Wprowadzenie
Na przestrzeni milionów lat Ziemia przeszła wiele zmian, które ukształtowały jej obecną formę i strukturę. Od kuli pyłu według hipotezy mgławicowej, do obecnej postaci, Ziemia uległa wielu przeobrażeniom. Niegdyś miejsce nadające się do zamieszkania, w okresie Hadean, nasza Ziemia była świadkiem wielu procesów w ciągu długiego czasu ponad 4 miliardów lat. Etapy rozwoju, które ukształtowały obecny zamieszkany świat, obejmują zarówno siły wewnętrzne, jak i zewnętrzne. Uderzenia meteorytów, działalność wulkaniczna, erozyjna działalność rzek, wiatrów, lodowców, oceanów itd. wraz z rozprzestrzenianiem się dna morskiego i działalnością tektoniczną płyt nieustannie pracowały nad ukształtowaniem Ziemi takiej, jaką widzimy obecnie. Wiele z tych działań zachodzi w krótkim odstępie czasu, podczas gdy niektóre trwają miliony lat, tworząc różne reżimy klimatyczne, geologiczne i geomorficzne. Wszystkie te niekończące się procesy wciąż trwają i kształtują naszą Ziemię obecnie. Najbardziej godne uwagi ze wszystkich tych procesów są procesy geomorficzne, ponieważ to one tworzą kształt i formę Ziemi, jaką widzimy obecnie. Stąd też badanie tych procesów geomorficznych jest krytyczne dla zrozumienia zjawisk i procesów zachodzących w przyrodzie.
Od greckich słów γεω (Ziemia), μορφη (morph/form) i λογοϛ (dyskutować), geomorfologia dosłownie oznacza „dyskusję na temat formy Ziemi”. Stąd, jest to badanie różnych cech, które znajdują się na Ziemi, takich jak góry, wzgórza, równiny, rzeki, moreny, cyrki, wydmy, plaże, mierzeje, itp., które są tworzone przez różne czynniki, takie jak rzeki, lodowce, wiatr, ocean, itp. Od IV wieku p.n.e. wielu ludzi badało formowanie się Ziemi, odnosząc się do różnych obserwacji w terenie. Starożytni Grecy i Rzymianie, tacy jak Arystoteles, Strabo, Herodot, Ksenofanes i wielu innych dyskutowali o pochodzeniu dolin, powstawaniu delt, obecności muszli na górach itp. Po zaobserwowaniu muszelek na szczytach gór Ksenofanes spekulował, że powierzchnia Ziemi musiała się od czasu do czasu wznosić i opadać, tworząc w ten sposób doliny rzeczne i góry (ok. 580-480 p.n.e.). Po zaobserwowaniu muszelek na szczytach gór i rozległych połaci piasku, Arystoteles (ok. 384-322 p.n.e.) zasugerował, że obszary, które teraz są suchym lądem, musiały być pokryte morzem w przeszłości, a te obszary, gdzie morze jest teraz obecne, musiały być kiedyś suchym lądem. W związku z tym zaproponował, że lądy i morza zamieniają się miejscami. Tradycyjnie, historia rozwoju krajobrazu została przeprowadzona przez mapowanie cech sedymentacyjnych i morfologicznych. Aby zrozumieć ewolucję krajobrazu, stosowano złotą zasadę: „teraźniejszość jest kluczem do przeszłości”. Zasada ta zakłada, że procesy, które są widoczne w działaniu dzisiaj, musiały zachodzić również w przeszłości, co może być wykorzystane do wnioskowania o przyczynach kształtowania się krajobrazu w przeszłości. Stąd przeszłość formacji zależała głównie od względnej informacji i metody starzenia się.
