Inledande kapitel: Geomorfologi

Inledning

Under miljontals år har jorden genomgått många förändringar som har format dess nuvarande form och struktur. Från en stoftboll enligt nebulära hypotesen, till den nuvarande formen har jorden förvandlats mycket. När vår jord en gång var en beboelig plats, under Hadeans tid, har den sett många processer under en lång tid av mer än 4 miljarder år. Utvecklingsstadierna som formade den nuvarande beboeliga världen omfattar både inre och yttre krafter. Meteoritnedslag, vulkanisk aktivitet och erosionsaktiviteter från floder, vindar, glaciärer, hav etc. tillsammans med havsbottenspridning och plattektonisk aktivitet har ständigt arbetat för att forma jorden så som vi ser den nu. Många av dessa aktiviteter sker under en kort tidsperiod, medan vissa tar miljontals år för att skapa olika klimatiska, geologiska och geomorfiska regimer. Alla dessa oändliga processer pågår fortfarande kontinuerligt och formar vår jord för närvarande. Den mest anmärkningsvärda av alla dessa processer är de geomorfiska processerna eftersom de skapar formen och formen på jorden som vi ser den nu. Därför är studiet av dessa geomorfiska processer avgörande för att förstå de fenomen och processer som sker i naturen.

Med sin härledning från de grekiska orden γεω (jord), μορφη (morf/form) och λογοϛ (diskutera) betyder geomorfologi bokstavligen ”en diskussion om jordens form”. Det är alltså studiet av olika drag som finns på jorden, t.ex. berg, kullar, slätter, floder, moräner, skogar, sanddyner, stränder, spetsar etc., som skapas av olika aktörer som floder, glaciärer, vindar, hav osv. Sedan det fjärde århundradet f.Kr. har många människor studerat jordens bildning genom att relatera till olika observationer på fältet. Gamla greker och romare som Aristoteles, Strabo, Herodotos, Xenofanes och många andra diskuterade dalarnas ursprung, bildandet av deltanerna, förekomsten av snäckor på bergen osv. Efter att ha observerat snäckor på bergens toppar spekulerade Xenofanes i att jordens yta måste ha höjts och sjunkit från tid till annan och på så sätt skapat floddalar och berg (ca 580-480 f.Kr.). Efter att ha observerat snäckor på bergstopparna och stora sandytor föreslog Aristoteles (ca 384-322 f.Kr.) att de områden som nu är torrängar måste ha varit täckta av hav i det förflutna, och att de områden där det nu finns hav måste ha varit torrängar en gång i tiden. Därför föreslog han att land och hav byter plats. Traditionellt sett gjordes en historik över landskapets utveckling genom att kartlägga de sedimentära och morfologiska särdragen. För att förstå landskapets utveckling har man följt den gyllene regeln ”nuet är nyckeln till det förflutna”. Denna regel utgår från att de processer som är synliga i handling i dag måste ha inträffat i det förflutna också, vilket kan användas för att härleda orsakerna till landskapets bildning i det förflutna. Därför var den tidigare bildningen främst beroende av den relativa informationen och åldersmetoden.

Hursomhelst myntades och användes ordet ”geomorfologi” för första gången mellan 1870- och 1880-talen för att beskriva morfologin på jordens yta. Men det populariserades av William Morris Davis som föreslog den ”geografiska cykeln” även känd som ”Davis-cykeln” . Han föreslog att landskapets utveckling sker som en följd av växelverkan mellan upphöjning och avsmältning. Han antog att upphöjningen sker snabbt och att den upphöjda landmassan sedan eroderar gradvis för att bilda regionens topografi. Han antog att upphöjning är en snabb åtgärd, medan denudation är en tidskrävande process. Således visar skapandet av höga berg och djupa dalar på ungdoms-, mognads- och åldersstadier av landformsutvecklingen. Även om Davis cykel anses vara ett klassiskt verk saknar hans hypotes en grundläggande förståelse för att både upplyftning och denudation sker samtidigt. Båda dessa fenomen går hand i hand och är inte nödvändigtvis alternerande. Nästan 35 år senare föreslog Walther Penck därför en variant av ”Davis-modellen”, där han visade att samspelet mellan både upphöjning och denudation sker samtidigt. Han föreslog att på grund av de samtidiga effekterna kommer sluttningarna att utvecklas i tre huvudformer. Först en konvex lutning där upphöjningshastigheten är högre än denudationshastigheten, sedan ett stationärt stadium där båda hastigheterna är nästan lika stora, vilket skapar en rak lutning, och slutligen konkava lutningar när upphöjningshastigheten är lägre än denudationshastigheten. Geomorfologer har därför under en längre tidsperiod studerat olika aspekter av landformer. Vissa geomorfologer har studerat bildningsprocessen för dessa landformer, medan andra har studerat deras ursprung och historia, och andra har analyserat olika former av landformer med avseende på deras kvantitet. Därför fokuserar moderna geomorfologer i korthet huvudsakligen på tre aspekter av landformer: form, process och historia. Studier av form och process brukar kallas funktionell geomorfologi, medan den sistnämnda kallas historisk geomorfologi . Studien av olika processer som är ansvariga för bildandet av ett landskap faller inom ramen för den funktionella geomorfologin.

