RECONSTRUCCIÓN DE ELAs y paleoELAs USANDO TECNOLOGÍAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA (TIG)

1. Master en Tecnologías de la Información Geográfica · Asignatura: Aplicaciones de las TIG al medio ambiente CURSO 2012/2013 RECONSTRUCCIÓN DE ELAs y paleoELAs USANDO TECNOLOGÍAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA (TIG) 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 Enlace para descargar los archivos ARC GIS y EXCEL necesarios para realizar los ejercicios de lasesión:http://wp.me/p1gJuc-7n

2. 1. ÁREA DE ESTUDIO: El sistema glaciar del complejo volcánico 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 6000 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.

3. 1. ÁREA DE ESTUDIO: El sistema glaciar del complejo volcánico Nevado Coropuna En el sector septentrional de la Zona Volcánica Central la cordillera occidental de los Andes Centrales está coronada por una cadena de estratovolcanes paralela a la costa.

4. 1. ÁREA DE ESTUDIO: El sistema glaciar del complejo volcánico 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).

5. 1. ÁREA DE ESTUDIO: El sistema glaciar del complejo volcánico Nevado Coropuna

6. 1. ÁREA DE ESTUDIO: El sistema glaciar del complejo volcánico Nevado Coropuna Altiplano

7. 1. ÁREA DE ESTUDIO: El sistema glaciar del complejo volcánico Nevado Coropuna 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

8. 1. ÁREA DE ESTUDIO: El sistema glaciar del complejo volcánico Nevado Coropuna

9. 1. ÁREA DE ESTUDIO: El sistema glaciar del complejo volcánico Nevado Coropuna ÚLTIMO MÁXIMO GLACIAL REGIONAL (SECTOR NE)

10. 1. ÁREA DE ESTUDIO: El sistema glaciar del complejo volcánico Nevado Coropuna 1. RESERVA HÍDRICA ESTRATÉGICA: - 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 fondos de valle fértiles y las áridas vertientes. 3 RAZONES PARA INVESTIGAR EL ÁREA DE ESTUDIO Panorámica del fondo del Majes desde la pista que da acceso al valle desde la carretera panamericana.

11. 1. ÁREA DE ESTUDIO: El sistema glaciar del complejo volcánico Nevado Coropuna RIESGO = AMENAZA + VULNERABILIDAD (patrón del poblamiento) (volcán latente + glaciar + desnivel) ESCENARIO DE RIESGO 3 RAZONES PARA INVESTIGAR EL ÁREA DE ESTUDIO Secuencia de facies laháricas y fluviales en un cantil del margen derecho del río Majes.

12. 1. ÁREA DE ESTUDIO: El sistema glaciar del complejo volcánico Nevado Coropuna 3 RAZONES PARA INVESTIGAR EL ÁREA DE ESTUDIO Geoindicadores del cambio climático en ≠ 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 Arco morrénico frontal en una quebrada del cuadrante SE del complejo volcánico Nevado Coropuna.

13. 3. HIPÓTESIS DE LA INVESTIGACIÓN: principios generales 2. HIPÓTESIS DE LA INVESTIGACIÓN: concepto de ELA (Equilibrium Line Altitude) Zona de acumulación Zona de ablación Cumbre oriental del Nevado Coropuna (6305 m) vista desde la quebrada Queñua Ranra, al NE del complejo volcánico.

14. 2. HIPÓTESIS DE LA INVESTIGACIÓN: ELAs y cambio climático El registro glacial del cambio climático puede decodificarse relacionando dos variables: ELAg (m): ELA geomorfológica, deducida de la forma y altitud del glaciar. ELAc (m): ELA climática. Es una ELAg potencial deducida de parámetros climáticos. La ELAc evoluciona más rápidamente que la ELAg, porque el cambio climático es la causa del cambio glaciar y las condiciones ambientales necesitan tiempo para aumentar o reducir la masa de hielo.

