EVALUACIÓN DEL IMPACTO DEL CAMBIO CLIMÁTICO EN LOS GLACIARES TROPICALES DE LOS ANDES CENTRALES

1. MASTER EN TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN GEOGRÁFICA (TIG) Asignatura: Aplicaciones de las TIG al medio ambiente EVALUACIÓN DEL IMPACTO DEL CAMBIO CLIMÁTICO EN LOS GLACIARES TROPICALES DE LOS ANDES CENTRALES Grupo de Investigación en Geografía Física de Alta Montaña Departamento de Análisis Geográfico Regional y Geografía Física · Universidad Complutense de Madrid joseubeda@ghis.ucm.es

2. 1.INTRODUCCIÓN Factores clave para obtener una comprensión global del cambio climático: -La evolución de los glaciares tropicales (Kaser & Osmaston, 2002). -La evolución de los paleoglaciares pleistocenos de las montañas mediterráneas (Hughes & Woodward, 2008; Hughes et al., 2006a; Hughes et al., 2006b). Los datos de esas regiones pueden contrastarse entre sí y con información procedente de latitudes más elevadas y otros proxys paleoclimáticos1. 1PROXYS PALEOCLIMÁTICOS: cualquier parámetro que proporcione información sobre el clima del pasado. Algunos ejemplos: - PaleoELAs y paleotemperaturas. - Paleotemperatura de la superficie del mar. - Pólenes inscritos en testigos de hielo o testigos de sedimentos. - Isótopos de oxígeno (d18O) 2

3. 1.INTRODUCCIÓN Para analizar la evolución de los glaciares es necesario observar su estado en diferentes fases utilizando indicadores que reflejen sus cambios a lo largo del tiempo. Los parámetros que mejor cumplen esa función son. - La superficie de las masas de hielo. - La altitud de la línea de equilibrio. El concepto de la altitud de la línea de equilibrio habitualmente se conoce con el acrónimo anglosajón ELA (Equilibrium Line Altitude). 3

4. 2. FUNDAMENTOS DE GEOMORFOLOGÍA GLACIAR Arcos morrénicos frontales y morrenas laterales: formas generadas por la deposición de la carga desplazada por el glaciar cuando culmina su progresión. 4

5. 2. FUNDAMENTOS DE GEOMORFOLOGÍA GLACIAR ELA: línea teórica que separa la zona de acumulación, donde predominan los procesos de ganancia, que propician la conservación de la nieve y su transformación en hielo, de la zona de ablación, donde prevalecen la fusión y la sublimación, que favorecen la pérdida de masa glaciar. Zona de acumulación Zona de ablación 5 Cumbre oriental del Nevado Coropuna (6305 m) vista desde la quebrada Queñua Ranra, al NE del complejo volcánico.

6. 3. MÉTODOS DE RECONSTRUCCIÓN DE LAS ELAs Nevado Chacraraju (6112 m), Cordillera Blanca (Perú) El nivel de la ELA puede estimarse empleando distintos procedimientos: - Métodos glaciológicos o hidrológicos. - Métodos geomorfológicos. - Métodos climáticos. 6

7. 3. MÉTODOS DE RECONSTRUCCIÓN DE LAS ELAs  - Precipitaciones. - Redistribución eólica de la nieve. - Avalanchas recibidas desde las vertientes. - Entradas: pueden deberse a  - Fusión: cuando el hielo pasa a la fase líquida. - Sublimación: cuando el hielo pasa directamente a la fase gaseosa. - Salidas: se producen por Métodos glaciológicos o hidrológicos de estimación de las ELAs : se basan en la realización de observaciones sistemáticas sobre el terreno de las entradas y salidas del glaciar, con el fin de cuantificar las ganancias y pérdidas de masa. 7

8. 3.1. MÉTODOS GLACIOLÓGICOS E HIDROLÓGICOS Métodos glaciológicos e hidrológicos: medición de las entradas mediante la instalación de trampas para capturar las precipitaciones (pozos de acumulación). Pozo de acumulación Glaciar Tuailqui, Nevado Coropuna (Perú) 8

