The impact of solar radiation on the temperature of the exposed rocks of the karst canyon (the Kraków-Częstochowa Upland, Poland)

Zbigniew Andrzej Caputa 1
  • 1 University of Silesia, Poland

Abstract

The paper presents results of the research on the impact of solar radiation on the formation of the thermal conditions of the exposed rock surfaces of the Kraków-Częstochowa Upland. The research comprised the structure of the radiation balance of the active surface of the bottom of the canyon, the temperature of the surface and the layer at the depth of −5 cm in limestone rock on the southern wall of the canyon. The tests were performed in various types of weather. The strongest mesoclimate contrasts were observed in the radiation type of weather: differences in insolation and in the balance of radiation, thermal differences and variations within the heat flux in the rock. The longwave stream of radiation which was emitted by the heated rocks exerted an impact on the microclimate conditions and on the radiation balance at the bottom of the canyon during the night. A diverse relief of the terrain constituted a local factor differentiating the radiation balance and the distribution of the rock temperature. The quantitatively determined structure of the radiation balance and the thermal contrasts of the canyon, particularly of the rock surfaces, point to the importance of the relief in shaping the mesoclimate of even small karst areas. These characteristics determine the heat flux in the rock, weathering processes and others. The mesoclimate and microclimate of the rocks affect the biodiversity of the rock surfaces of the Kraków-Częstochowa Upland. In addition, they shape the ecotopy of the karst canyon, among others – the vegetation on the limestone rocks.

If the inline PDF is not rendering correctly, you can download the PDF file here.

  • BÁTORI Z., KÖRMÖCZI L., ERDŐS L., ZALATNAI M., CSIKY J., 2012, Importance of karst sinkholes in preserving relict, mountain, and wetwoodland plant species under sub-Mediterranean climate: A case study from southern Hungary. Journal of Cave and Karst Studies, 74(1): 127–134.

  • BÁRÁNY-KEVEI I., 1999, Microclimate of karstic do-lines. Acta Climatologica, 32/33: 19–27.

  • BÁRÁNY-KEVEI I., 2011, Changes in the vegetation of doline in Aggtelek and Bükk mountains. Acta Climatologica at Chorologica, 44/45: 25–30.

  • BOKWA A., CAPUTA Z., DURŁO G., MACIEJOWSKI W., WOJKOWSKI J., 2008, Meso- and microclimatic conditions in the southern part of the Cracow-Częstochowa Upland. EJPAU 11(3), #03, http://www.ejpau.media.pl/volume11/issue3/art-03.html.

  • BRYŚ K., 2008, Wieloletni wpływ pokrywy roślinnej na termikę gleby. Acta Agrophysica, 161, 12(1): 39–55.

  • BRYŚ K, 2009, Zmiany bilansu promieniowania powierzchni bez roślin i porośniętej trawą we Wrocławiu-Swojcu. Acta Agrophysica 171, 14(2): 287–303.

  • BRYŚ K., 2013, Dynamika bilansu radiacyjnego murawy oraz powierzchni nieporośniętej. Monografie Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu, 162, Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego.

  • BRZEŹNIAK E., 1992, Rozkład temperatury na powierzchni skałek wapiennych. Zeszyty Naukowe UJ, Prace Geograficzne, 90: 147–155.

  • BRZEŹNIAK E., 1994a, Rola rzeźby terenu w kształtowaniu klimatu powierzchni granicznych skałek wapiennych. Prądnik. Prace Muzeum Szafera, 9: 49–57.

  • BRZEŹNIAK E., 1994b, Wilgotność przypowierzchniowej warstwy powietrza skałek wapiennych. Prądnik. Prace Muzeum Szafera, 9: 59–66.

  • BRZEŹNIAK E., PARTYKA J., 2008, Warunki klimatyczne Ojcowskiego Parku Narodowego, [in:] Klasa A., Partyka J. (eds.), Monografia OPN, Ojców: 121–136.

  • CAPUTA Z., 2001, Pomiary bilansu promieniowania różnych powierzchni czynnych przy wykorzystaniu automatycznych stacji pomiarowych. Annales Universitatis Mariae Curie-Skłodowska, LV/LVI 11: 95–103.

  • CAPUTA Z., 2009, Kontrasty mezo- i mikroklimatyczne w Ojcowskim Parku Narodowym. Prądnik. Prace Muzeum Szafera, 19: 195–218.

  • CAPUTA Z., 2015a, Dopływ promieniowania słonecznego do południowej części Wyżyny Krakowskiej w latach 2008-2014. Prądnik. Prace Muzeum Szafera, 19: 129–138.

