Badacze z Wydziału Geografii i Studiów Regionalnych Uniwersytetu Warszawskiego sprawdzają, co dzieje się ze skałami, które przez wieki były przykryte lodem. Na pierwszy rzut oka nic się nie zmienia – powierzchnia wciąż wygląda na gładką i jednolitą. W rzeczywistości wietrzenie to złożony proces, w którym działa jednocześnie fizyka, chemia i biologia. Mróz i zmiany temperatury rozsadzają mikroszczeliny.
Minerały reagują z wodą i powietrzem, rozpuszczają się lub przekształcają. Do tego dochodzą mikroorganizmy, które osłabiają skałę, a jednocześnie odkładają w niej własne mineralne struktury. Z czasem gładka powierzchnia matowieje i zamienia się w mikroskopijny ekosystem.
Topniejące lodowce to jeden z najbardziej widocznych skutków globalnych zmian klimatu. Cofający się lód odsłania powierzchnie, które przez długie stulecia były polerowane i modelowane przez masy lodowe. Teraz kształtują je inne siły: słońce, deszcz, wiatr, mróz i mikroorganizmy.
– Te obszary to wyjątkowe miejsce badań. Możemy niemal w czasie rzeczywistym obserwować początek powstawania krajobrazu – mówi prof. Maciej Dąbski.
Zespół z UW prowadzi badania w różnych częściach świata. Dotychczas analizowano przedpola lodowców Hallstätter w Alpach, Midtre Lovénbreen na Spitsbergenie i Qaanaaq na Grenlandii. W planach są już kolejne prace – tym razem w rejonie Lodowca Athabasca w Kanadzie.
Światło, które zdradza tajemnice
Aby sprawdzić, co dzieje się z powierzchnią świeżo odsłoniętych skał, naukowcy sięgają po spektroskopię odbiciową. To metoda polegająca na analizie tego, jak skała odbija promieniowanie widzialne i podczerwone. Każdy minerał ma swoją charakterystyczną sygnaturę widma promieniowania, więc dokładny pomiar pozwala ustalić skład skały i śledzić, jak jej powierzchnia zmienia się w czasie. Do badań wykorzystuje się spektrometry, które działają zarówno w terenie, jak i zdalnie – zamontowane na dronach, samolotach czy satelitach. Dzięki temu można łączyć pomiary w terenie z obrazem całych krajobrazów oglądanych z lotu ptaka. Spektroskopia odbiciowa znajduje dziś zastosowanie w wielu dziedzinach – od mapowania minerałów, przez ocenę stopnia zwietrzenia skał, po badania gleb i meteorytów.
Na przedpolach lodowców ta metoda pozwala uchwycić procesy zachodzące niezwykle szybko. Skały, dopiero co uwolnione spod lodu, zaczynają matowieć, zmieniać barwę i inaczej odbijać światło. Aby zobaczyć, jak przebiega ten proces, badacze analizują tzw. chronosekwencje – powierzchnie odsłonięte w różnym czasie, od kilku do ponad stu lat temu. W każdym miejscu mierzą trzy kluczowe parametry: chropowatość, twardość i sposób odbijania światła. Gładkość powierzchni sprawdza profilometr, twardość – młotek Schmidta, a spektrometr rejestruje subtelne różnice w odbiciu fal widzialnych i podczerwonych.
Badania terenowe wspierają nowoczesne techniki obrazowania. Drony wykonują zdjęcia i skany LiDAR, które pozwalają tworzyć bardzo dokładne modele terenu. Dzięki nim można precyzyjnie umiejscowić pomiary i wracać do tych samych fragmentów skał w kolejnych sezonach. Pobrane próbki trafiają też do laboratorium, gdzie pod mikroskopami optycznymi i elektronowymi widać mikropęknięcia, jamki i porowate struktury. Analizy mikrobiologiczne ujawniają natomiast obecność biofilmów – cienkich warstw mikroorganizmów przypominających „skórkę” na powierzchni – oraz cyjanobakterii, jednych z najstarszych organizmów na Ziemi.
To właśnie połączenie spektroskopii z klasycznymi pomiarami geologicznymi, obrazowaniem z drona i badaniami mikroorganizmów daje pełny obraz tego, jak skały na przedpolach lodowców zaczynają żyć własnym „drugim życiem” po ustąpieniu lodu.