9. 3.1. MÉTODOS GLACIOLÓGICOS E HIDROLÓGICOS Métodos glaciológicos o hidrológicos: medición de las salidas mediante la instalación de balizas que permiten observar las pérdidas de espesor de la masa de hielo. Baliza Baliza Glaciar Tuailqui, Nevado Coropuna (Perú) 9

10. 3.1. MÉTODOS GLACIOLÓGICOS E HIDROLÓGICOS Métodos glaciológicos o hidrológicos: medición de las salidas mediante estaciones de aforo que miden el caudal del drenaje proglaciar. FRENTE DEL GLACIAR ZONGO (Huayna Potosí, Bolivia) ESTACIÓN DE AFORO 10

11. 3.2. MÉTODOS CLIMÁTICOS Las variaciones altitudinales del balance de las entradas y salidas del sistema se representa en un gráfico. El nivel de la ELA es la altitud donde el balance de masa se equilibra (b = 0). 11

12. 3.2. MÉTODOS CLIMÁTICOS b: balance de masa (mm) a: ablación (mm) c: acumulación (mm). Donde: a: ablación (mm). m: duración del periodo de ablación (días). Lm: calor latente de fusión (3,34 x 105 J/kg). Qr: energía disponible para la fusión en forma de radiación neta (MJ/m2/día). : coeficiente de masa transferida por calor sensible (1,5 MJ/m2/día). Ta: temperatura media anual del aire (ºC). Ts: temperatura media anual del suelo (ºC). tm ________ a = [(Qr + (Ta - Ts)] Lm Donde: Métodos climáticos de estimación de las ELAs: utilizan ecuaciones que relacionan matemáticamente la temperatura y la humedad con diferentes parámetros y coeficientes deducidos de observaciones glaciológicas. b = a - c 12

13. 3.2. MÉTODOS CLIMÁTICOS Resultado de la aplicación de las ecuaciones de los métodos climáticos de estimación de la ELA.  Una curva que representa el perfil vertical del balance de masa del glaciar.  El nivel de la ELA es la altitud donde el balance de masa se equilibra (b = 0) 13

14. 3.3. MÉTODOS GEOMORFOLÓGICOS Métodos geomorfológicos empleados con mayor frecuencia: - MELM:Maximum Elevation of Lateral Moraines.Lichtenecker (1938); Visser (1938). - THAR: Terminus Headwall Altitude Ratio. Porter (1981); Meierding (1982). - AAR:Accumulation Area Ratio. Brückner (1886); Brückner (1887); Brückner (1906). Métodos geomorfológicos que ofrecen mejores resultados: Kaser & Osmaston (2002); Benn et al (2005); Osmaston (2005) - AA:Area x Altitude.Kurowski (1891). - AABR: Area x Altitude Balance Ratio. Osmaston (2005). Métodos geomorfológicos: relacionan matemáticamente la altitud máxima de las morrenas laterales, las altitudes máximas y mínimas de las masas de hielo o la distribución de la altitud a lo largo y a lo ancho de la superficie del glaciar. 14

15. 4. APLICACIÓN DE LAS TIG EN LOS MÉTODOS GEOMORFOLÓGICOS Las TIG son útiles como instrumento de análisis y representación en los métodos glaciológicos, hidrológicos y climáticos de estimación de las ELAs y paleoELAs: 1) En los métodos glaciológicos o hidrológicos sirven para localizar las balizas, los pozos de acumulación y las estaciones de aforo, registrando las coordenadas en el trabajo de campo con un GPS. 2) En los métodos climáticos permiten conocer las superficies relativas de las zonas de acumulación y ablación. En adelante la explicación se dedicará a las aplicaciones de las TIG en los ensayos de los métodos geomorfológicos de reconstrucción de las ELAs y paleoELAs. 15

16. 4.1. APLICACIÓN DE LAS TIG EN EL MÉTODO MELM El fundamento del método MELM es considerar que cuando los paleoglaciares culminaron su expansión, las acciones de deposición en sus márgenes sólo se produjeron por debajo de la paleoELA, que por ese motivo equivale a la máxima altitud alcanzada por las formas morrénicas.  El método sólo puede aplicarse para analizar glaciares del pasado (paleoglaciares). 16