15. 3. OBJETIVOS DEL TRABAJO Objetivo general: decodificar el registro glacial del cambio climático. Objetivos específicos: 1. Reconstruir las ELAs de los glaciares actuales y sus paleoELAs en el momento de su última máxima expansión. 2. Estimar el valor de la paleotemperatura, aplicando la ecuación: T = ELA · GTV Dónde: T – Descenso de la temperatura (ºC). ELA – Depresión de la paleoELA (m). GTV – Gradiente Térmico Vertical (ºC/m). GTV en el área de estudio: 0.0084ºC/m · GTV promedio de la Tierra: 0.0065ºC/m

16. 4. INSTRUMENTOS DE ANÁLISIS PARA GLACIARES ACTUALES Bases geográficas Caracterización de las fases glaciares • Topografía con 50 m de equidistancia. • Mosaicos de Google earth georeferenciados. • Imagen del satélite ASTER (2007). • Delimitación de las masas de hielo. • Medida de las superficies. • Reconstrucción de ELA y paleoELAs. Vista aérea oblicua del sector septentrional del Nevado Coropuna.

17. 5. INSTRUMENTOS DE ANÁLISIS PARA PALEOGLACIARES La aplicación de los métodos de investigación a paleoglaciares requiere reconstruir sus límites y su paleotopografía, sobre la base del mapa geomorfológico de las morrenas que depositaron. Bases geográficas Procedimiento • - 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

18. 6. MÉTODOS DE RECONSTRUCCIÓN DE ELAs y PALEOELAs

19. 7. El método MELM El método MELM asume que cuando los paleoglaciares culminaron su expansión, las acciones de deposición en sus márgenes sólo sucedieron por debajo de la paleoELA, que se considera equivalente a la máxima altitud de las morrenas laterales.  Se aplica para reconstruir paleoELAs de las fases de máxima expansión glacial. PROBLEMA: la erosión de las formas morrénicas puede distorsionar el resultado.

20. 7. 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. Identificar las máximas altitudes de las morrenas laterales. 3. Introducir los valores en una hoja de cálculo y estimar la paleoELA.

21. 7. El método MELM EJERCICIO 1: reconstrucción de paleoELAs MAM por el método MELM: Instrumentos de análisis (carpeta TIG 2013 MELM): 1) Archivo ARC GIS ‘TIG2013 Ejercicio 1 MELM’ en carpeta 1 MELM Contiene las siguientes capas: - Mapa geomorfológico (18 capas .shp) → identificar la posición más elevada de las morrenas laterales de las fases MAM (Maximum Advance Moraines). Ocurrieron hace entre 21 y 10 ka (ka = miles de años). - Modelo digital del terreno : TIN ‘corne’ →identificar el valor de la altitud. 2) Libro EXCEL ‘TIG 2013 MELM Coropuna’. Introducir los valores requeridos en las casillas de color azul. 3) Archivo Google earth ‘CORNE moraines’.

22. 7. El método MELM Libro EXCEL ‘TIG 2013 MELM Coropuna NE’ Contiene dos hojas de cálculo: 1) ‘PaleoELAs MELM (en blanco)’, para realizar el ejercicio. 2) ‘PaleoELAs MELM (soluciones)’, para comparar los resultados. INSTRUCCIONES DE USO

23. 7. El método MELM RESULTADOS PROBLEMA: la erosión de las formas morrénicas puede distorsionar el resultado.

24. 8. El método THAR THAR: relación entre las altitudes de la cabecera y el frente del glaciar. ELA: Equilibrium Line Altitude (m). H: altitud de la cabecera del glaciar (m). T: altitud del frente del glaciar (m). Donde: 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 la siguiente ecuación (Porter, 2001): ELA= T+ THAR (H-T)

25. 8. 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 paleoglaciares utilizando el mapa geomorfológico como referencia 3. Identificar las altitudes máxima y mínima de los paleoglaciares. 4. Introducir los valores en una hoja de cálculo y estimar la paleoELA. PROBLEMA: la erosión de las formas morrénicas puede distorsionar el resultado.

26. 8. El método THAR EJERCICIO 2: reconstrucción de paleoELAs MAM por el método THAR: Instrumentos de análisis (carpeta TIG 2013 MELM): 1) Archivo ARC GIS ‘TIG2013 Ejercicio 1 MELM’ en carpeta 1 MELM Contiene las siguientes capas: - Mapa geomorfológico (18 capas .shp) → identificar las cabeceras y frentes de los paleoglaciares delimitados por las morrenas laterales MAM (Maximum Advance Moraines). Fueron depositadas hace entre 21 y 10 ka (ka = miles de años). - Modelo digital del terreno: TIN ‘corne’ →identificar el valor de las altitududes de las cabeceras y frentes de los paleoglaciares. 2) Libro EXCEL ‘TIG 2013 MELM Coropuna’. Introducir los valores requeridos en las casillas de color azul (THAR=0.5). 3) Archivo Google earth ‘CORNE moraines’.

