Reconstruction of the paleoclimate on Dedegol Mountain with paleoglacial records and numerical ice flow models

Abstract

Anadolu'da bulunan eski buzullar değişen iklim koşullarıyla beraber giderek yok olmaktadır. İklim değişimlerine karşı oldukça hassas olan buzullardan geriye bazı jeolojik izler kalmıştır. Buzulların ilerlemeleri sırasında kendileriyle birlikte büyük miktarda sediman taşıdıkları bilinmektedir. Geri çekilmeleri sırasında bu yapılar oldukları yerde kalırlar. Türkiye'de iyi saklanmış örneklerine rastlanılan bu yapılara moren adı verilir. Bu çalışmada Türkiye'nin güney batısında yer alan Dedegöl Dağları'nda geç Kuvaterner döneminde var olan buzulların, eski iklim koşulları altında rekonstrüksiyonu yapılan modelleri ile moren depoları eşleştirilmiştir. Burada ana fikir, geçmiş buzulların farklı iklim koşulları altında rekonstrüksiyonu; dolasıyla geçmiş iklimin yeniden yaratılmasıdır. Bu yaklaşım, bir anlamda geçmiş dönem iklimini anlama amacı taşımaktadır. Böylece buzulların geriye bıraktığı izler, geçmiş iklim koşulları hakkında önemli bir proksi verisi olarak kullanılabilir.Bu çalışmada Anadolu'da Orta Toroslar'ın bir parçası olan Dedegöl Dağı'nın 30 m × 30 m çözünürlüklü sayısal yükseklik modeli kullanılmıştır. 37,5670 – 37,7237 Kuzey enlemleri ve 31,2100 – 31,3667 Doğu boylamları koordinatları arasında yer alan modelin kapladığı alan 16.92 km × 16.92 km = 286 km2'dir. Dağın en yüksek noktası denizden 2997 m yüksekliktedir. 15 km doğusunda Beyşehir Gölü bulunmaktadır. Alanın büyük bir kısmı Isparta; bir kısmı ile Konya il sınırları içinde bulunmaktadır.Modellemede kullanmak amacıyla önce günümüz iklim koşullarıyla, buzulun kütle dengesi hesaplanmış, ardından bölge ikliminin geçmişteki hali modellenmiştir. Geçmiş iklim koşulları altında oluşan buzulların akışı için de 2 boyutlu sayısal buzul akış modeli geliştirilmiştir. Bununla beraber, Parallel Ice Sheet Model (PISM) isimli açık kaynak kodlu bir buzul akış modeli yazılımı aynı amaç için kullanılmıştır.2015 ve 2016 yaz aylarında gerçekleştirilen iki saha çalışmasında, bölgedeki buzul vadileri incelenmiştir. Buna göre çalışılan vadiler kuzeyde Sayacak Buzul Vadisi, doğuda Elmadere Buzul Vadisi, güney doğuda ve Muslu ve Karagöl, batıda Karçukuru Buzul Vadisi, kuzey batıda ise Kisbe Buzul Vadileridir. Değişen iklim koşulları altında geri çekilmeye başlayan buzullar sonucunda konumları belirli moren depoları ile modellemelerden elde edilen buzul ilerlemelerinin eşleştirilmesi sonucunda söz konusu buzulların ulaştıkları en fazla ilerlemenin hangi iklim koşulları altında olduğu belirlenmiştir.İklim modelinde, bir buzulun yıllık yüzey kütle dengesi hesabı yapılmaktadır. Yıl boyunca, farklı mevsimlerdeki kar yağışlar, buzulun yıllık bütçesinde artış meydana getirirken; buzulun erimesi, kopan buzul parçaları, buzul tabanı akışları gibi etkenler de azalma meydana getirmektedir. Erime yoluyla meydana gelen azalmanın hesaplanmasında Pozitif Dereceli Günler yaklaşımı uygulanmıştır. Bu yaklaşım özetle erime noktasının üzerindeki tüm sıcaklıkların toplamı ile belli bir periyot boyunca aynı yerde kar veya buzun erimesi arasında bir korelasyon olduğu fikrine dayanır. Buna göre yıl içinde sıcaklığı 0°C'den yüksek olan günler için buzul kütlesinde azalma oluşmaktadır. Buzul kütlesindeki birikimin hesaplanmasında ise, meydana gelen yağışın miktarı kullanılmaktadır. Yağışın 2°C'den yüksek sıcaklıkta meydana gelmesi durumunda kütle dengesine ekleme yapılmamaktadır. 