17. 4.1. APLICACIÓN DE LAS TIG EN EL MÉTODO MELM - Modelo Digital del Terreno. - Imagen de satélite, ortofoto y/o cartografía geomorfológica. Descripción del procedimiento: 1. Integrar en un sistema de información geográfica.  2. Delimitar los puntos de máxima altitud de las morrenas laterales. 3. Identificar las altitudes y estimar el valor promedio (equivalente a la ELA). 17

18. 4.1. APLICACIÓN DE LAS TIG EN EL MÉTODO MELM HOJA DE CÁLCULO ‘ELAs COROPUNA MELM LGM’: 18

19. 4.1. APLICACIÓN DE LAS TIG EN EL MÉTODO MELM RESULTADO: PROBLEMA: la erosión de las formas morrénicas puede distorsionar el resultado. 19

20. 4.2. APLICACIÓN DE LAS TIG EN EL MÉTODO THAR Para aplicar el método THAR se asume que cuando se produjo su máxima expansión existió una relación constante entre la altitud del frente (terminus) y la cabecera (headwall) de los paleoglaciares. La relación la expresa el ratio THAR (p.e. THAR=0,5) Conocidas las altitudes de la cabecera y el frente de las masas de hielo, el ratio THAR y el nivel de la ELA pueden estimarse resolviendo un sistema de dos ecuaciones (Porter, 2001): THAR = (ELA-Af)/(Ac-Af) ELA= Af + THAR(Ac-Af) THAR: relación entre las altitudes de la cabecera y el frente del glaciar. ELA: Equilibrium Line Altitude (m). Ac: altitud de la cabecera del glaciar (m). Af: altitud del frente del glaciar (m). Donde: 20

21. 4.2. APLICACIÓN DE LAS TIG EN EL MÉTODO THAR - Modelo Digital del Terreno. - Imagen de satélite, ortofoto y/o cartografía geomorfológica. Descripción del procedimiento: 1. Integrar en un sistema de información geográfica.  2. Delimitar los puntos de máxima altitud de la cabecera y mínima altitud del frente del glaciar. 3. Identificar el valor de las altitudes. 4. Aplicar las ecuaciones para estimar la ELA o paleoELA. 21

22. 4.2. APLICACIÓN DE LAS TIG EN EL MÉTODO THAR RESULTADO: Para operar con esta hoja de cálculo es preciso introducir la siguiente información: Columna 1: denominación del paleoglaciar. Columnas 2-3: cotas altitudinales de la cabecera (H) y el frente de las masas de hielo (T). Columnas 4-7: valores del ratio THAR. Casilla correspondiente: valor de la paleoELA reconstruida por el método AABR. Satisfechos esos requisitos el sistema realiza automáticamente los siguientes cálculos: Columnas 8-11: estimaciones de las paleoELAs deducidas de las ratios THAR. Promedios: de los valores THAR1 (empleados como ratio THAR2) y las paleoELAs. Diferencia de la paleoELA THAR con respecto a la paleoELA AABR. PROBLEMA: la elección del ratio THAR es subjetiva, condicionando la fiabilidad del método y el resultado final. 22

23. 4.3. APLICACIÓN DE LAS TIG EN EL MÉTODO AAR El método AAR se basa en asumir que cuando los paleoglaciares alcanzaron su máxima expansión existía una relación constante entre la superficie de la zona de acumulación y la superficie total de las masas de hielo La relación la expresa el ratio AAR (p.e. AAR=0,67). Conocido el valor de la superficie total de las masas de hielo y la zona de acumulación, la relación entre las dos áreas está expresada por la ecuación matemática (Porter, 2001): AAR = Sc/(Sc+Sa) Sc: superficie de la zona de acumulación. Sa: superficie de la zona de ablación. Donde: 23

24. 4.3. APLICACIÓN DE LAS TIG EN EL MÉTODO AAR Descripción del procedimiento: 1. Integrar en un sistema de información geográfica. - Modelo Digital del Terreno. - Imagen de satélite, ortofoto y/o cartografía geomorfológica. - Topografía digital.  2. Delimitar el glaciar y sus bandas altitudinales. 3. Medir la superficie de las bandas altitudinales. 4. Construir la curva hipsográfica, que expresa la acumula de la superficie del glaciar a medida que se incrementa la altitud. 24