Mikroorganizmy w akcji
Wyniki badań pokazały, że tempo wietrzenia skał zależy nie tylko od ich budowy mineralnej czy klimatu, lecz także od niepozornych mikroorganizmów. Piaskowce, zdominowane przez twardy kwarc, zmieniają się wolno. Wapienie, oparte na podatnym na rozpuszczanie kalcycie, szybko tracą spójność i stają się chropowate, a gnejsy (skały metamorficzne o charakterystycznym prążkowanym wyglądzie) ulegają osłabieniu wskutek pęknięć i cykli zamrażania oraz rozmrażania. To jednak obecność cyjanobakterii (powszechnie znane jako sinice) okazała się jednym z najciekawszych odkryć. Przyspieszają one degradację skały, ale jednocześnie prowadzą do biomineralizacji – na powierzchni powstają gąbczaste mikrostruktury, w których rozpuszczaniu minerałów towarzyszy narastanie nowych kryształów kalcytu.
Cyjanobakterie są szczególnie ważne, bo należą do najstarszych organizmów na Ziemi. To właśnie one miliardy lat temu rozpoczęły proces fotosyntezy tlenowej, doprowadzając do tzw. Wielkiego Wydarzenia Tlenowego, które zmieniło atmosferę i umożliwiło rozwój życia, jakie znamy dzisiaj.
– Nasze badania początkowo w ogóle nie zakładały analiz biologicznych. Dopiero wyniki mikroskopowe i spektralne pokazały nam, że trzeba sprawdzić, „co tam żyje” i jak to wpływa na wietrzenie skał. Tak narodziła się współpraca z Zakładem Geomikrobiologii na Wydziale Biologii UW, kierowanym przez prof. Renatę Matlakowską. Dzięki temu badania stały się interdyscyplinarne. Obecnie uczę się izolacji i sekwencjonowania DNA, żeby określić składy mikroorganizmów kolonizujących powierzchnie skalne. To podejście jest nowatorskie, bo w badaniach polarnych zwykle analizuje się gleby, a my skupiamy się bezpośrednio na skałach – mówi Ireneusz Badura.
Świeżo odsłonięte powierzchnie są gładkie i czyste, pozbawione produktów wietrzenia. Z czasem ciemnieją w świetle widzialnym – na skutek utleniania, narastania biofilmów i odkładania wtórnych minerałów. Te zmiany mają konsekwencje klimatyczne, bo ciemniejsze skały pochłaniają więcej energii słonecznej, a jasne – odbijają ją.
– Nasze oczy widzą przede wszystkim ciemnienie powierzchni skały w świetle widzialnym, ale w podczerwieni efekt bywa odwrotny i stanowi jedną z zagadek, którą staramy się wyjaśnić – tłumaczy prof. Maciej Dąbski.
– W przypadku promieniowania podczerwonego nie ma prostych uogólnień. Wszystko zależy od rodzaju skały i właściwości jej minerałów – dodaje Ireneusz Badura.
Najbardziej zaskakujące okazały się jednak obserwacje mikroorganizmów w działaniu. W wapieniach po ponad stu latach wietrzenia powierzchnie zaczęły odbijać promieniowanie podczerwone znacznie silniej niż młodsze skały. Na gnejsach tego efektu nie było, a piaskowce z Grenlandii wymagają dalszych analiz. Badacze zauważyli, że zmiany pojawiają się skokowo i wynikają z nakładania się procesów – od biomineralizacji, czyli odkładania minerałów przez mikroorganizmy, po rozwój biofilmów. Takie mikrośrodowiska określane skrótem AWRE (ang. abraded weathering rind environment). Powstają w mikrozagłębieniach, które lodowiec zarysował w skale. Najpierw gromadzi się tam zwietrzały materiał, a później pojawiają się mikroorganizmy, które uruchamiają kolejne cykle geochemiczne.
Równie istotne okazały się różnice regionalne. W Alpach dominują procesy chemiczne i biologiczne, związane z rozpuszczaniem kalcytu i biomineralizacją. W Arktyce większe znaczenie mają mechanizmy fizyczne – przede wszystkim cykle zamarzania i rozmrażania. Szczególnie spektakularne wyniki przyniosły badania alpejskich wapieni, gdzie w obrazie mikroskopu elektronowego udało się zobaczyć mikroskopowe formy przypominające leje krasowe i struktury gąbczaste – ślady intensywnego działania mikroorganizmów.
– W obrazie SEM zobaczyliśmy niesamowite mikrostruktury przypominające leje krasowe oraz gąbczaste formy. Pamiętam, jak konsultowałem te wyniki z prof. Wiaczesławem Andrejczukiem, specjalistą od krasu, i to on naprowadził nas na trop mikroorganizmów – wspomina prof. Maciej Dąbski.
Od skały do satelity
Wyniki badań mają znaczenie nie tylko dla geologów pracujących tuż obok lodowców. Dzięki spektroskopii odbiciowej można wyznaczać charakterystyczne „sygnatury” powierzchni skalnych i rozpoznawać je na zdjęciach satelitarnych czy obrazach hiperspektralnych wykonywanych z dronów i samolotów.
