Estimación del volumen de los glaciares de la Argentina

Abstract

En las regiones montañosas, el cambio climático amenaza los recursos hídricos de la criósfera, y es necesario comprender todos los componentes del ciclo hidrológico para una gestión eficaz. Parte de las precipitaciones nivales de los Andes se almacenan inicialmente en los glaciares en forma de hielo, para luego ser gradualmente liberada en el tiempo. En las regiones andinas la actividad agrícola, industrial, la producción de hidroelectricidad y los asentamientos humanos dependen del agua proveniente de la fusión de la nieve y de los cuerpos de hielo que se encuentran en la Cordillera de los Andes. Así, los glaciares y las formas criogénicas (incluidos los glaciares de escombros) constituyen un medio de amortiguamiento fundamental durante las épocas de sequias. El cambio climático origina el retroceso de los glaciares observado desde el siglo XIX, indicando una pérdida importante en reserva de agua, por ejemplo, entre el 2000 y el 2020 alcanzaron unos 385 km3 de hielo en los Andes del Sur. Así, una comprensión sólida de las reservas que representan los cuerpos de hielo en nuestro país es crucial para la estimación de los recursos hídricos disponibles, sus tendencias en las próximas décadas y los cambios que puedan ocurrir en el próximo siglo. El objetivo principal de esta tesis es calcular el volumen de los cuerpos de hielo inventariados en el 2018 que fueron obtenidos a partir de imágenes del 2005 al 2015 de las reservas estratégicas de agua en estado sólido de la Argentina, usando diferentes métodos de escalamiento volumen-área (V– A) y teniendo en cuenta los diferentes tipos de cuerpos de hielo que existen (glaciares de descarga, de valle y montaña; manchones de nieve y glaciares de escombros). Complementariamente, se usaron y se tomaron mediciones del espesor de hielo en diferentes glaciares y otras crioformas de los Andes; y se hizo la comparación de diferentes modelos para estimar la distribución del espesor de hielo en los glaciares del Monte Tronador. La presente tesis sigue la organización del Inventario Nacional de Glaciares, con cinco grandes regiones con características climáticas y topográficas propias: la primera situada en el noroeste de Argentina, Andes Desérticos (22 – 31°S); la segunda más al centro, Andes Centrales (31 – 35°S), en el cual para ambas regiones las condiciones climáticas son particularmente secas. Mas al sur, los Andes de Patagonia Norte (35 – 45°S), Patagonia Sur (45 – 53°S) y los Andes de Tierra del Fuego (53 – 55°S), donde el clima es más húmedo. Los Andes argentinos se extienden por ∼4000 km (22 – 55°S) a lo largo del margen suroccidental de Sudamérica. Las mayores elevaciones se encuentran en la parte central y septentrional de esta cordillera (22 – 34°S), con varios picos que superan los 6000 m s.n.m. El amplio rango latitudinal que va desde los dominios subtropicales a subantártico, los fuertes gradientes de altitud y la orientación norte- sur perpendicular a la circulación atmosférica provocan una gran variedad de tipos de masas de hielo a lo largo de la región. Los Andes argentinos contienen de acuerdo al Inventario Nacional de Glaciares del año 2018, un total de 16078 masas de hielo que cubren una superficie de 5769 km2. En los Andes Desérticos se encuentran tan solo el 4 % del número de cuerpos y el 2 % del área total; en los Andes Centrales se encuentra el 50 % del total de las masas de hielo y el 30 % del área cubierta. En los Andes de la Patagonia norte, con el 13 % del número total de cuerpos y solo el 5 % de la extensión total. En los Andes de la Patagonia sur, los glaciares representan el 59 % del área y el 15 % del total de masas de hielo. Finalmente, en los Andes de Tierra del Fuego, donde el total de cuerpos representa menos del 3 % del total y la extensión de los mismos es apenas un 0.4 % del total. El