Alla dessa landformer som är synliga på jorden varierar i storlek från mikroskala som gropar, flöjter, krusningar osv. till megaskala som bergskedjor, flodbäcken osv. Därför varierar också den tid som krävs för att bilda dessa funktioner från tiotals år till miljontals år. Man har också observerat att vissa egenskaper är naturliga för vissa klimatzoner. Därför spelar utvecklingen av klimatzoner som torra, tropiska etc. en avgörande roll för bildandet och utvecklingen av dessa geomorfiska egenskaper. De landformer som observeras på högre breddgrader uppvisar t.ex. tecken på glaciations- och deglaciationscykler, vilket tyder på en kvartär klimatmiljö, medan andra delar av världen, t.ex. Grand Canyon i Coloradoflodens dalgång i Förenta staterna, har bevarat tecken på olika aktiviteter som ägde rum för flera hundra miljoner år sedan i sina olika landformer. De flesta landformer bildas och deformeras på grund av två processer, nämligen endogena processer som sker inom jordskorpan, t.ex. konvektiva värmecykler, stigande plymer och magmakammare, och exogena processer som formar egenskaperna på jordens yta med hjälp av olika vittringsfaktorer, t.ex. vatten, vind, glaciärer, hav osv. Alla dessa fenomen för landskapets utveckling med avseende på livslängd, klimatzoner och processer visas i figur 1.

En hel del arbeten har utförts inom området funktionell och historisk geomorfologi. Nu har många andra områden eller typer av geomorfologi studerats, till exempel tektonisk geomorfologi, undervattensgeomorfologi, planetär geomorfologi, klimatgeomorfologi och modelleringsgeomorfologi. Samspelet mellan tektoniska krafter och geomorfologiska processer deformerar regelbundet jordskorpan, vilket ledde till utvecklingen av den tektoniska geomorfologin. Här används tekniker och data från andra geologiska områden, främst strukturell geologi, geokemi, geokronologi i samband med geomorfologi och klimatförändringar. Som namnet antyder fokuserar submarin geomorfologi på ursprunget, bildandet och utvecklingen av submarina landformer som utvecklats i både grunda och djupa marina miljöer. Planetär geomorfologi handlar om tillämpningen av förståelsen för bildandet av landformer på jorden på utomjordiska objekt som månen, planeter, exoplaneter osv. Detta är jämförelsevis den senaste grenen och utvecklas mycket snabbt. Geomorfologiska studier av Venus, Mars, Jupiter, Titan och andra planeter är en het potatis i dag. Klimatet spelar en avgörande roll när det gäller att utveckla olika landformer som hör hemma i varje klimatzon, t.ex. torra, tropiska och tempererade områden. Denna förståelse ligger till grund för utvecklingen av klimatgeomorfologi som en strömning. Effekten av klimatfenomen tillsammans med tektonisk verksamhet skapar en ny tvärgående ström av geomorfologi som kallas klimat- och tektonisk geomorfologi. I dag har tvärvetenskapliga och multidisciplinära metoder använts inom olika vetenskapsområden, och geomorfologi är ett av dem där tvärströmmar är mycket uppenbara. Hittills har olika grenar och förgreningar av geomorfologin utvecklats, och många undersökningar har utförts inom dessa tvärvetenskapliga områden.

Av alla de exogena agenter som är verksamma för att forma landskapet är vatten den mest lovande och effektiva. Därför har fluvial geomorfologi studerats mycket i detalj. Med dessa aspekter i åtanke har denna bok utformats där huvudfokus ligger på geomorfiska särdrag som utvecklas på grund av vattnets inverkan. Därför presenteras här två kapitel om fluvial geomorfologi och ett kapitel om kustgeomorfologi. Det sista kapitlet handlar om de senaste trenderna när det gäller digitala höjdmodeller (DEM) som kan användas mycket effektivt för morfometrisk analys av olika vattendrag.