Jednakże słowo „geomorfologia” zostało po raz pierwszy ukute i użyte w latach 70. i 80. XIX wieku do opisu morfologii powierzchni Ziemi. Zostało ono jednak spopularyzowane przez Williama Morrisa Davisa, który zaproponował „cykl geograficzny” znany również jako „cykl Davisa”. Zaproponował on, że rozwój krajobrazu następuje w wyniku naprzemiennego działania wypiętrzania i denudacji. Założył, że wypiętrzenie następuje szybko, a następnie wypiętrzona masa lądowa ulega stopniowej erozji, tworząc topografię regionu. Postawił hipotezę, że wypiętrzanie jest działaniem szybkim, natomiast denudacja jest procesem długotrwałym. Tak więc powstawanie wysokich gór i głębokich dolin ukazuje etapy młodości, dojrzałości i starości w rozwoju ukształtowania terenu. Choć cykl Davisa uważany jest za klasyczne dzieło, to jednak jego hipoteza nie uwzględnia podstawowego faktu, że zarówno wypiętrzanie, jak i denudacja zachodzą jednocześnie. Oba te zjawiska idą ze sobą w parze i nie muszą występować naprzemiennie. Dlatego też, prawie 35 lat później, Walther Penck zaproponował odmianę „modelu Davisa”, w której wykazał, że interakcja wypiętrzania i denudacji zachodzi jednocześnie. Zasugerował on, że w wyniku jednoczesnego działania, zbocza będą się rozwijać w trzech głównych formach. Po pierwsze, zbocze wypukłe, gdzie tempo wypiętrzania jest większe niż tempo denudacji; następnie, w stanie ustalonym lub stacjonarnym, gdzie oba te tempa są prawie równe, tworząc w ten sposób zbocze proste; i wreszcie zbocze wklęsłe, gdy tempo wypiętrzania jest mniejsze niż tempo denudacji. Tak więc, na przestrzeni czasu, różne aspekty ukształtowania terenu były badane przez geomorfologów. Niektórzy geomorfolodzy badali proces powstawania tych form terenu, inni badali jego pochodzenie i historię, a jeszcze inni analizowali różne formy form terenu pod kątem ich ilościowości. Tak więc, w skrócie, współcześni geomorfolodzy skupiają się głównie na trzech aspektach form terenu: formie, procesie i historii. Badania nad formą i procesem są powszechnie określane jako geomorfologia funkcjonalna, a ostatnie jako geomorfologia historyczna. Badanie różnych procesów, które są odpowiedzialne za tworzenie się krajobrazu, wchodzi w zakres geomorfologii funkcjonalnej.
Wszystkie te formy ukształtowania terenu, które są widoczne na Ziemi, różnią się wielkością od mikroskali, takich jak dołki, flety, falowania itp. do mega-skali, takich jak łańcuchy górskie, dorzecza itp. Stąd czas potrzebny do uformowania tych cech również waha się od dziesiątek lat do milionów lat. Zaobserwowano również, że pewne cechy są rodzime dla pewnych stref klimatycznych; stąd rozwój stref klimatycznych, takich jak sucha, tropikalna, itp. odgrywa krytyczną rolę w tworzeniu i ewolucji tych cech geomorficznych. Na przykład, formy terenu obserwowane w wyższych szerokościach geograficznych wykazują sygnaturę cyklu zlodowaceń i deglacjacji, co wskazuje na czwartorzędowe środowisko klimatyczne, podczas gdy w innych częściach świata, takich jak Wielki Kanion w Dolinie Rzeki Kolorado w Stanach Zjednoczonych zachowały sygnaturę różnych działań, które miały miejsce setki milionów lat temu, w różnych formach terenu. Większość form terenu jest formowana i deformowana przez dwa procesy, mianowicie endogeniczne, które zachodzą w skorupie ziemskiej, takie jak konwekcyjne cykle cieplne, wznoszący się pióropusz i komory magmowe oraz egzogeniczne, które kształtują cechy na powierzchni Ziemi z pomocą różnych czynników wietrzenia, takich jak woda, wiatr, lodowce, morza itp. Wszystkie te zjawiska ewolucji krajobrazu w odniesieniu do długości życia, stref klimatycznych i procesów są przedstawione na rysunku 1.
Figura 1.
Forma, proces i ich wzajemne powiązania dla ewolucji różnych form terenu rozwiniętych w wyniku procesów endogenicznych i egzogenicznych w różnych skalach czasu i strefach klimatycznych (zaadaptowane z ).
