad ETH. ii. Mecánicos: acústica ETH. 10

11 iii. Térmicos: BTS. Registros térmicos y método indirecto UAH, UL y ETH. iv. Parámetros climáticos UAH, UL y ETH. 4. Campaña de perforación (Junio-2006 a Junio- 2007) (1ª Campaña antártica de esta propuesta, En-Feb 2007) UAH, CSIC, UL y ETH. a. Elección de los dos emplazamientos (Livingston y Decepción) UAH, CSIC, UL y ETH. b. Contratación de la empresa perforadora UAH y ETH. c. Estudio de la logística e impacto ambiental UAH. d. Realización de los sondeos y entubado UAH, ETH y UL. e. Instalación de los sensores, sistemas de registro y transmisión de datos UAH y ETH. 5. Realización de un protocolo sistemático de mantenimiento de las estaciones integradas en la red internacional de medida GTN-P y CALM-S a través de los proyectos TSP y ANTPAS (Junio a Noviembre- 2008, año polar internacional) (2ª Campaña antártica de esta propuesta, En-Feb 2008) UAH, CSIC, UL y ETH. a. Transmisión de datos UAH, CSIC. b. Realización de una base de datos propia UAH. c. Intercambio de datos en la red global GTN-P y CALM-S UAH, UL. d. Distribución de datos al comité polar español UAH, CSIC. e. Pautas de mantenimiento y revisiones periódicas UAH. La complejidad del proyecto, por sus vínculos internacionales y por la novedad de la empresa abordada, nos ha aconsejado invitar a científicos nacionales y extranjeros para participar en esta propuesta. La participación del Dr. Ortiz del Museo de Ciencias se encuadra en una ya antigua colaboración entre nuestras instituciones (Ramos, 1989) y se presenta necesaria para profundizar en el análisis comparativo de la evolución del permafrost en un área volcánica de gran actividad geotérmica respecto de otra sin dicha actividad, es reconocida la capacidad del Dr. Ortiz en el espacio científico internacional de la volcanología. Con el equipo del Dr. Hoelzle del laboratorio de Glaciology at the Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology, ETH Zurich, trabajamos conjuntamente en el proyecto europeo PACE (Permafrost and Climate in Europe) (Tanarro, Hoelzle et al, 2001) del que el Dr. Hoelzle fue co-laeder. El equipo Suizo está presente en diferentes niveles de organización y grupos de trabajo en la International Permafrost Association (IPA) y han desarrollado numerosas perforaciones y técnicas de registro en el Ártico y los Alpes. Finalmente, el equipo Portugués aporta la visión geomorfológica y de procesos al conjunto del proyecto, la relación científica con el Dr. Vieira (Ramos, 2003; Vieira, 2003) tiene más de seis años con su participación en diferentes campañas antárticas. La colaboración con estos equipos se pone de manifiesto en artículos conjuntos que se han publicado. UAH.- Equipo de la Universidad de Alcalá. CSIC.- Equipo del Museo de Ciencias Naturales. CSIC. ETH.- Equipo Universidad de Zurich. ETH. UL.- Equipo Universidad de Lisboa. 11