  • CAPUTA Z. 2016a, Net solar radiation in the southern part of the Kraków-Częstochowa Upland in the period of 2008–2014. Acta Agrophysica 23(2): 147–161.

  • CAPUTA Z. 2016b, Zróżnicowanie dopływu promieniowania słonecznego do południowej części Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej w latach 2008–2014. Prace i Studia Geograficzne 147(4).

  • CAPUTA Z., 2015b, Dopływ promieniowania słonecznego do wklęsłych form terenu południowej części Wyżyny Krakowskiej w latach 2008–2014. Prądnik. Prace Muzeum Szafera, 19: 139-148.

  • CAPUTA Z., DOROZ H., 2015, Zanieczyszczenie opadów atmosferycznych na terenie Ojcowskiego Parku Narodowego, Prądnik. Prace Muzeum Szafera, 25: 119–128.

  • CAPUTA Z., LEŚNIOK M., 2002a, Zróżnicowanie mikroklimatyczne w świetle bilansu promieniowania słonecznego na przykładzie Ojcowskiego Parku Narodowego. Prądnik. Prace Muzeum Szafera, 13: 7–30.

  • CAPUTA Z., LEŚNIOK M., 2002b, Radiation balance in the area of Ojców National Park, [in:] Andrejchuk V.N., Korzhyk V.P. (eds.), Regional aspects of land use, Kharskivski Politekhnichny Universytet, Uniwersytet Śląski, Chernivtsy–Sosnowiec: 24–34.

  • CAPUTA Z., PARTYKA J., (eds.), 2009, Współ-czesne zmiany środowiska przyrodniczego w różnych warunkach topoklimatycznych Wyżyny Krakowskiej na przykładzie Ojcowskiego Parku Narodowego. Prądnik. Prace Muz. Szafera, 19: 332 pp.

  • CAPUTA Z., WOJKOWSKI J., 2013, Influence of solar radiation on air and soil temperature in the Cracow Upland. Prądnik. Prace Muzeum Szafera, 23: 65–74.

  • CAPUTA Z., WOJKOWSKI J., 2015, Structure of radiation balance in diverse types of relief. Annals of Warsaw University of Life Sciences, 47(4): 343–354. DOI: http://ann_landreclam.sggw.pl/z474/art6.pdf.

  • CLEMENTS G., WHITEMAN C., HOREL J., 2003, Cold-air-pool structure and evolution in a mountain basin: Peter Sinks, Utah. Journal of Applied Meteorology, 42: 752–768.

  • EPPES M.C., MCFADDEN L.D., WEGMANN K.W., SCUDERI L.A., 2010, Cracks in desert pavement rocks: Further insights into mechanical weathering by directional insolation. Geomorphology, 123: 97–108. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.geomorph.2010.07.003.

  • GEIGER R., ARON R.H., TODHUNDER P., 1995, The climate near the ground. Friedr, Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft, Brauschweig/Wiesbaden.

  • GÓMEZ-HERAS M., SMITH B.J., FORT R., 2006, Surface temperature differences between minerals in crystalline rocks: Implications for granular disaggregation of granites through thermal fatigue. Geomorphology, 78: 236–249.

  • GRADZIŃSKI M., GRADZIŃSKI R., JACH R. 2008, Geologia, rzeźba i zjawiska krasowe okolic Ojcowa, [in:] Klasa A., Partyka J. (eds.), Monografia Ojcowskiego Parku Narodowego. Przyroda, Ojców: 31–95.

  • GRUBER S., PETER M., HOELZLE M., WOODHATCH I., HAEBERLI W., 2003, Surface temperatures in steep alpine rock faces – A strategy for regional-scale measurement and modelling. [in:] Phillips M., Springman S.M., Arenson L.U., (eds.), Permafrost. Proceedings 8th International Conference on Permafrost, 21–25 July, Zurich, Switzerland: 325–330.

  • GUNZBURGER Y., MERRIEN-SOUKATCHOFF V., 2011, Near-surface temperatures and heat balance of bare outcrops exposed to solar radiation, Earth Surface Processses and Landforms, 36: 1577–1589. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/esp.2167.

  • HALL K., LINDGREN B.J., JACKSON P., 2005, Rock albedo and monitoring of thermal conditions in respect of weathering: some expected an some unexpected results, Earth Surface Processes and Landforms, 30, 801–811. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/esp.1189.