25. 4.3. APLICACIÓN DE LAS TIG EN EL MÉTODO AAR 1) Construcción de la curva hipsográfica: introducción en la hoja de cálculo la denominación de las bandas altitudinales y sus superficies. El sistema calcula automáticamente el porcentaje (%) del área acumulada en cada intervalo de altitud y dibuja la curva hipsográfica. 2) Determinación del nivel de la paleoELA AAR: en las propiedades del gráfico se indica que el eje vertical (y), que representa la altitud, cruce el eje horizontal (x), que refleja superficie acumulada (%), en el valor correspondiente al ratio AAR elegido, expresado en términos de porcentaje (67% en el ejemplo de la figura). La paleoELA AAR se determina gráficamente identificándola con la intersección de la curva hipsográfica con el eje vertical (5206 m en el ejemplo de la figura). 25

26. 4.4. APLICACIÓN DE LAS TIG EN EL MÉTODO AABR CÁLCULO DE LAS ELAs GEOMORFOLÓGICAS El procedimiento empleado, denominado Area x Altitude Balance Ratio (AABR), consta de dos fases: FASE I: 1. Delimitación y cálculo de la superficie de las bandas altitudinales del glaciar. 2. Estimación de la ELA geomorfológica por el método Area x Altitude (AA), aplicando la ecuación: ELA=Z•A/A Donde: Z·A - sumatorio del producto de la altitud media de cada banda altitudinal del glaciar por su área. A - área total del glaciar. 3. Ponderación de los resultados de la ecuación en cada intervalo con diferentes valores de BR. 4. Construcción de una base de datos con las series de valores de ELAs geomorfológicas y sus correspondientes valores de BR. 26

27. 4.4. APLICACIÓN DE LAS TIG EN EL MÉTODO AABR FASE II: 1. Los valores de las ELAs geomorfológicas se tabulan en series vinculadas con un mismo valor de BR. 2. Se calculan los promedios y las desviaciones típicas de cada serie. 3. Se seleccionan los promedios asociados con una desviación típica más reducida, por considerar que son los valores más probables de la ELA (Osmaston 2005). 27

28. 5. PRESENTACIÓN DE UN CASO DE ESTUDIO: localización del Nevado Coropuna • El Nevado Coropuna es el centro activo más septentrional de la Zona Volcánica Central de los Andes. • - Es un complejo formado por varios estratovolcanes adyacentes que superan los 6.000 m de altitud y están cubiertos de glaciares. Fotografía del Nevado Coropuna realizada desde la estación espacial internacional. Fuente: http://www.nasa.gov/centers/johnson/home/index.html. 28

29. 5. PRESENTACIÓN DE UN CASO DE ESTUDIO: localización del Nevado Coropuna En el sector septentrional de la Zona Volcánica Central los edificios poligenéticos cuaternarios se levantan sobre la cordillera formando una cadena de estratovolcanes paralela a la costa. 29

30. 5. PRESENTACIÓN DE UN CASO DE ESTUDIO: localización del Nevado Coropuna CARACTERÍSTICAS GENERALES 1) Tres unidades geográficas: • - Altiplano. • Rampa. • Costa. Altiplano 2) Fuerte desnivel. Rampa Costa 3) Profunda incisión de la red de drenaje (favorecida por el intenso levantamiento tectónico). 30

31. 5. PRESENTACIÓN DE UN CASO DE ESTUDIO: cartografía geomorfológica (SIG) 31

32. 5. PRESENTACIÓN DE UN CASO DE ESTUDIO: delimitación del sistema glaciar Altiplano 32

33. 5. PRESENTACIÓN DE UN CASO DE ESTUDIO: sector NE del sistema glaciar PANORÁMICA DEL ESTADO ACTUAL Quebrada Queñua Ranra Quebrada Santiago Glaciares de la Quebrada Queñua Ranra: QR1 - Queñua Ranra 1 QR2 - Queñua Ranra 2 QR3 - Queñua Ranra 3 QR4 - Queñua Ranra 4 QR5 - Queñua Ranra 5 Glaciares de la Quebrada Santiago: S1 - Santiago 1 S2 - Santiago 2 33