Hydrogeomorfologi, studiet av hydrologiska processer, omfattar ytavrinning, basflöde, vattendragsutflöde och erosionsprocesser i mark och vattendragsbädd, som kontinuerligt mejslar ut den geomorfologiska profilen i ett avrinningsområde. Livslängden för sådana processer varierar från några hundra år till miljontals år. Förutom kvantifieringen av de hydrologiska processerna och erosionsprocesserna i mark och vattendrag ger den kontinuerliga hydrogeomorfologiska modelleringen värdefull information om den framtida utvecklingen av dessa fysiska processer. Det finns ett stort antal integrerade modeller som kontinuerligt simulerar avrinning, jorderosion och sedimenttransport. I kapitel 2 presenteras en sammansatt matematisk modell som syftar till kontinuerliga simuleringar av hydrogeomorfologiska processer samt kontinuerliga simuleringar av processer för erosion av mark och vattendrag i Kosynthos flodbäcken (distriktet Xanthi, Thrakien, nordöstra Grekland) och Nestos flodbäcken (gränsen mellan Makedonien och Thrakien, nordöstra Grekland), två angränsande flodbäcken i nordöstra Grekland. Modellen genererar kontinuerliga hydrografer och sedimentgrafer vid de två bassängernas utlopp på fina tidsskalor, vars statistiska effektivitet i förhållande till de uppmätta kvantiteterna vid bassängens utlopp är mycket betydande och ger tillfredsställande resultat. Korrelationskoefficienten mellan de modellerade värdena och de uppmätta värdena är mer än 80 % för båda bassängerna när det gäller vatten- och sedimentutsläpp.

Anthropogen verksamhet har på ett betydande sätt påverkat de fluviala geomorfologiska regimerna inom en mycket kort tidsperiod. Från byggandet av dammar som ökar sedimentationen i reservoaren och därmed ändrar profilen på flodbädden till avskogning och urbanisering som ökar erosionen i flodavrinningsområdet, har antropogen verksamhet lämnat avtryck i naturfenomenet. Lawrence Lowlands i Quebec-regionen i den kanadensiska skölden, där byggandet av dammar har lett till att bredden på bankarna har ökat, vilket har lett till att kanalens sinuositet har minskat och att de fluviala regimerna har förändrats. Ytterligare förändringar i markanvändningsmönstret har också lett till ökad erosion och sedimentering. Röjning av skog för jordbruksändamål har lett till avskogning och senare beskogning i denna region (jordbruksområden) på grund av minskad arbetskraft inom jordbruket, vilket har påverkat den morfologiska utvecklingen av kanalerna i Quebec-regionen i Kanada. I kapitel 3 försöker man därför begränsa effekterna av återbeskogning och hydroklimatvariationer på morfologin (bredd och sinuositet) i Matambinflodens kanal i Quebec, Kanada. De observerade en 21-procentig minskning av den genomsnittliga bredden av kanalens bankfullbredd från 1935 till 1964, som kännetecknades av en låg frekvens av kraftiga översvämningar i regionen. Efter 1964 observerades en trend av ökande medelbredd av kanalens bankfullbredd, vilket är förknippat med den ökade frekvensen av starka översvämningsflöden och minskad mängd suspenderade sediment som produceras av jorderosion.

Högre erosionshastigheter observeras när vittringsmedlet är vatten. Och med tanke på oceanernas enorma utbredning och den erosion som sker vid stränderna tar den första platsen. Denna effekt är tydligt synlig i strandlinjeförändringar och höjning av havsnivån. De flesta befolkade städer runt om i världen är belägna nära kusterna, vilket innebär att majoriteten av världens befolkning bor inom några kilometer från kusten. Det krävs därför en ordentlig förvaltning av kustlandskapet för att tillgodose behoven hos den ständigt ökande befolkningen. Förändringar i kustlinjen (erosion av klippor) har studerats med hjälp av prognosmodeller som bygger på historiska uppgifter och geomorfologiska data för en viss region. De nuvarande modellerna för historisk extrapolering använder historiska uppgifter om tillbakadragande, men olika miljöer med samma historiska värden kan ge identiska årliga tillbakadragande egenskaper trots att de potentiella reaktionerna på en förändrad miljö är olika. Av den anledningen förklaras process-responsmodeller i kapitel 4 baserat på verkliga data vid Holderness kust (Storbritannien), för att ge kvantitativa förutsägelser av effekterna av naturliga och mänskligt orsakade förändringar som inte kan förutsägas med hjälp av andra modeller.

Med satellitteknikens intåg har det varit helt enkelt att studera jordens yta med hjälp av satellitdata. När det gäller att identifiera olika landformer och beskriva det fysiska utseendet är satellitbilder eller flygbilder mycket praktiska. Detta tillvägagångssätt är dock mer kvalitativt än kvantitativt och definieras som morfografi, där de yttre formerna beskrivs utan att ge information om hur dessa funktioner har skapats. Olika metoder används för att definiera ursprunget till egenskaperna och mekanismen för utvecklingen av dessa egenskaper. Detta ingår i morfogenes, medan morfokronologi handlar om uppskattning av formernas ålder i absoluta och relativa termer. Slutligen kallas den kvantitativa uppskattning som görs genom mätningar av landformernas geometriska egenskaper för morfometri. Det finns olika morfometriska parametrar och morfometriska index som används inom geomorfometrin för att analysera och klassificera landformer. I kapitel 5 presenteras en detaljerad genomgång genom att förklara olika geomorfometriska index och parametrar och visar hur DEM används för att utvinna denna information. Han förklarar dessa verktyg med olika exempel som finns tillgängliga i olika GIS-paket.