Horseshoe adası Antarktika'da İHA-GPR gözlemlerine dayalı buzul izleme ve 3D modelleme

Abstract

Küresel ısınma, sera gazlarının güneş ısısını atmosferde hapsederek Dünya'nın ortalama yüzey sıcaklığını artırmasıyla oluşur. Bu artış, küresel iklim değişikliğine yol açar ve iklim koşullarının dağılımını değiştirir. İnsan faaliyetleri nedeniyle sera gazlarının seviyeleri artmış ve atmosferin ısınmasına neden olmuştur. İklim değişikliğini ve etkilerini takip edebilmek için çeşitli gözlemler yapılmakta ve bu gözlemler kullanılarak çeşitli modelleme çalışmaları gerçekleştirilmektedir. Küresel ısınma, kriyosfer ve termohalin döngü gibi önemli olguları etkiler. Kriyosfer, kar ve buz alanlarını kapsar ve Dünya'nın en büyük tatlı su rezervini oluşturur. Kar ve buz, güneş ışığını yansıtarak gezegenin sıcaklığını düzenler ve kriyosferin bazı kısımları binlerce yıldır çözünmemiştir. Termohalin döngü, okyanus sularının sıcaklık ve tuzluluğun etkileşimiyle oluşturduğu küresel bir akıntı sistemidir. Bu sistem, rüzgarların yüzey akıntılarını ve su yoğunluğu farklılıklarının derin su akıntılarını yönlendirdiği bir "taşıyıcı bant" işlevi görür. Termohalin döngü, okyanus sularını karıştırır, kutuplara ısı taşır ve deniz buzu oluşumunu etkiler. Bu da iklim üzerinde önemli etkilere sahiptir. Kutup bölgeleri, iklim değişikliğinin geçmişten günümüze kadar yaşanan sürecin anlaşılması için ideal araştırma ortamıdır. Çünkü buzullar, atmosferin bileşimini barındıran önemli tarihî kaynaklardır. Buzulların izlenmesi ve takibi; iklim değişikliğinin etkisiyle artan buzul erime hızı, deniz seviyesinin yükselmesi, tatlı su kaynaklarının sürdürülebilir yönetiminin sağlaması, yerel ekosistemlerin korunması, jeolojik ve jeomorfolojik gibi çalışmalara katkı sağlanması açısından önemlidir. Buzullar, küresel ısınmanın doğrudan göstergesidir. Yapılan araştırmalar sonucu ortaya konan bulgular doğrultusunda iklim değişikliğinin trendi hakkına bilgiler sağlar. Yapılan değerlendirmeler buzulların erimesinin mevcut haliyle devam ettiği durumda özellikle kıyı ekosistemleri olumsuz etkilenecektir. Bu tez çalışması kapsamında Türkiye Cumhuriyeti Cumhurbaşkanlığı himayelerinde, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı uhdesinde ve Tübitak Marmara Araştırma Merkezi (MAM) Kutup Araştırmaları Enstitüsü (KARE) koordinasyonunda gerçekleştirilen Türkiye Ulusal Antarktika Bilim Seferleri (TAE -Turkish Antarctic Expedition) kapsamında yer radarı kullanılarak buzul derinliğinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Yer radarı (Ground Penetrating Radar-GPR), tahribatsız ya da yıkıcı olmayan özelliği sayesinde yeraltının incelenmesi ve haritalanmasında geniş bir kullanım alanına sahiptir. Yöntem, elektromanyetik (EM) dalgaları kullanarak yeraltındaki yapıları dielektirik özelliklerine göre tespit eder. Bu yöntem, ortama gönderilen elektromanyetik dalgalarının farklı malzemelerden yansımasını ve iletilmesini ölçer. Yeraltındaki malzemeler, su içeriği, yoğunluk ve elektrik iletkenliği gibi dielektrik özelliklerine bağlı olarak bu dalgalara farklı tepkiler verir. Yer radarı, gönderdiği sinyallerin yeraltındaki farklı katmanlardan geri dönüş süresini ve gücünü analiz ederek, yeraltı