34. 5. PRESENTACIÓN DE UN CASO DE ESTUDIO: sector NE del sistema glaciar 34

35. 5. PRESENTACIÓN DE UN CASO DE ESTUDIO: sector NE del sistema glaciar ÚLTIMO MÁXIMO GLACIAL REGIONAL (SECTOR NE) 35

36. 5. PRESENTACIÓN DE UN CASO DE ESTUDIO : 3 razones para investigar el Coropuna RESERVA HÍDRICA ESTRATÉGICA: 1 - Abastecimiento de decenas de miles de personas que se concentran en el fondo de los valles que disectan el altiplano y la rampa. - Contraste entre las fértiles llanuras aluviales y las áridas vertientes de los valles. 36 Panorámica del fondo del Majes desde la pista que da acceso al valle desde la carretera panamericana.

37. 5. PRESENTACIÓN DE UN CASO DE ESTUDIO : 3 razones para investigar el Coropuna → 2 RIESGO = AMENAZA + VULNERABILIDAD ESCENARIO DE RIESGO (patrón del poblamiento) (volcán latente + glaciar + desnivel) 37 Secuencia de facies laháricas y fluviales en un cantil del margen derecho del río Majes.

38. 5. PRESENTACIÓN DE UN CASO DE ESTUDIO : 3 razones para investigar el Coropuna 3 GEOINDICADORES DEL CAMBIO CLIMÁTICO A ≠ ESCALAS · Glaciares actuales: a escala de años o decenas de años Edificio culminante del complejo volcánico Nevado Coropuna (6377 m). · Paleoglaciares: a escala de siglos, miles o decenas de miles de años 38 Arco morrénico frontal en una quebrada del cuadrante SE del complejo volcánico Nevado Coropuna.

39. 6. TRABAJO PRÁCTICO: objetivos Objetivo general: realizar un análisis de los glaciares del complejo volcánico Nevado Coropuna, reconstruyendo su superficie y ELAs y paleoELAs en diferentes fases. 2007 1986 1955 Pequeña Edad del Hielo (PEH). Último Máximo Glacial Regional (LGM). Objetivos específicos: 1) Delimitar los glaciares en diferentes fases. 2) Medir las superficies de las masas de hielo en cada fase. 3) Construir una capa maestra de bandas altitudinales. 4) Obtener capas de bandas altitudinales de los glaciares. 5) Medir las superficies de las bandas altitudinales de los glaciares. 6) Generar bases de datos compatibles con los procedimientos descritos y exportarlas en un formato compatible con EXCEL. 7) Reconstruir las ELAs y paleoELAs en todas las fases por el método AABR y en el Último Máximo Glacial Regional por los métodos MELM, THAR y AAR. 39

40. 6. TRABAJO PRÁCTICO: instrumentos de análisis (ver carpeta ‘MASTER’ en disco ‘C’) Entorno operativo: ARC GIS ó ARC VIEW y EXCEL Bases geográficas: - Topografía digital. - Modelo Digital del Terreno. - Capa maestra de bandas altitudinales. - Ortofotos (1955 y 1986), imagen LANDSAT MrSID e imagen ASTER (2007). - Capas representando las morrenas correspondientes a las fases PEH y LGM. Hojas de cálculo: - Hoja de cálculo para estimar la paleoELA MELM, THAR y AABR. Otras fuentes: - Colección de cartografías geomorfológicas incluidas en la presentación. 40

41. 6. TRABAJO PRÁCTICO: procedimientos • Topografía digital equidistancia = 50 m. • Ortofotos (fotografías aéreas de 1955 y 1986). • Imagen del satélite ASTER (2007). • Delimitación de las masas de hielo. • Medida de las superficies. • Reconstrucción de las ELAs. ANÁLISIS DE LA EVOLUCIÓN DE LOS GLACIARES Bases geográficas Caracterización de las fases glaciares 41 Vista aérea oblicua del sector septentrional del Nevado Coropuna.