12 5. BENEFICIOS DEL PROYECTO, DIFUSIÓN Y EXPLOTACIÓN EN SU CASO DE LOS RESULTADOS La proyección internacional de la propuesta, apoyada en su integración en diversos programas candidatos a formar parte de la estructura científica durante el Año Polar Internacional es una de las bazas más interesantes de la misma. No hay que olvidar que durante el se celebrará un nuevo año polar internacional tras 75 años del anterior. Para España, país de muy reciente ingreso en las estructuras científicas de la ciencia polar será la puesta de largo este acontecimiento, es la primera vez que España participa con medios propios en un aniversario de tal calibre. El nivel alcanzado en los últimos 15 años por los científicos de nuestro país así como el grado de implantación logística, nos permiten hoy estar presentes en los foros internacionales de decisión y participar en igualdad de condiciones en la estructura científica de los proyectos internacionales. Esta expectativa debe ser apoyada por nuestras autoridades responsables en política científica de forma decidida para poder dar el gran salto que consolide nuestra investigación y nuestras estructuras de apoyo. El año polar internacional será un gran escaparate, similar al de la celebración de unas olimpiadas, donde, salvando el efecto mediático del deporte en comparación con la investigación científica, se realizará una continua comparación entre los efectivos, organización y capacidad investigadora de los diferentes países participantes. Es de desear que nuestro país quede a la altura en este campo de la investigación científica y dé el salto que en su día dio el deporte con la celebración de Barcelona-92. El proyecto que presentamos ofrece un camino de colaboración internacional abierto, un equipo de investigación con experiencia anterior y demostrada capacidad en la investigación en zonas polares y de alta montaña. Por otro lado, la propuesta confirma la instalación de estaciones de medida permanentes en las proximidades de las Bases Antárticas Españolas (Juan Carlos I y Gabriel de Castilla), lo que ofrece un valor añadido a nuestras actividades científicas en unas zonas ya muy conocidas por la ciencia descriptiva, donde hay que profundizar en nuevos métodos y protocolos de medida para que den contenido a nuestra presencia en dichas ubicaciones. La integración de las estaciones experimentales en redes internacionales consolidará el equipamiento científico de nuestras bases antárticas. La proximidad de las estaciones de registro y las bases aportará la necesaria estabilidad en su funcionamiento a largo plazo por el mantenimiento realizado directamente tanto por los componentes científicos como técnicos de las estaciones polares. 12

13 6. HISTORIAL DEL EQUIPO SOLICITANTE EN EL TEMA PROPUESTO La experiencia de nuestro equipo en la investigación polar comienza en la etapa anterior del ingreso de España como miembro del tratado antártico, en aquellos tiempos en los que nuestro país no contaba con ningún tipo de logística en la zona, tiempos en los que los pocos investigadores que podíamos viajar para realizar nuestra labor científica lo teníamos que hacer de la mano de otros países amigos. La primera campaña antártica que realizamos fue en la isla Decepción durante el verano austral (Ramos, 1989). Tras la realización de más de 10 campañas antárticas hemos constituido una base de datos de gran interés en el campo del estudio del balance térmico suelo-atmósfera, con completos y sistemáticos registros durante el verano y con la introducción de los sistemas automáticos de medida para realizar registros autónomos durante el invierno polar. Las primeras experiencias sin mantenimiento y de duración anual las establecimos a partir de 1990 en la isla Livingston. Hay que recordar que el rápido desarrollo tecnológico nos hace sentir que los sistemas de medidas automáticos, que funcionan alrededor nuestro, llevan muchos años implantados pero la realidad es otra. Hace 15 años eran contadas las experiencias con registros automáticos que se realizaban en zonas climáticas tan agresivas y aisladas como la Antártida. A partir de 1990 fijamos nuestro interés en la monitorización de la capa activa del permafrost haciendo especial incidencia en su régimen térmico y en la adecuación de los protocolos necesarios para calcular el balance de energía intercambiado entre el suelo y la capa límite superficial. Este primer proyecto tuvo por título: "Estudio del Régimen del suelo Permahelado en las proximidades de la Base Antártica Española ANT- 1263/91. Siendo la entidad financiadora el Plan Nac. de I+D. Posteriormente combinamos las medidas de invierno (Ramos, 1995, 1998) con sondeos de poca profundidad y estudios micrometeorológicos (Ramos, 1997) de la zona de estudio durante la época estival tanto en las islas Livingston como Decepción. Fue a partir del año 1999 cuando pudimos realizar dos sondeos en cuarcita con una máquina portátil de perforación (HILTI) alcanzando la profundidad de 2.4 m (Ramos, 2002, 2003). Estos sondeos, uno de ellos en permafrost continuo, nos han permitido realizar un seguimiento continuo de la evolución térmica de la capa activa en la isla Livingston. Estas estaciones han estado funcionando durante los últimos 5 años en forma continuada por lo que pensamos que el protocolo de medidas ha sido adecuado pues el mantenimiento anual se realizó en varias ocasiones por personal técnico de la base sin participación directa de nuestros investigadores. Estos sondeos son los únicos de sus características en el área de la península antártica y de los pocos existentes en la actualidad en el continente. Las perforaciones fueron realizadas por no especialistas, nosotros mismos, y con maquinas de pequeña potencia. La propuesta de realización de perforaciones con la suficiente profundidad como para que alcancen la posición de amplitud térmica cero, pasa por la contratación de un equipo de profesionales con la maquinaria adecuada con objeto de alcanzar la profundidad requerida. En este aspecto del proyecto tanto el quipo Suizo como el de la Universidad de Alcalá, tenemos la experiencia conjunta de nuestra participación en el programa europeo PACE (Tanarro, 2001). El equipo de la ETH tiene en su currículo la realización de numerosas perforaciones en el Ártico y el los Alpes, en esta última 13