estudio del Monte Tronador fue el caso de estudio para validar el mejor método a aplicar para obtener el volumen de los glaciares. Gracias a la gran cantidad de mediciones de espesor de hielo e información sobre la dinámica de los glaciares del Monte Tronador, en esta región en particular, se utilizó un modelo de inversión de la velocidad superficial para estimar la distribución espacial del espesor de hielo en esta región. A partir del análisis del modelo generado y su comparación con mapas de distribución de hielo publicados previamente, se concluyó que los filtros espaciales de paso bajo para suavizar la topografía de los glaciares, junto con conocer la velocidad superficial de los glaciares mejoran significativamente los modelos de inversión. El modelo utilizado en esta tesis aporta una mejora significativa en la distribución del espesor del hielo, con una mejor detección de los límites de los glaciares y reconstrucciones más precisas de la distribución del espesor del hielo. Para cumplir con el objetivo principal, se analizó la bibliografía preexistente sobre mediciones de espesor y mediciones de volumen en los Andes del Sur para ser usados como variables de entrada en el escalamiento V-A en tres experimentos diferentes. Primero, todas las masas de hielo con datos de volúmenes en los Andes de Argentina y Chile, como un conjunto (VAT). Segundo, cada región de los Andes por separado (VAR). Tercero, cada región por separado y cada tipo de masa de hielo según su clasificación morfológica (VAC). Para los glaciares de escombros se utilizaron diferentes proporciones de hielo entre los activos e inactivos. Como resultado del estudio realizado, se confirma que el mejor experimento para obtener el volumen para todos los cuerpos de hielo de los Andes argentinos es el experimento VAR, la diferencia es despreciable con respecto al resto, y su facilidad y rapidez es mayor. El 90 % del volumen de hielo de la Argentina se encuentra albergado en las grandes masas de glaciares del campo de hielo en los Andes del Sur de la Patagonia (688 ± 206 km3) siendo apenas el 15 % del número total de los cuerpos. Por el contrario, en los Andes Centrales en donde se encuentra el 50 % del total de masas de hielo, contiene tan solo el 7 % (57 ± 17 km3) del volumen total. En los Andes del Norte de la Patagonia, con el 13 % del número total de cuerpos se concentra el 2 % (15 ± 5 km3) del volumen total. En los Andes Desérticos, con solo el 4 % del número de cuerpos el volumen total de hielo es menos del 1 % (6 ± 2 km3). Finalmente, en los Andes Fueguinos, donde el total de cuerpos representa menos del 3 % y el volumen total de hielo es menos del 0.1 % (0.6 ± 0.2 km3). Los 6 glaciares de descarga del Campo de Hielo Sur que drenan hacia la Cuenca del Río Santa Cruz representan el 70 % del volumen de hielo del país; en contraste los manchones de nieve y glaciares de escombros, las categorías más numerosas (5894 y 7596, respectivamente) concentran tan solo el 0.6 y 0.9 % del volumen de hielo del país, respectivamente. Con el estudio del Monte Tronador, se destaca que la precisión de los inventarios de glaciares usados como datos de entrada tiene un gran impacto en la distribución de espesor de hielo. Una correcta identificación de la extensión y divisorias de los glaciares es clave para mejorar la modelización del flujo de hielo, las estimaciones del volumen total de los glaciares y la cuantificación futura de los recursos hídricos en las regiones montañosas. Se concluye que el uso de diferentes enfoques de modelado y una mayor cantidad de mediciones del espesor del hielo es necesario para cuantificar mejor el almacenamiento de agua en los glaciares. Los resultados y métodos obtenidos en esta tesis son relevantes para las comunidades científicas, y para comunidades locales, tomadores de decisiones, e interesados en los glaciares y recursos hídricos.