0 ile 2°C arasında ise doğrusal bir şekilde arttırılan kütle dengesi, 0°C'nin altında ise tamamen kar olarak yıllık buzul bütçesine katkı sağlamaktadır. Bir başka ifadeyle yüzey kütle dengesi hesabında, 0°C sıcaklığın altında gerçekleşen yağışlar tamamen kar olarak kabul edilmektedir. Buzulun yıllık bütçesi, buzul kütlesindeki birikimin ve azalımın farkı alınarak bulunmaktadır. Böylece belirli bir alandaki buzulun miktarı ile iklim koşulları arasında doğrudan bir ilişki kurmak mümkündür. Bu hesaplamalarda, yüzey enerji dengesi, buzul alanındaki bulutluluk oranı ve rüzgar etkisi gibi faktörler de bulunmaktadır, ancak bu çalışmada bu etmenlere yer verilmemiştir.Önceki çalışmalarda belirtilen geçmiş iklim modelleri Son Buzul Maksimum dönemi boyunca iklimin günümüz ikliminden daha soğuk ve daha yağışlı olduğunu ortaya koymaktadır. Sıcaklıkların günümüzden 8 ile 11°C daha düşük olduğu, bununla beraber yağışın %20 daha fazla olduğu belirtilmektedir. Bu çalışmada, geçmiş dönem buzullarının modellemesinde sıcaklıklar günümüze göre 8, 9 ve 10°C azaltılmış; yağış değerleri ilk durumda sabit tutulmuş, ardından %25 ve %50 artırılmıştır.Buzul akış modeli olarak en iyi yöntem Tam Stokes Denklemlerini çözmektir. Ancak bu denklemlerin çözümü işlemci gereksinimleri ve zaman açısından verimli değildir. Yarı katı, yarı akışkan hamurumsu bir yapıda hareket eden buzulların akışı için farklı modeller geliştirilmiştir. Bu çalışmada Parallel Ice Sheet Model isimli açık kaynak kodlu yazılım kullanılmıştır. Bununla beraber 2 boyutlu, zamana bağlı bir buzul akış modeli de geliştirilmiştir. Bu iki modelden elde edilen sonuçlar birbirine yakınlık göstermektedir. PISM girdi olarak netCDF dosya türünü kullanmaktadır. Bu dosya içinde, sıcaklık, yağış, buzul kalınlığı gibi veriler saklanmaktadır. Tez kapsamında, PISM için uygun veri girişini sağlamak amacıyla bir kod geliştirilmiştir. Bu kod önce belirtilen iklim koşulları altında buzul kütle dengesini hesaplamakta, ardından bu verileri PISM için bir girdi haline dönüştürmektedir.Çalışma sonucunda Dedegöl Dağı geçmiş dönem buzullarının sayısal modellemesi yapılmıştır. Buna göre elde edilen sonuçlar, (1) Parallel Ice Sheet Model (PISM) daha büyük boyutlu buz kalkanlarının modellemesi için geliştirilmiş olmasına rağmen, vadi buzullarının modellemesinde de kullanılabilir, (2) günümüze göre 10°C sıcaklık düşüşü ve buna eşlik eden %25 yağış artımı ile 9°C sıcaklık düşüşü ve %25 yağış artımı sırasıyla LGM ve Erken Halosen dönem iklimleri için elde edilen sonuçlardır, (3) modellerde kullanılan mevcut sayısal yükseklik verileri, farklı buzul dönemlerine ait moren depolarını içermeleri nedeniyle, buzulların yeniden oluşturulmasında bazı farklar yaratabilir, (4) modellerden elde edilen sonuçlar, farklı zamanlarda oluşan moren depolarının, farklı iklim koşulları ile değerlendirilmeleri gerektiğini göstermektedir, buna göre Son Buzul Maksimum'dan bu yana farklı buzul zamanları oluşmuştur.Modelde çeşitli belirsizlik kaynakları mevcuttur. Bunlardan ilki, kullanılan iklim parametrelerinin çözünürlüğünün 570 m olmasıdır. Sayısal yükseklik modelinin 30 m olduğu düşünülürse, bunun bir belirsizlik yarattığı söylenebilir. Bununla beraber, sayısal yükseklik modelindeki ani yükseklik değişimleri yüksek eğimler meydana getirebilir. Bu bağlamda, geçmişten bu güne erozyonal süreçlerle yapısı değişen alanın, bir belirsizlik yarattığı düşünülebilir. Bunlarla beraber iklim verilerindeki mevsimsel dalgalanmalar, modelde belirsizlik yaratabilir.Gelecek çalışmalarda, nispeten daha genç buzulların taşıdığı çökellerin oluşturduğu moren depolarının sayısal yükseklik modelinden kaldırılması model sonuçlarına olumlu yansıyacaktır. Çünkü bu yapılar, bir vadide ilerleyen buzulların daha geçmişte oluşan morenlere ilerlemelerine engel teşkil etmektedirler. Bölgede bulunan diğer eski buzul alanlarında bu çalışmada kullanılan yöntemlerle uygulanacak buzul ve iklim modellemeleri, Türkiye'nin geçmiş iklim koşulları hakkındaki verileri arttıracaktır.