Zmiany w odbijaniu światła widzialnego i podczerwonego są na tyle wyraźne, że stają się wskaźnikami w analizach teledetekcyjnych. To otwiera drogę do monitorowania tempa wietrzenia skał w skali całych krajobrazów polarnych i do porównywania procesów w różnych regionach.
Do takich analiz wykorzystuje się m.in. biblioteki widmowe opracowywane przez USGS (United States Geological Surve) i inne ośrodki – zbiory „podpisów świetlnych” minerałów i skał. Dzięki nim można łatwiej porównywać dane terenowe z gotowymi wzorcami i rozpoznawać skład powierzchni na zdjęciach satelitarnych. Pomocne są także algorytmy ekstrakcji tzw. endmemberów – unikalnych sygnatur spektralnych pozwalających odróżniać świeże skały od zwietrzałych. To sprawia, że naukowcy mogą śledzić stopień wietrzenia nawet wtedy, gdy bezpośrednie pomiary w terenie są ograniczone.
Możliwość przeniesienia obserwacji „od skały do satelity” ma też wymiar klimatyczny. Zmiany w odbijaniu światła wpływają na albedo powierzchni, czyli ilość energii słonecznej odbijanej w kosmos. Im bardziej porowata i zasiedlona przez mikroorganizmy staje się skała, tym bardziej zmienia się jej sygnatura spektralna, a wraz z nią bilans energetyczny całego krajobrazu. To z kolei oddziałuje na obieg wody, lokalne mikroklimaty i bilans węgla.
– Badania są osadzone w kontekście globalnego ocieplenia i recesji lodowców. Procesy wietrzeniowe, zwłaszcza wietrzenie wapieni, mają bezpośredni wpływ na stężenie atmosferycznego dwutlenku węgla – wyjaśnia prof. Maciej Dąbski.
Podobne podejścia wykorzystuje się już w badaniach wietrzenia w innych środowiskach – od tropikalnych gleb Brazylii po pustynne skały w Azji. W każdym przypadku hiperspektralne obrazy pozwalały uchwycić subtelne zmiany w strukturze i barwie powierzchni, niewidoczne gołym okiem. Prace prowadzone w Alpach i na Spitsbergenie wpisują się więc w globalny nurt badań, które coraz wyraźniej pokazują, że spektroskopia odbiciowa staje się narzędziem nie tylko geologów, lecz także klimatologów i ekologów. Dzięki temu można tworzyć bardziej precyzyjne modele zmian środowiskowych i lepiej przewidywać, jak będą wyglądały polarne krajobrazy w nadchodzących dekadach.
Co dalej?
Badania prowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego pokazują, jak złożony i dynamiczny jest świat odsłonięty przez cofające się lodowce. To nie tylko miejsca, gdzie można śledzić zmiany w strukturze skał, ale także środowiska, w których mikroorganizmy inicjują nowe cykle chemiczne.
– Przedpola, które się odsłaniają, to „laboratoria na żywo”, gdzie możemy obserwować początek kształtowania się nowych krajobrazów i ekosystemów. Badania pokazują, jakie procesy temu towarzyszą i dają nam wgląd w przyszłość krajobrazów polarnych w dobie zmian klimatycznych – podkreśla Ireneusz Badura.
Już dziś wyniki pozwalają lepiej rozumieć procesy wietrzenia i ich konsekwencje dla środowiska. W przyszłości mogą posłużyć do zdalnego monitorowania zmian krajobrazu w skali całych regionów polarnych. W obliczu globalnego ocieplenia takie badania nabierają szczególnego znaczenia – pokazują, że zjawiska zachodzące w skali mikroskopowej mogą mieć wpływ na losy całych ekosystemów.
– Ja po prostu kocham lodowce i cieszę się, że mogę pracować w ich sąsiedztwie. Od czasu maksymalnego zasięgu lodowców w Małej Epoce Lodowej (najczęściej druga połowa XIX wieku) ich czoła cofają się, odsłaniając kolejne wały morenowe. To wspaniały poligon do badań nad dynamiką przekształceń krajobrazu. Nie możemy jednak zakładać, że recesja lodowców będzie trwała tak długo, jak rośnie stężenie dwutlenku węgla w atmosferze, bo system klimatyczny Ziemi jest niezwykle złożony – tłumaczy prof. Maciej Dąbski.
Na koniec jeszcze ostrzeżenie praktyczne. Krystalicznie czysta woda z lodowca wygląda jak najlepszy górski napój, ale lepiej jej nie próbować. W lodzie mogą kryć się mikroorganizmy uwięzione tam od tysięcy lat – a spotkanie z nimi mogłoby być dla naszego układu odpornościowego zbyt dużym wyzwaniem.