W dziedzinie geomorfologii funkcjonalnej i historycznej wykonano wiele prac. Obecnie badanych jest wiele innych dziedzin lub rodzajów geomorfologii, takich jak geomorfologia tektoniczna, geomorfologia podmorska, geomorfologia planetarna, geomorfologia klimatyczna i geomorfologia modelująca. Interakcja sił tektonicznych i procesów geomorficznych regularnie deformuje skorupę ziemską, co doprowadziło do rozwoju geomorfologii tektonicznej. Wykorzystuje ona techniki i dane z innych dziedzin geologii, głównie geologii strukturalnej, geochemii, geochronologii w połączeniu z geomorfologią i zmianami klimatycznymi. Jak sama nazwa wskazuje, geomorfologia podmorska skupia się na pochodzeniu, formowaniu i rozwoju podmorskich form terenu, które powstają zarówno w płytkich, jak i głębokich środowiskach morskich. Geomorfologia planetarna zajmuje się zastosowaniem wiedzy o formowaniu się form terenu na Ziemi do obiektów pozaziemskich, takich jak księżyc, planety, egzoplanety itp. Jest to stosunkowo najnowsza gałąź i rozwija się bardzo szybko. Badania geomorficzne Wenus, Marsa, Jowisza, Tytana i innych planet są gorącym ciastkiem tych dni. Klimat odgrywa kluczową rolę w rozwoju różnych form terenu natywnych dla każdej strefy klimatycznej, takich jak jałowe, tropikalne, umiarkowane, itp. To zrozumienie jest podstawą do rozwoju geomorfologii klimatycznej jako nurtu. Oddziaływanie zjawisk klimatycznych wraz z działalnością tektoniczną tworzy nowy nurt geomorfologii zwany geomorfologią klimatyczno-tektoniczną. W dzisiejszych czasach w różnych dziedzinach nauki stosowane są podejścia inter- i multidyscyplinarne, a geomorfologia jest jedną z nich, gdzie krzyżowanie się jest bardzo widoczne. Do chwili obecnej rozwinęły się różne gałęzie i odrosty geomorfologii, a w tych interdyscyplinarnych obszarach przeprowadzono wiele badań.
Wśród wszystkich czynników egzogenicznych, które są w pracy, aby ukształtować krajobraz, woda jest najbardziej obiecująca i skuteczna. Dlatego też geomorfologia fluwialna została szczegółowo przebadana. Mając na uwadze te aspekty, niniejsza książka została sformułowana w taki sposób, że główny nacisk położono na cechy geomorficzne powstałe w wyniku działania wody. W związku z tym, dwa rozdziały poświęcone są geomorfologii fluwialnej, a jeden rozdział geomorfologii wybrzeża. Ostatni rozdział dotyczy najnowszych trendów cyfrowego modelu wysokości (DEM), który może być bardzo efektywnie wykorzystany do analizy morfometrycznej różnych strumieni.
Hydrogeomorfologia, badanie procesów hydrologicznych, obejmuje spływ powierzchniowy, przepływ podstawowy, odprowadzanie wody ze strumienia oraz procesy erozji gleby i koryta strumienia, które w sposób ciągły cyzelują profil geomorfologiczny zlewni. Czas trwania tych procesów waha się od kilkuset lat do nawet milionów lat. Oprócz kwantyfikacji procesów hydrologicznych oraz procesów erozji glebowej i dennej, ciągłe modelowanie hydrogeomorfologiczne dostarcza cennych informacji na temat przyszłych trendów tych procesów fizycznych. Dostępna jest szeroka gama zintegrowanych modeli, które w sposób ciągły symulują procesy spływu, erozji gleby i transportu osadów. W rozdziale 2 przedstawiono złożony model matematyczny, którego celem jest ciągła symulacja procesów hydrogeomorfologicznych oraz ciągła symulacja procesów erozji gleby i koryta w dorzeczu Kosynthos (rejon Xanthi, Tracja, północno-wschodnia Grecja) i Nestos (granica Macedonii i Tracji, północno-wschodnia Grecja), dwóch sąsiadujących ze sobą dorzeczy w północno-wschodniej Grecji. Model generuje ciągłe hydrogramy i wykresy osadów na wylotach obu zlewni w drobnych skalach czasowych, których statystyczna efektywność z wielkościami zmierzonymi na wylocie zlewni jest wysoce znacząca, zapewniając zadowalające wyniki. Współczynnik korelacji wartości modelowanych z wartościami zmierzonymi wynosi ponad 80% dla obu zlewni dla zrzutu wody i osadów.
