Utvikling av overvåkingssystem for permafrost-relaterte skred

Vi bor i et aktivt arktisk landskap med utbredt permafrost i bakken og bratte fjellsider i en trang dal i Longyearbyen. Samtidig har vi noen av de største pågående og raskeste klimaendringer i verden her på Svalbard for tiden, også sett i et arktisk perspektiv. Denne spesielle situasjonen gjør det mulig å gjøre bruk av forskningen vi driver på permafrost, meteorologi og geoteknikk sammen med teknologien vi utvikler i byen for å minske usikkerhet, øke vitengrunnlaget og anvende den nyeste kunnskapen, målemetoder og dataoverføringsteknologi for å utvikle et sanntids-overvåkingssystem. Dette systemet skal være med å sikre myndighetene det beste utgangspunktet for å agere under spesielt ekstreme værsituasjoner som kan utløse permafrost-relaterte skred. Dette arbeidet har vi nylig startet med i det Unis-finansierte prosjektet ‘Developing a permafrost and meteorological climate change response system to build resilience in Arctic communities’, forkortet PermaMeteoCommunity.

Hvorfor er dette viktig ?

Under en regnstorm 14. til 15. oktober 2016 ble det utløst flere store skred i og rundt Longyearbyen da 20 millimeter regn falt på ufrossen bakke. Det aktive laget over permafrosten hadde enda ikke frosset for vinteren, men ble vannmettet og løste ut skred flere plasser. Noen uker senere samme år, 7. og 8. november, målte vi 75 millimeter regn i Longyeardalen, men det ble ikke utløst like mange skred. Ved å studere våre forskjellige permafrost-forskningsdata viste det seg at dette primært skyldtes at det aktive laget hadde begynt å fryse igjen. Begge disse regnstormene skjedde i en periode i 2015 og 2016 som var den hittil varmeste perioden vi har hatt nylig på Svalbard, med årsmiddel lufttemperaturer på like under null grader. Under begge de to regnstormene ble store dele av Longyearbyens befolkning evakuert på grunn av faren for skred. Dette skjedde primært fordi det ikke fantes noen observasjoner i sanntid av vanninnhold og temperatur i bakken kombinert med målinger av nedbørsmengder fra selve Longyeardalen.

De fremtidige klimaprognosene for Svalbard viser stigende temperaturer og mer nedbør. Vi må derfor utvikle systemer som gir lokale myndigheter redskaper som kan brukes i situasjoner med ekstremvær, men også til vanlig overvåking av permafrostens tilstand i forbindelse med kritiske installasjoner i byen.

Hva må vi undersøke?

Vi trenger å vite mest mulig om permafrostens tilstand i byen. Det er spesielt viktig å vite hvor mye is det er i permafrosten. Om den øvre delen av permafrosten tiner som følge av oppvarming og et tykkere aktivt lag utvikles, vil det være økt risiko for at dette laget tilføres ekstra vann i perioder med mye regn og det kan utløse skred. Dette gjelder spesielt om permafrosten er is-rik. Derfor er vi i gang med å utta borekjerner fra forskjellige deler av Longyeardalen og nedre skråninger for å kunne lage kart over isinnholdet i permafrosten. Samtidig er det selvfølgelig viktig å kjenne permafrostens temperatur. Vi har allerede noen borehull hvor temperaturen i bakken overvåkes i byen. Men vi kommer til å lage nye borehull hvor vi ser at vi mangler informasjon, primært fra de nedre fjell-skråningene, som er dekket av sedimenter og har potensiale til å utløse skred som kan nå infrastrukturen i byen.

Longyeardalen har en relativt flat bunn, som følge av oppfylling av sedimenter etter dalen ble erodert av isbreer under siste istid. Vi vet at havet har vært inne i dalen og avsatt finkornede marine sedimenter, som permafrosten så senere er utviklet i. Marin permafrost kan oppføre seg annerledes enn vanlig permafrost på grunn av høyt saltinnhold. Dette kan føre til at sedimentene ikke er helt frosne ved de relativt høye permafrost-temperaturene som vi måler i området. Derfor må vi lage en så detaljert modell som mulig for sedimentasjonsutfyllingen av Longyeardalen, og sørge for å vite hva slags sediment-typer som vi bor og bygger på i dalen. Vi må også kjenne viktige geotekniske parametre som beskriver permafrostens evne til å reagere på ytterligere oppvarming.

Longyearbyen har hittil ikke hatt en værstasjon som kan gi direkte opplysninger om forholdene nede i bunnen av Longyeardalen hvor vi bor. Måling av nedbør i Arktis med snø og frost i store dele av året er ikke lett og det er stor lokal variasjon. Derfor er det viktig med slike målinger også i dalbunnen.

Hva kommer vi til å gjøre?

PermaMeteoCommunity-prosjektet er i gang med å bore huller og ta ut frosne borekjerner flere steder i Longyeardalen for å kartlegge isinnholdet i permafrosten. Likesom det også etableres overvåking av temperaturen i bakken ved viktig infrastruktur. Dette foregår ved bruk av Unis' permafrost-borerig. Kjernene studeres på Unis' fryselaboratorium som en viktig del av arbeidet til PhD-student Knut Tveit, som skal gjennomføre sin PhD innenfor PermaMeteoCommunity-prosjektet. Vi kommer også i høst til å sette opp en værstasjon midt i Longyeardalen med direkte datatilgang.

Videre skal vi også gjøre forskjellige typer av geofysiske målinger av bakken for å kunne kartlegge vanninnhold og om bakken er frossen eller ikke. Disse målingene skal også karakterisere sediment-egenskapene som påvirker permafrosten og dens evne til å motstå klimaendringene som pågår. Vi vil også vurdere om disse metodene kan brukes direkte i sanntidsovervåking.

Når vi er ferdige med kartleggingen av is-innhold og type av sediment-innfylling av Longyeardalen, vil vi velge ut de beste stedene for å etablere nye borehuller med sanntidsovervåking av permafrostens temperatur og det aktive lagets vanninnhold. Det vil også bli etablert sanntidsmåling av lufttemperatur og nedbørsmengder i form av regn på de samme stedene. Både permafrostdata, aktivlagdata og værdata vil så overføres ved bruk av den nyeste direkte dataoverføringsteknologien og utgjøre viktige deler av permafrost klima overvåkings-systemet, som vi skal utvikle i prosjektet.

For bedre å kunne forutsi hva som eventuelt kan skje under ekstremvær som for eksempel regnstormer, gjennomfører vi også permafrost-modellering. Resultatene fra modelleringen skal så sammen med sanntidsmålingene av permafrosten og værforholdene inngå i permafrost klima overvåkings-systemet og gi mulighet til å ta korrekte og konkrete forhåndsregler under ekstremvær.

Om vi klarer å utvikle et vellykket konsept for kombinert overvåking av permafrost og vær, er det meget mulig at vi har utviklet Longyearbyens neste forsknings- og teknologibaserte eksportartikkel.

Hanne H. Christiansen, Aleksey Shestov, Marius Jonassen, Knut Tveit, Graham Gilbert, Kjersti Olsen Ingerø og Einar Jenssen

(Lokale prosjektpartnere fra UNIS, Longyearbyen Lokalstyre og Telenor Svalbard i PermaMeteoCommunity prosjektet)