yapılarını ve anormalliklerini haritalar. Yer radarı, verilerinin analizi ve yorumlanması, yer altı yapılarının ve özelliklerinin incelenmesinde önemli bir adımdır. Öncesinde verilerinin toplanması süreci, uygun ekipman seçimi, arazi hazırlığı adımlarına bağlıdır. Veri işlenmesi için ön işleme adımı gereklidir. Verinin tasnif edilmesi, profillere ayrılması ve isimlendirilmesi gibi düzenleme işlemleri yapılır. Ardından ham verilerdeki gürültüleri ve hataları azaltmak için çeşitli filtreler uygulanır. Literatürde kabul görmüş sistematik bir veri işleme akışı bulunmamaktadır. Uygulanan filtreleme teknikleriyle veriler analiz edilip sayısallaştırılır. Ham veriden yorumlanabilir görüntüye kadar bu süreç uygulanır. İşlem uygulanırken araştırmacının tecrübesi de yorumu etkileyen bir faktördür. Bu haliyle ortama herhangi bir zarar vermeden yer radarı uygulaması tamamlanır. Yer radarı yöntemi başta jeofizik çalışmalar olmak üzere arkeoloji, jeoloji, hidroloji, inşaat ve madencilik gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Yer radarı buzul bilimi için de oldukça önemli bir araçtır. Çünkü buzulların altındaki yapıları, kalınlıklarını ve iç özelliklerini belirlemek için kullanılır. Buzul kalınlığının ölçülmesiyle buzul hacmi ve potansiyel su kaynağı hakkında bilgi sağlar. Buzulların iç yapısıyla alakalı olarak katmanlar, çatlaklar ve diğer yapılar radar verileriyle incelenebilir. Bu yapılar buzul dinamikleri ve geçmiş iklim olayları hakkında bilgi verir. Bunların yanında buzul hareketlerinin izlenmesine de olanak sağlar. Yer radarının buzul bilimi açısından bahsedilen avantajları göz önünde bulundurularak Türk Bilim Üssü yakınında seçilen çalışma alanında yersel ve insansız hava aracı (İHA) tabanlı yer radarı ölçümleri gerçekleştirilmiştir. TAE-7 seferinde yer radarı atım değeri 400 nanosaniye (ns) iken TAE-8 seferinde 800 nanosaniye olarak seçilmiştir. 400 ns için düşey hassasiyet 6-7 santimetre (cm) iken 800 ns için 13-14 cm'dir. Yapılan her iki uygulamada taramalar birbirine dik olacak şekilde bir grid ağı oluşturulmuştur. Grid ağı sayesinde verinin tutarlığını kontrol etmeye yarayan crossover analiziyle uygulanmıştır. Yersel GPR yöntemi doğru kabul edilerek İHA-GPR yöntemiyle olan farkları bulunarak bir karşılaştırma yapılmıştır. Elde edilen fark değerleri %99.72'lik güven aralığına göre analiz edilmiştir. TAE-7 seferi için ortalama değerin 2.84 cm ve RMSE değeri 8.88 cm olarak hesaplanmıştır. TAE-8 seferinde ise ortalama değer -0.07 cm, RMSE değeri 8.32 cm olarak hesaplanmıştır. Yersel GPR ve İHA-GPR yöntemleri arasındaki farklar yardımıyla çalışma alanında üç boyutlu modeller yapılmıştır. Böylece her iki seferde de yöntemlerin karşılaştırılması sağlanmıştır. Üç boyutlu bu modellerde metre altında değerler görülmektedir. Modellemelerde seçilen enterpolasyon modelinin grid ağının sınır değerlerde iyi çalışmadığı görülmüştür. Buzul derinliğinin tespiti ve modellenmesine yönelik yersel ve İHA bazlı GPR uygulamasının umut verici bir yöntem olduğu görülmüştür. İHA-GPR, yersel GPR yöntemine göre birim zamanda 16 kata kadar daha hızlı tarama yapabildiği saptanmıştır. Ulaşılması zor olan alanlarda İHA-GPR yönteminin kullanılabilir olduğu görülmektedir.