14 cordillera tienen la perforación monitorizada más antigua de Europa (25 años de registros) (Von del mühlll, 2003). La Universidad de Alcalá participó en la realización de la perforación de 125 m de profundidad realizada en el pico Veleta en el marco del proyecto PACE. El equipo del Dr. Ortiz en el museo de Ciencias Naturales ha sido pionero en la investigación volcanología en la Antártida teniendo un profundo conocimiento del volcán Decepción. El equipo de la Universidad de Lisboa tiene gran experiencia en el estudio de la capa activa de suelos helados y de registros climáticos en zonas de alta montaña (Vieira, 2000, 2003). 14

15 6.1 FINANCIACIÓN PÚBLICA Y PRIVADA (PROYECTOS Y CONTRATOS DE I+D) DE LOS MIEMBROS DEL EQUIPO INVESTIGADOR Título del proyecto o contrato Proyecto nº PL EU 4th Framework: Environmental and Climate Programme. Evolución anual de la capa activa hielo/deshielo y mecanismos Físicos de Interacción Suelo-atmósfera en presencia de Permafrost. Islas Decepción y Livingston (Shetlands del Sur. Antártida). ANT "Proyecto Estrela. Processos gepomorfológicos e biofísicos e unidades de paisagem em ambientes de montanha mediterrànea. Aplicaçao à Serra da Estrela". "Capa Activa y permafrost en la Antártida (Isla Livingston. Shetlands del Sur). CAPA". REN E/ANT "Capa Activa y permafrost en la Antártida (Isla Livingston. Shetlands del Sur). Campaña CAPA ". REN E/ANT. Relación con Subvención Periodo de la solicitud concedida o vigencia o que ahora se Investigador Principal solicitada Entidad financiadora y fecha de la presenta (1) EURO referencia del proyecto solicitud (2) 1 Dr. Charles Harris EU C Dr. Miguel Ramos PNICYT C Dr. Antonio BRUM Fundaçao para la Ciência e a Tecnologia C Dr. Miguel Ramos 8500 PNICYT C Dr. Miguel Ramos 7500 PNICYT C Modelización y seguimiento térmico de la capa activa y el permafrost en las Islas Livingston y Decepción. Trabajo preliminar de un proyecto dirigido al Año Polar Internacional (PERMAMODEL). CGL E 0 Dr. Miguel Ramos 28163,60 PNICYT (Acción Complementaria). (1) Escríbase 0, 1, 2 o 3 según la siguiente clave: 0 = Es el mismo proyecto 1 = está muy relacionado 2 = está algo relacionado 3 = sin relación (2) Escríbase una C o una S según se trate de una concesión o de una solicitud. S

16 7. CAPACIDAD FORMATIVA DEL PROYECTO Y DEL EQUIPO SOLICITANTE Lamentablemente la investigación polar no ha estado dotada de las plazas formativas suficientes en temas tan novedosos en nuestro país como es el estudio y monitorización del permafrost en estas regiones. A pesar del número de proyectos que hemos coordinado desde nuestro grupo de la Universidad de Alcalá y de las solicitudes de becas y contratos en formación que hemos realizado, nunca nos ha correspondido ninguna de estas plazas. Por ello, los recursos humanos en esta área de trabajo tan hostil, se mengua poco a poco y no hay relevo generacional con nuevos investigadores en formación. Quizás sea el momento oportuno de volver a solicitar una plaza de becario predoctoral, cuando la madurez de nuestras investigaciones viene refrendada por nuestros contactos y publicaciones internacionales. Asimismo, nuestra administración debería realizar un esfuerzo en este sentido de cara al año polar internacional, cabe recordar que uno de los objetivos básicos de la propuesta genérica del IPY (International Polar Year) es la captación y formación de jóvenes investigadores en ciencias polares. 16