Działania antropogeniczne znacząco wpłynęły na geomorfologiczne reżimy fluwialne w bardzo krótkim czasie. Od budowy zapór, które zwiększają sedymentację w zbiorniku, zmieniając w ten sposób profil koryta rzeki, do wylesiania i urbanizacji, które zwiększają tempo erozji w zlewni rzeki, działania antropogeniczne pozostawiły swoje ślady w zjawisku naturalnym. Wawrzyńca na Nizinie Quebec w regionie Tarczy Kanadyjskiej, gdzie budowa zapór doprowadziła do zwiększenia szerokości brzegów, zmniejszając w ten sposób ciągłość koryta i zmieniając reżim fluwialny. Dalsze zmiany w sposobie użytkowania gruntów również doprowadziły do zwiększenia erozji i sedymentacji. Wycinanie lasów dla celów rolniczych doprowadziło do wylesienia, a późniejsze zalesianie w tym regionie (obszary rolnicze) z powodu spadku siły roboczej w rolnictwie wpłynęło na ewolucję morfologiczną kanałów w regionie Quebec w Kanadzie. W rozdziale 3 podjęto próbę określenia wpływu ponownego zalesiania i zmienności hydroklimatycznej na morfologię (szerokość i sinusoidę) koryta rzeki Matambin w Quebec w Kanadzie. Zaobserwowano 21% spadek średniej szerokości koryta w okresie od 1935 do 1964 roku, który charakteryzował się niską częstotliwością silnych przepływów powodziowych w tym regionie. Po 1964 r. zaobserwowano tendencję wzrostu średniej szerokości brzegu kanału, co jest związane ze wzrostem częstotliwości występowania silnych przepływów powodziowych i zmniejszeniem ilości osadów zawieszonych powstałych w wyniku erozji gleby.
Większe tempo erozji obserwuje się, gdy czynnikiem wietrzenia jest woda. A biorąc pod uwagę ogromne przestrzenie oceanów i erozję, która zachodzi na ich brzegach zajmuje pierwsze miejsce. Efekt ten jest wyraźnie widoczny w zmianach linii brzegowej i podnoszeniu się poziomu morza. Większość zaludnionych miast na całym świecie położona jest w pobliżu wybrzeży; w ten sposób większość ludności świata żyje w odległości kilku kilometrów od wybrzeża. Dlatego też, aby zaspokoić potrzeby stale rosnącej populacji, konieczne jest właściwe zarządzanie terenami przybrzeżnymi. Zmiany linii brzegowej (erozja klifów) były badane przy użyciu modeli predykcyjnych, które są oparte na zapisach historycznych i danych geomorfologicznych danego regionu. Obecne modele ekstrapolacji historycznej wykorzystują historyczne dane dotyczące recesji, ale różne środowiska o tych samych wartościach historycznych mogą wytwarzać identyczne roczne charakterystyki cofania się, mimo że potencjalne reakcje na zmieniające się środowisko są nierówne. Z tego powodu w Rozdziale 4 wyjaśnione są modele reakcji na proces, oparte na rzeczywistych danych z wybrzeża Holderness (Wielka Brytania), aby zapewnić ilościowe przewidywania skutków zmian naturalnych i spowodowanych przez człowieka, których nie można przewidzieć przy użyciu innych modeli.
Z chwilą pojawienia się technologii satelitarnej, badanie powierzchni Ziemi na podstawie danych satelitarnych stało się absolutnie łatwe. Jeśli chodzi o identyfikację różnych form terenu i opis wyglądu fizycznego, obrazy satelitarne lub zdjęcia lotnicze są bardzo przydatne. Podejście to jest jednak bardziej jakościowe niż ilościowe i określane jest jako morfografia, gdzie opisuje się kształty zewnętrzne bez podawania informacji o sposobie powstawania tych cech. W celu określenia pochodzenia cech i mechanizmu ich rozwoju stosuje się różne metody. Wchodzi to w zakres morfogenezy, natomiast morfochronologia zajmuje się szacowaniem wieku form zarówno w ujęciu bezwzględnym, jak i względnym. Wreszcie, ocena ilościowa dokonywana poprzez pomiary cech geometrycznych form terenu nazywana jest morfometrią. W geomorfometrii stosuje się różne parametry morfometryczne i wskaźniki morfometryczne do analizy i klasyfikacji form terenu. Rozdział 5 przedstawia szczegółowy przegląd poprzez wyjaśnienie różnych wskaźników i parametrów geomorfometrycznych i pokazuje wykorzystanie DEM do ekstrakcji tych informacji. Wyjaśnia te narzędzia na różnych przykładach, które są dostępne w różnych pakietach GIS.