42. 6. TRABAJO PRÁCTICO: procedimientos APLICACIÓN DEL MÉTODO DE ANÁLISIS A LOS PALEOGLACIARES Bases geográficas Caracterización de las fases paleoglaciares • - Delimitación de las masas de hielo. • Reconstrucción de la paleotopografía. • Reconstrucción de las paleoELAs geomorfológicas. - Cartografía geomorfológica. 1 2 3 CARTOGRAFÍA GEOMORFOLÓGICA DELIMITACIÓN DE LOS PALEOGLACIARES RECONSTRUCCIÓN DE LA PALEOTOPOGRAFÍA 42

43. 7. BIBLIOGRAFÍA Benn, D.I., Owen, L.A., Osmaston, H.A., Seltzer, G.O., Porter, S.C. & Mark, B.G., 2005. Reconstruction of equilibrium-line altitudes for tropical and sub-tropical glaciers. Quaternary International, 138-139 (2005): 8-21. http://wp.me/p1gJuc-7n. Brückner, E., 1886. Die Hohern Tauern und ihre Eisbedeckung. Zeitschrift des Deutsch-Österreichische Alpenvereins, 17: 163-187. Brückner, E., 1887. Die Höhern der Schneelinie und ihre Bestimmung. Meteorologische Zeitschrift, 4: 31-32. Brückner, E., 1906. Die Höhe der Firnlinie im allgemeinen, Vierteljahrsschrift d. Naturf. Ges. Zürich: 50-54. Hughes, P.D. & Woodward, J.C., 2008. Timing of glaciation in the Mediterranean mountains during the last cold stage. Journal of Quaternary Science, 23: 575-588. Hughes, P.D., Woodward, J.C. & Gibbard, P.L., 2006a. Glacial history of the Mediterranean mountains. Progress in Physical Geography, 30: 334-364. Hughes, P.D., Woodward, J.C. & Gibbard, P.L., 2006b. Late Pleistocene glaciers and climate in the Mediterranean region. Global Planetary Change, 46: 83-98. Kaser, G. & Osmaston, H., 2002. Tropical Glaciers. International Hydrology Series. Cambridge University Press, Cambridge (U.K.), 207 pp. http://wp.me/p1gJuc-7n. Klein, A.G., Seltzer, G.O. & Isacks, B.L., 1999. Modern and Last Local Glacial Maximum snowlines in the Central Andes of Peru, Bolivia, and Northern Chile. Quaternary Research Reviews, 18: 3-84. Kurowski, L., 1891. Die Höhe der Schneegrenze. Geogr. Abh., 5 I (124): 119-160. 43

44. 7. BIBLIOGRAFÍA Lichtenecker, N., 1938. Die gegenwärtige und die eiszeitliche Schneegrenze in den Ostalpen, Verhandl. d., III Intern. Quartär-Konferenz (1936), Wien (Österreich), pp. 141-147. Meierding, T.C., 1982. Late Pleistocene glacial equilibrium-line altitudes in the Colorado Front Range: A comparison of methods. Quaternary Research, 18: 289–310. Osmaston, H., 2005. Estimates of glacier equilibrium line altitudes by the Area x Altitude, the Area x Altitude Balance Ratio and the Area x Altitude Balance Index methods and their validation. Quaternary International, 22–31: 138–139. http://wp.me/p1gJuc-7n. Osmaston, H., 1965. The Past and Present Climate and vegetation of Rwenzori Glaciers. Uganda Journal, 25: 99-104. Porter, S.C., 2001. Snowline depression in the tropics during the last glaciation. Quarternary Science Reviews, 20: 1067-1091. Porter, S.C., 1981. Pleistocene glaciaton in the Southern Lake District of Chile. Quarternary Research, 16: 263-292. Sémiond, H., Francou, B., Ayabaca, E., De la Cruz, A. & Chango, R., 1998. El glaciar 15 del Antizana (Ecuador). Investigaciones glaciológicas 1994-1997. IFEA-ORSTOM-CNRS-EMAAP-INAMHI-Quito, Quito (Ecuador), 96 pp. Úbeda, J., 2010. El impacto del cambio climático en los glaciares del complejo volcánico Nevado Coropuna (cordillera Occidental de los Andes, Sur del Perú). Tesis doctoral, Universidad Complutense de Madrid, Madrid (España). Disponible online en el enlace: http://ucm.academia.edu/joseubeda/Books. Visser, P.C., 1938. Wissenschaftliche Ergebnisse der Niederländischen Expeditionen in den Karakorum und die angrenzenden Gebiete in den Jahren 1922-1935 II Glaziologie, Leiden (Netherland), 216 pp. 44