  • HOCH S.W., WHITEMAN D., MAYER B., 2011, A systematic study of longwave radiative heating and cooling within valleys and basins using a three-dimensional radiative transfer model. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 50: 2473–2489. DOI: http://dx.doi.org/10.1175/JAMC-D-11-083.1

  • IIJIMA Y., SHINODA M., 2000, Seasonal changes in the cold-air pool formation in a subalpine hollow, central Japan. International Journal of Climatology, 20: 1471–1483, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/1097-0088(200010)20:12<1471::AID-JOC554>3.0.CO;2-6/full.

  • KLASA A., PARTYKA J., 2008, (eds.), Monografia Ojcowskiego Parku Narodowego. Przyroda, Ojcowski Park Narodowy, Ojców.

  • KLEIN J., 1992, Radiacyjne czynniki klimatu i parowanie w Ojcowskim Parku Narodowym (na przykładzie Doliny Sąspowskiej). Prądnik. Prace Muz. Szafera, 5: 29–34.

  • LIAN Y., YOU G.J.-Y., LIN K., JIANG Z., ZHANG CH., QIN X., 2015, Characteristics of climate change in southwest China karst region and their potential environmental impacts. Environmental Earth Sciences, 74(2): 937–944. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s12665-014-3847-8.

  • LITSCHMANN T., ROŽNOVSKÝ J., STŘEDA T., STŘEDOVÁ H., HEBELKA J., 2012, Temperature and humidity conditions of Macocha Abyss. Contribution to Geophysics and Geodesy, 42/3: 227–242. DOI: http://dx.doi.org/10.2478/v10126-012-0009-4.

  • MCCUTCHAN M.H., FOX D.G., 1986, Effects of elevation and aspect on wind, temperature and humidity. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 25: 1996–2013.

  • MEDEIROS L.E., FITZJARRALD D.R., 2015, Stable Boundary Layer in Complex Terrain. Part II: Geometrical and Sheltering Effects on Mixing. Journal of Applied Meteorology and Climatology 54: 170–188. DOI: http://dx.doi.org/10.1175/JAMC-D-13-0346.1.

  • MOLARO J.L., MCKAY C.P., 2010, Processes controlling rapid temperature variations on rock surfaces. Earth Surface Processes and Landforms, 35: 501–507. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/esp.1957.

  • NIEDŹWIEDŹ T., 2009a, Wpływ cyrkulacji atmosfery na klimat lokalny Ojcowskiego Parku Narodowego. Prądnik. Prace Muzeum Szafera, 13: 7–30.

  • NIEDŹWIEDŹ T., 2009b, Temperature inversions in the karst canyon of the Ojców National Park (Southern Poland). [in:] Pribullova A., Bicarova S. (eds.), Sustainable Development and Bioclimate – Reviewed Conference Proceedings, issued by: Geophysical Institute of the Slowak Academy of Sciences and Slovak Bioclimatological Society of the Slovak Academy of Sciences, Stara Lesna: 46–47.

  • OKE T.R., 1999, Surface climate processes. [in:] Bailey W.G., Oke T.R., Rouse W.R. (eds.), The surface climates of Canada, McGill-Queen University Press: 21–43.

  • PASZYŃSKI J., MIARA K., SKOCZEK J., 1999, Wymiana energii między atmosferą a podłożem jako podstawa kartowania topoklimatycznego. Dokumentacja Geograficzna, 14.

  • RITTER D.F., KOCHEL R.C., MILLER J.R., 1995, Process Geomorphology. Brown W.C. (ed.), Publishers, Dubuque, IA.

  • WEISS T., SIEGESMUND S., KIRCHER D., SIPPEL J., 2004, Insolation weathering and hygric dilatation: two competitive factors in stone degradation. Environmental Geology, 46: 402–413. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s00254-004-1041-0.

  • WHITEMAN C.D., ALLWINE K.J., ORGILL M. M., FRITSCHEN L.J., SIMPSON J.R., 1989, Deep valley radiation and surface energy budget microclimates. Part II: Energy budget. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 28: 427–437.

  • WHITEMAN C.D., MCKEE T.B., DORAN J.C., 1996, Boundary layer evolution within a canyonland basin. Part I: Mass, heat, and moisture budgets from observations. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 35: 2145–2161.

  • WHITEMAN, C.D., HUBBE J. M., SHAW W. J., 2000, Evaluation of an inexpensive temperature data logger for meteorological applications. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 17: 77–81.

  • WHITEMAN C.D., POSPICHAL B., EISENBACH S., WEIHS P., CLEMENTS C.B., STEINACKER R., MURSCH-RADLGRUBER E., DORNINGER M., 2004a, Inversion breakup in small Rocky Mountain and Alpine basins. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 43: 1069–1082.