27. 8. El método THAR EXCEL (‘archivo Ejercicio 2 THAR MAM CORNE’) Contiene dos hojas de cálculo: 1) ‘PaleoELAs THAR (en blanco)’, para realizar el ejercicio. 2) ‘PaleoELAs THAR (soluciones)’, para comparar los resultados. INSTRUCCIONES DE USO

28. 9. 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 las superficies de las masas de hielo y la zona de acumulación, la relación entre las dos áreas está expresada matemáticamente por la siguiente ecuación (Porter, 2001): AAR = Sc/(Sc+Sa) Sc: superficie de la zona de acumulación. Sa: superficie de la zona de ablación. Donde:

29. 9. El método AAR Resumen 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. Introducir los datos en una hoja de cálculo para construir la curva hipsográfica, que expresa como se acumula de la superficie del glaciar a medida que se incrementa la altitud. EN LAS SIGUIENTES DIAPOSITIVAS SE DESCRIBE PORMENORIZADAMENTE EL MÉTODO AAR EN DOS FASES

30. 9. El método AAR FASE 1: ARC GIS (archivo ‘Ejercicio 3 AAR MAM CORNE’) 1. Delimitar glaciares actuales: sobre la base de la imagen ASTER 2007. 2. Delimitar paleoglaciares: prolongar los polígonos de los glaciares actuales hasta donde indiquen las morrenas MAM. 3. Generar la capa maestra de bandas altitudinales: 3.1. Reconstruir lapaleotopografía del territorio modificando las curvas de nivel comprendidas dentro del área de los paleoglaciares para representar el volumen del hielo (viene dado por la altura de las morrenas). La operación consiste en aplicar la función ERASE (Arc Tool Box de ARC GIS) para borrar la topografía actual, utilizando como patrón de borrado el límite de los paleoglaciares, y rehacer la capa de líneas para representar la forma del paleoglaciar. 3.2. Utilizar la paleotopografía para crear la capa maestra de bandas altitudinales, mediante operaciones de transformación de líneas en polígonos. Pueden realizarse con la función FEATURE TO POLYGON (Arc Tool Box de ARC GIS).

31. 9. El método AAR FASE 1: ARC GIS (archivo ‘Ejercicio 3 AAR MAM CORNE’) 3.3. Los enclaves aislados (áreas rodeadas completamente por una curva de nivel) pueden incluirse donde corresponde realizando las operaciones CLIP (Arc Tool Box/Analysis tools/ Extrat/CLIP) y ERASE (Arc Tool Box/Analysis tools/ Overlay/ERASE). 4. Generar capas de bandas altitudinales de los paleoglaciares: 4.1. La operación consiste en hacer un CLIP (Arc Tool Box/Analysis tools/ Extrat/CLIP) de la capa maestra de bandas altitudinales utilizando como patrón de corte la capa que representa los límites de los paleoglaciares. 4.2. Revisar en la tabla que los valores de los intervalos y la altitud media son correctos. 4.3. Medir la superficie de los intervalos: operación CALCULATE AREAS (Arc Tool Box/Spatial/Statistics Tools/Utilities/Calculate areas). 4.4. Exportar las tablas como hojas de cálculo para trabajar en EXCEL.

32. 9. El método AAR FASE 2: EXCEL (archivo ‘Ejercicio 3 AAR MAM CORNE ’) 5. Introducir los resultados requeridos en las celdillas azules, cumpliendo los siguientes requisitos: - El número de filas debe ser el mismo en la la hoja EXCEL y la tabla ARC GIS. - En la última fila de la tabla que corresponde al intervalo Z superior (si los datos están en orden ascendente) el área acumulada debe sumar 100%. En caso contrario debe corregirse el rango de filas de la columna implicado en la operación. - Cuando se analizan glaciares o paleoglaciares afluentes debe evitarse la existencia de intervalos representados`por polígonos diferentes. Pueden disolverse utilizando la función DISSOLVE (Arc Tool Box de ARC GIS).