The current glaciers in Anatolia have been gradually disappearing with the ongoing climate changes. There are geological proxies left behind from the ice, which is an indication of paleoclimate changes. It is known that the glaciers carry large amounts of sediments in their life cycles. After they retreat, these sediments remain where they were. They are called as moraine, which has been well preserved in some Anatolia mountains. In this study, the paleoglaciers that existed in the Late Quaternary period on the Dedegöl Mountain were reconstructed under the prescribed paleoclimatic conditions. The main idea is to recreate paleoglaciers under different climatic conditions; it is the recreation of the paleoclimate. This approach, in a sense, is aimed at understanding the past-term climate. Thus the proxies left behind by the glaciers have been used as an important proxy to estimate the paleoclimate conditions.Dedegöl Mountain is located within the boundaries of Konya and Isparta provinces. The maximum elevation of the mountain is 2997 m above the sea level. Beys ̧ehir Lake is located about 15 km to the east of the study area. 30 m × 30 m resolution digital elevation model of Dedegöl Mountain was used. The model domain is covering 37.5670 - 37.7237 North latitudes and 31.2100 - 31.3667 East longitudes. The model area is about 16.92 km × 16.92 km = 286 km2.Glacial mass balance was calculated with today's climatic conditions. Then the paleoclimate was modeled. A two-dimensional numerical glacier flow model was written in MATLAB to reconstruct the flow of glaciers under different paleoclimatic conditions. An open source glacier flow model software named Parallel Ice Sheet Model (PISM) was also used.The glacier valleys in the area are identified during two field studies in the summer months of 2015 and 2016. The Sayacak Glacial Valley on the north, the Elmadere Glacial Valley on the east, the Muslu and Karagöl and the Karçukuru Glacier Valleys in the south and the Kisbe Glacial Valley in the north-west were studied. The moraine crests positions were identified and paleoglacier boundaries were determined. Then, paleoclimatic conditions of that fit the modeled glacier extent were determined.Positive Degree Days approach was used to calculate the ablation of a glacial. This approach is briefly based on the idea that there is a correlation between the sum of all the temperatures above the melting point and melting of snow (or ice) at the same location over a year. A decrease in glacial mass occurs for days with a temperature higher than 2°C. In the calculation of the accumulation mass, the amount of precipitation in the area is used. If the precipitation occurs at a temperature higher than 0°C degrees, all precipitation occurs as rain. The accumulation linearly increases between 2 and 0°C and it contributes to the annual mass balance. The precipitation is considered to be entirely snow below 0°C air temperature. Therefore, glacier's annual budget is based on the difference between accumulation and ablation. It is thus possible to establish a direct relationship between the amount of ice in a particular area and climate conditions. In these calculations, factors such as surface energy mass, the cloudiness, and the wind effect can be also used, but these factors are not included in this study.Previous studies in the region have indicated that paleoclimate was cooler and wetter than present-day climate during the Last Glacial Maximum period. It is stated that the temperatures were 8 to 11°C lower than today, with the precipitation being 20% higher. In this study, temperatures in the model of paleoglaciers were decreased by 8, 9, and 10°C. Precipitation values were increased by 0%, 25% and 50% than today.The best way as a glacial flow model is to solve the Full Stokes equations. However, the solution of these equations is not efficient in terms of processor requirements and time. Different models have been developed for the flow of glaciers moving. In this work, open source software named Parallel Ice Sheet Model (PISM) was used. However, a two-dimensional time-dependent glacial flow model has also been developed. The results obtained in these two models were discussed. PISM uses the netCDF file type as input. In this file, data such as temperature, precipitation, glacial thickness were stored. Within the scope of the thesis, a code was developed to provide appropriate data input for PISM. This code calculates the glacial mass balance under the paleoclimatic conditions and then transforms this data into an input for PISM.The results obtained from the study include: (1) although the Parallel Ice Sheet Model (PISM) has been developed for modeling larger-scale ice sheets, it is proved it can be also used as a model for valley glaciers, such as Dedegöl Glacier Valleys (2) a temperature depression between 10°C with an increase in precipitation of 25%, and 9°C with 25% for LGM and Early Holocene respectively, (3) existing digital elevation data used in the models may cause some degradation of glacier reconstruction because they contain moraine deposits of different glacial periods, (4) the results obtained from the models indicate that the moraine deposits formed at different times should be evaluated with different climatic conditions.There are various sources of uncertainty in the model. Firstly, the resolution of the climate models is 570 m. The digital elevation model resolution is 30 m, so this dismatching can create some uncertainty. However, sudden elevation changes in the digital elevation model can lead to high slopes. From the past, it can be assumed that the boundaries of the changing structure with erosional processes created uncertainty. Moreover, seasonal fluctuations in climate data can create uncertainty in the model.In further studies, the removal of the moraine deposits to reconstruct the digital elevation model will positively affect the ice flow. This is because these obstacles prevent the glaciers to advance to the past moraines. The glacier flow and climate models applied in this study can be used in other paleoglacial areas in the region which can increase the proxy data about Turkey's paleoclimatic conditions.