  • WHITEMAN C.D., HAIDEN T., POSPICHAL B., EISENBACH S., STEINACKER R., 2004b, Minimum temperatures, diurnal temperature ranges and temperature inversions in limestone sinkholes of different size and shape. Journal of Applied Meteorology and Climatology, 43. 1224–1236. DOI: http://dx.doi.org/10.1175/1520-0450(2004)043%3C1224:MTDTRA%3E2.0.CO;2.

  • WHITEMAN C.D., EISENBACH S., POSPICHAL B., STEINACKER R., 2004c, Comparison of Vertical Soundings and Sidewall Air Temperature Measurements in a Small Alpine Basin. American Meteorological Society 43: 1635–1647. DOI: http://dx.doi.org/10.1175/JAM2168.1.

  • WOŁOWSKI K., CABAŁA J., ZEEB B.A., 2004, Chrysophycean stomatocysts from a karstic sink-hole in the vicinity of Staszów on the Małopolska Upland, Poland. Canadian Journal of Botany: 9, 1330–1337.

  • WOJKOWSKI J., 2004, Zróżnicowanie topoklimatyczne w charakterystycznych typach środowiska OPN, [in:] Partyka J. (ed.), Zróżnicowanie i przemiany środowiska przyrodniczo-kulturowego Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej, 1 – Przyroda, Ojców; 139–142.

  • WOJKOWSKI J., 2009, Spatial differentiation of the snow cover in the Ojców National Park. Prądnik. Prace Muzeum Szafera, 19: 89–108.

  • WOJKOWSKI J., CAPUTA Z., 2009, Modelowanie dopływu promieniowania słonecznego na obszarze Ojcowskiego Parku Narodowego. Prądnik. Prace Muzeum Szafera, 19: 141–152.

  • WOJKOWSKI J., CAPUTA Z. 2016, The impact of karst relief on the diversity of insolation conditions and mesoclimate variation: Case study of the Ojców National Park, Poland. International Journal of Geoheritage, 4(1): 1–11.

  • SHERIDAN P.F., SMITH S.A., BROWN A.R., VOSPER S.B., 2010, A simple height-based correction for temperature downscaling in complex terrain. Meteorological Applicatons, 17: 329–339. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/met.177.

  • SHERIDAN P.F., VOSPER S.B., BROWN A.R., 2014, Characteristics of cold pools observed in narrow valleys and dependence on external conditions. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 140: 715–728. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/qj.2159.

  • SMITH B.J., SRINIVASAN S., GÓMEZ-HERAS M., BASHEER P.A.M., VILES H.A., 2008, Experimental studies of near-surface temperature cycling and surface wetting and its implications for salt weathering. [in:] Ottosen L.M., Rorig-Dalgaard I., Larsen P.K., Brajer I., Bollingstoft P., Marciniak M., Svane M., (eds.), Salt weathering on buildings and stone sculptures, Technical University of Denmark, Copenhagen: 65–78.

  • SMITH B.J., SRINIVASAN S., GÓMEZ-HERAS M., BASHEER P.A.M., VILES H.A., 2011, Near-surface temperature cycling of stone and its implications for scales of surface deterioration. Geomorphology 130: 76–82. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.geomorph.2010.10.005.

  • SMITH C.M., SKYLLINGSTAD E.D., 2011, Effects of inversion height and surface heat flux on downslope windstorms. Monthly Weather Review, 139: 3750–3764. DOI: http://dx.doi.org/10.1175/2011MWR3619.1.

  • STEINACKER R., WHITEMAN C.D., DORNINGER M., POSPICHAL B., EISENBACH S., HOLZER A.M., WEISS P., MURSCH-RADLGRUBER E., BAUMANN K., 2007, A sinkhole field experiment in the Eastern Alps. Bulletin of the American Meteorological Society, 88: 701–716. DOI: http://dx.doi.org/10.1175/BAMS-88-5-701.

  • SUN J., BURNS S.P., DELANY A.C., ONCLEY S.P., HORST T.W., LENSCHOW D.H., 2003, Heat balance in the nocturnal boundary layer during CASES-99. Journal of Applied Meteorology, 42: 1649–1666.

  • ZÄNGL G., 2005, Formation of extreme cold-air pools in elevated sinkholes: An Idealized Numerical Process Study. Monthly Weather Review, 133: 925–941.

OPEN ACCESS

Journal + Issues

Search