In mountainous regions, climate change threatens the water resources of the cryosphere, and an understanding of all components of the hydrological cycle is necessary for effective management. Part of the snow precipitation in the Andes is initially stored in glaciers and then gradually released over time. In the Andean regions, agricultural and industrial activity, hydroelectricity production and human settlements depend on water from melting snow and ice bodies found in the Andes Mountains. Thus, glaciers constitute a fundamental buffer during times of drought. Climate change causes the retreat of glaciers observed since the nineteenth century, indicating a significant loss in water reserves, for example, between 2000 and 2020 reached about 385 km3 of ice in the Southern Andes. Thus, a solid understanding of the reserves that represent the ice bodies in our country is crucial for the estimation of available water resources, their trends in the coming decades and the changes that may occur in the next century. The main objective of this thesis is to calculate the volume of ice bodies inventoried in 2018 that were obtained from images from 2005 to 2015 of the strategic water reserves in solid state of Argentina, using different volume-area (V-A) scaling methods and taking into account the different types of ice bodies that exist (discharge, valley and mountain glaciers; snow patches and debris glaciers). Complementarily, ice thickness measurements were used and taken in different glaciers and other cryoforms of the Andes; and a comparison of different models was made to estimate the distribution of ice thickness in the glaciers of Mount Tronador. The present thesis follows the organization of the National Glacier Inventory, with five large regions with their own climatic and topographic characteristics: the first one located in the northwest of Argentina, the Desert Andes (22 - 31°S); the second one further to the center, the Central Andes (31 - 35°S), in which for both regions the climatic conditions are particularly dry. Further south, the Andes of Northern Patagonia (35 - 45°S), Southern Patagonia (45 - 53°S) and the Andes of Tierra del Fuego (53 - 55°S), where the climate is more humid. The Argentine Andes extend for ∼4000 km (22 - 55°S) along the southwestern margin of South America. The highest elevations are found in the central and northern part of this range (22 - 34°S), with several peaks exceeding 6000 m asl. The wide latitudinal range from subtropical to subantarctic domains, the strong altitudinal gradients and the north-south orientation perpendicular to the atmospheric circulation cause a great variety of ice mass types throughout the region. The Argentine Andes contain according to the 2018 National Glacier Inventory, a total of 16078 ice masses covering an area of 5769 km2. In the Desert Andes are found only 4 % of the number of bodies and 2 % of the total area; in the Central Andes are found 50 % of the total ice masses and 30 % of the area covered. In the northern Patagonian Andes, with 13 % of the total number of bodies and only 5 % of the total area. In the Andes of southern Patagonia, glaciers represent 59 % of the area and 15 % of the total ice masses. Finally, in the Andes of Tierra del Fuego, where the total number of bodies represents less than 3 % of the total and their extension is only 0.4 % of the total. The Mount Tronador study was the case study to validate the best method to apply to obtain glacier volume. Thanks to the large amount of ice thickness measurements and information on glacier dynamics of Mount Tronador in this particular region, a surface velocity inversion model was used to estimate the spatial distribution of ice thickness in this region. From the analysis of the generated model and its comparison with previously published ice distribution maps, it was concluded that low-pass spatial filters for smoothing glacier topography, together with knowledge of glacier surface velocity significantly improve inversion models. The model used in this thesis provides a significant improvement in ice thickness distribution, with better detection of glacier boundaries and more accurate reconstructions of ice thickness distribution. To fulfill the main objective, the pre-existing literature on thickness measurements and volume measurements in the Southern Andes was analyzed for use as input variables in the V-A scaling in three different experiments. First, all ice masses with volume data in the Andes of Argentina and Chile, as an ensemble (VAT). Second, each region of the Andes separately (VAR). Third, each region separately and each ice mass type according to its morphological classification (VAC). For debris glaciers, different proportions of ice between active and inactive were used. As a result of the study, it is confirmed that the best experiment to obtain the volume for all ice bodies in the Argentine Andes is the VAR experiment, the difference is negligible with respect to the rest, and its ease and speed is greater. Ninety percent of the ice volume of Argentina is hosted in the large glacier masses of the ice field in the Southern Andes of Patagonia (688 ± 206 km3) being only 15 % of the total number of bodies. In contrast, in the Central Andes, where 50 % of the total ice masses are found, it contains only 7 % (57 ± 17 km3) of the total volume. In the Northern Andes of Patagonia, with 13 % of the total number of bodies, 2 % (15 ± 5 km3) of the total volume is concentrated. In the Desert Andes, with only 4 % of the number of bodies, the total ice volume is less than 1 % (6 ± 2 km3). Finally, in the Fuegian Andes, where the total number of bodies represents less than 3 % and the total ice volume is less than 0.1 % (0.6 ± 0.2 km3). The 6 discharge glaciers of the Southern Ice Field that drain into the Santa Cruz River Basin represent 70 % of the country's ice volume; in contrast, snowpack and debris glaciers, the most numerous categories (5894 and 7596, respectively) concentrate only 0.6 and 0.9 % of the country's ice volume, respectively. The Mount Tronador study highlights that the accuracy of glacier inventories used as input data has a major impact on ice thickness distribution. Correct identification of glacier extent and divides is key to improve ice flow modeling, estimates of total glacier volume, and future quantification of water resources in mountainous regions. It is concluded that the use of different modeling approaches and more ice thickness measurements is necessary to better quantify glacier water storage. The results and methods obtained in this thesis are relevant for scientific communities, and for local communities, decision makers, and stakeholders interested in glaciers and water resources.