33. 9. El método AAR FASE 2: EXCEL (archivo ‘Ejercicio 3 AAR MAM CORNE ’) 7. La paleoELA AAR se determina gráficamente, identificando el valor de la altitud en la intersección de la curva hipsográfica con el eje vertical. 8. Introducir el valor de la paleoELA AAR (la altitud en la intersección de la curva acumulativa con el eje vertical) en la celdilla amarilla: 9. El sistema incorpora el valor en la hoja 'RESUMEN', donde se calcula la paleoELA AAR promedio, representativa del área de estudio. 5219

34. 10. El método AABR El método Area x Altitude Balance Ratio (AABR) pondera la relación entre la altitud y la superficie del glaciar con el valor de BR. Se denomina BR al cociente gradiente de acumulación/gradiente de ablación, a lo largo del perfil longitudinal del glaciar. El procedimiento del método AABR consta de dos fases. La fase 1 (pasos 1-4) es igual que la fase equivalente del método AAR. Consiste en generar la capa de bandas altitudinales, calcular la altitud media y la superficie de cada intervalo y exportar los datos a EXCEL. FASE 2: EXCEL (archivo ‘Ejercicio 4 AABR MAM CORNE ’) 5. Introducir los resultados requeridos en las celdillas azules, cumpliendo los requisitos explicados para el método AAR. 6. Probar diferentes valores de BR en las hojas de cálculo de cada glaciar (p.e. BR=1.0; BR=1.5; BR=2.0; BR=2.5; BR=3.0 (Osmaston 2005). 7. Anotar en las celdillas amarillas las ELAs AABR obtenidas con cada valor de BR.

35. 10. El método AABR La hoja de EXCEL está programada para realizar dos operaciones: 1) Reconstruir las ELAs por el método Area x Altitude (AA), resolviendo la ecuación (Kaser & Osmaston, 2002; Kurowski, 1891; Sissons, 1974; Sissons, 1980): ELA=Z•A/A Donde: Z·A - sumatorio del producto de la altitud media (m) y el área (m2) de cada banda altitudinal del glaciar. A - área total del glaciar (m2). 3. Recalcular el valor de la paleoELA AA ponderando los cálculos con diferentes valores de BR. 4. Tabular los resultados agrupando las ELAs con sus correspondientes valores de BR y calcular los promedios y desviaciones típicas de cada serie. Construir una base de datos con las series de valores de ELAs geomorfológicas y sus correspondientes valores de BR.

36. 10. El método AABR Instrucciones para introducir los datos en la hoja de cálculo AABR 4. Valor de la curva de nivel inmediatamente inferior a la ELA AA 2. Nombre, altitud media y superficie de los intervalos del glaciar 5. Ensayar sucesivos valores de BR 1. Nombre del glaciar, año y equidistancia entre curvas de nivel 3. Revisar el valor de la ELA AA (para poder realizar el siguiente paso) 6. Copiar los resultados en la celdilla correspondiente

37. 10. El método AABR HOJA DE CÁLCULO ‘RESUMEN’ Cálculo automático de la ELA AABR representativa del área de estudio.

38. REFERENCIAS Campos, N., 2012. Glacier evolution in the South West slope of Nevado Coropuna (Cordillera Ampato, Peru). Master Thesis, Universidad Complutense de Madrid, Madrid (Spain), 55 pp. Giráldez, C., 2011. Glacier evolution in the South West slope of Nevado Hualcán (Cordillera Blanca, Peru). Master Thesis, Universidad Complutense de Madrid, Madrid (Spain), 125 pp. http://eprints.ucm.es/14013/ 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. 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. Porter, S.C., 2001. Snowline depression in the tropics during the last glaciation. Quarternary Science Reviews, 20: 1067-1091. Sissons, J.B., 1974. A late glacial Ice Cap in the central Grampians, Scotland. Transactions of the Institute of Brithish Geographers, 62: 95-114. Sissons, J.B., 1980. The Loch Lomond advance in the Lake District, northern England. Transactions Royal Society Edinburgh. Earth Sciences., 71: 13-27. Úbeda, J., 2011. 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.