Original paper

Shallow active layer temperature and DC resistivity of a rock glacier in the Argentera Massif, Maritime Alps, Italy

Ribolini, Adriano; Fabre, Denis

Abstract

A monitoring of shallow active layer temperature and DC resistivity soundings were performed in the Portette rockglacier, in a region which is considered the southern boundary of permafrost existence in the European Alps. The aim of the workis to recognize the most important seasonal processes that condition the existence or thaw of the permafrost. A one-dimensional geo-electrical survey was adopted to define the permafrost thickness. The active layer temperature was monitored hourly for four years using a digital data logger and a thermistor placed at 20 cm depth. The active layer temperature of three other rock glaciers in the surrounding area was monitored at the same depth and using the same instrumentation. The observed resistivities exceeding 100Ωm have been interpreted as permafrost affected layers, in accordance with other active rockglaciers in the Southwestern Alps. The thickness of the permafrost layer exceeds tens of metres both in the upper and middle part of the Portette rockglacier. The thermal behaviour of the active layer is strongly characterized by the occurrence of non-conductive and seasonal heat transfer processes, i.e. release of latent heat during phase change, snow melt infiltration and evidence of air circulation. Thermal events associated with these processes were synchronously registered in the shallow active layers of the other three rockglaciers, evidencing a common thermal behaviour of the Argentera rockglacier during the monitoring period. The ground-air temperature coupling/decoupling indicates that the thickness and establishment of snow cover strongly regulates the occurrence and intensity of these seasonal processes. Delayed and thin snow cover in autumn represents a forcing factor for permafrost maintenance/aggradation because it allows i) a strong cold penetration into the ground, ii) a lack/reduction of the Zero Curtain effect and iii) a downward cold and dense air funnelling. The comparison of the results with regional climatic data indicates that in the Argentera Massif only slight inter-annual variations in meteorological conditions, i.e. an early/delayed snowfall season and intense ground cooling before snow cover appearance, prompt a rapidly shifting morphoclimatic situation, from conditions favourable for permafrost presence/aggradation to unfavourable ones.

Kurzfassung

Die Temperaturveränderungen der tauaktiven Schicht und die Mächtigkeit des Permafrosts wurden am Portette Blockgletscher gemessen. Dieser Blockgletscher liegt an der südlichen Grenze für das Vorkommen von Permafrost in den Europäischen Alpen. Ziel der Studie ist, die wichtigsten saisonalen Prozesse zu erkennen, welche das Vorkommen des Permafrosts beeinflussen. Die Mächtigkeit des Permafrosts wurde indirekt anhand einer eindimensionalen geoelektrischen Vermessung abgeschätzt. Die Temperatur der tauaktiven Schicht wurde stündlich während vier Jahren mit einem Thermistor welcher 20 cm tief eingegraben wurde und an einem digitalen Datalogger angeschlossen war, ermittelt. Die Mächtigkeit des Permafrosts, die in Übereinstimmung mit früheren Beobachtungen anhand der Resitivitäten > 100 kΩm ermittelt wurde, beträgt sowohl im oberen als auch im unteren Teil des Portette Blockgletscher mehr als ein Dutzend Meter. Das thermische Verhalten der tauaktiven Schicht ist stark durch das Vorkommen von nicht-Wärmeleitenden oder von saisonal-Wärmeleitenden Prozessen beeinflusst, z.B. Freilassung von latenter Wärme während der Eisschmelze, Infiltration von Schmelzwasser, und Eindringen von Luft. Thermische Ereignisse, die mit diesen Prozessen assoziiert sind, wurden in den tauaktiven Schichten anderer drei Blockgletscher synchron registriert. Dies belegt eine gemeinsame thermische Reaktion der Blockgletscher im Argentera Gebiet auf das Klima während der Beobachtungszeit. Die Kopplung/Entkopplung der Lufttemperatur am Boden zeigt, dass die Mächtigkeit und das Vorkommen einer Schneebedeckung stark die Aktivität und Intensität dieser saisonalen Prozesse leitet. Eine verspätete und dünne Schneebedeckung im Herbst beeinflusst die Aggradation des Permafrosts weil sie i) ein starkes Eindringen der Kälte im Boden zulässt, ii) den Zero Curtain Effekt reduziert/annulliert, und iii) eine Kanalisation von kalter und dichter Luft nach unten zulässt. Der Vergleich unserer Ergebnisse mit regionalen Klimastationsdaten zeigt, dass im Argentera Massif schon geringe inter-annuale Veränderungen der meteorologischen Verhältnisse, z.B. eine starke Bodenabkühlung vor der Schneebedeckung und ein früher/verspäteter Schneefall, zu einer schnellen Veränderung der morpho-klimatischen Verhältnisse und deshalb auch zu ungünstigen Bedingungen für die Aggradation des Perma-frosts führen kann. French Un suivi de la température de la couche active et des sondages électriques (type Schlumberger) a été réalisé sur le glacier rocheux Portette situé dans une zone limite, le plus au sud des Alpes, pour l'existence du permafrost. Le suivi des températures avait un pas horaire sur une durée de quatre ans. Dans les sondages électriques, les résistivité trouvées (> 100 kΩm) ont été interprétées comme significatives de la présence du permafrost, en accord avec d'autres mesures dans d'autres zones des Alpes franco-italiennes. L'épaisseur des couches pergelées atteint quelques dizaines de mètres, à la fois en zone haute et en zone centrale du glacier rocheux Portette. Le comportement thermique de la couche active est bien expliqué par l'existence de phénomènes thermiques saisonniers non conductifs: dégagement de chaleur latente au changement de phase, infiltrations d'eau de fonte, courants d'air. Les effets thermiques associés à ces processus ont été enregistrés aussi dans les couches superficielles de trois autres glaciers rocheux situés à proximité, mettant en évidence un comportement thermique commun des glaciers rocheux pour la zone du massif de l'Argentera, au cours de la période analysée. Le couplage/découplage entre les températures de l'air et du sol indique que l'installation et l'épaisseur de la couche de neige déterminent fortement le développement et l'intensité des transferts thermiques non conductifs. Une couche de neige fine et/ou tardive en automne constitue un facteur lourd de conséquences pour la maintenance et le développement du permafrost, car elle permet i) une nette pénétration du froid à l'intérieur du sol, ii) un manque ou une réduction de l'effet de couverture, iii) le développement d'importantes circulations d'air froid descendantes. La comparaison des résultats avec les données climatiques régionales indique que, dans le massif de l'Argentera, de légères variations météorologiques inter-annuelles, comme une saison neigeuse précoce ou tardive, peuvent amener rapidement à des conditions défavorables ou favorables pour le permafrost.