TY  - THES
A1  - Lampert, Astrid
T1  - Airborne lidar observations of tropospheric arctic clouds
T1  - Flugzeuggetragene Lidar-Beobachtung von troposphärischen arktischen Wolken
N2  - Due to the unique environmental conditions and different feedback mechanisms, the Arctic region is especially sensitive to climate changes. The influence of clouds on the radiation budget is substantial, but difficult to quantify and parameterize in models. In the framework of the PhD, elastic backscatter and depolarization lidar observations of Arctic clouds were performed during the international Arctic Study of Tropospheric Aerosol, Clouds and Radiation (ASTAR) from Svalbard in March and April 2007. Clouds were probed above the inaccessible Arctic Ocean with a combination of airborne instruments: The Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) of the Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research provided information on the vertical and horizontal extent of clouds along the flight track, optical properties (backscatter coefficient), and cloud thermodynamic phase. From the data obtained by the spectral albedometer (University of Mainz), the cloud phase and cloud optical thickness was deduced. Furthermore, in situ observations with the Polar Nephelometer, Cloud Particle Imager and Forward Scattering Spectrometer Probe (Laboratoire de Météorologie Physique, France) provided information on the microphysical properties, cloud particle size and shape, concentration, extinction, liquid and ice water content. In the thesis, a data set of four flights is analyzed and interpreted. The lidar observations served to detect atmospheric structures of interest, which were then probed by in situ technique. With this method, an optically subvisible ice cloud was characterized by the ensemble of instruments (10 April 2007). Radiative transfer simulations based on the lidar, radiation and in situ measurements allowed the calculation of the cloud forcing, amounting to -0.4 W m-2. This slight surface cooling is negligible on a local scale. However, thin Arctic clouds have been reported more frequently in winter time, when the clouds' effect on longwave radiation (a surface warming of 2.8 W m-2) is not balanced by the reduced shortwave radiation (surface cooling). Boundary layer mixed-phase clouds were analyzed for two days (8 and 9 April 2007). The typical structure consisting of a predominantly liquid water layer on cloud top and ice crystals below were confirmed by all instruments. The lidar observations were compared to European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) meteorological analyses. A change of air masses along the flight track was evidenced in the airborne data by a small completely glaciated cloud part within the mixed-phase cloud system. This indicates that the updraft necessary for the formation of new cloud droplets at cloud top is disturbed by the mixing processes. The measurements served to quantify the shortcomings of the ECMWF model to describe mixed-phase clouds. As the partitioning of cloud condensate into liquid and ice water is done by a diagnostic equation based on temperature, the cloud structures consisting of a liquid cloud top layer and ice below could not be reproduced correctly. A small amount of liquid water was calculated for the lowest (and warmest) part of the cloud only. Further, the liquid water content was underestimated by an order of magnitude compared to in situ observations. The airborne lidar observations of 9 April 2007 were compared to space borne lidar data on board of the satellite Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO). The systems agreed about the increase of cloud top height along the same flight track. However, during the time delay of 1 h between the lidar measurements, advection and cloud processing took place, and a detailed comparison of small-scale cloud structures was not possible. A double layer cloud at an altitude of 4 km was observed with lidar at the West coast in the direct vicinity of Svalbard (14 April 2007). The cloud system consisted of two geometrically thin liquid cloud layers (each 150 m thick) with ice below each layer. While the upper one was possibly formed by orographic lifting under the influence of westerly winds, or by the vertical wind shear shown by ECMWF analyses, the lower one might be the result of evaporating precipitation out of the upper layer. The existence of ice precipitation between the two layers supports the hypothesis that humidity released from evaporating precipitation was cooled and consequently condensed as it experienced the radiative cooling from the upper layer. In summary, a unique data set characterizing tropospheric Arctic clouds was collected with lidar, in situ and radiation instruments. The joint evaluation with meteorological analyses allowed a detailed insight in cloud properties, cloud evolution processes and radiative effects.
N2  - Die Arktis mit ihren speziellen Umweltbedingungen ist besonders empfindlich gegenüber Klimaveränderungen. Dabei spielen Wolken eine große Rolle im Strahlungsgleichgewicht, die aber nur schwer genau bestimmt und in Klimamodellen dargestellt werden kann. Die Daten für die Promotionsarbeit wurden im Frühjahr 2007 bei Flugzeug-Messungen von Wolken über dem Arktischen Ozean von Spitzbergen aus erhoben. Das dafür verwendete Lidar (Licht-Radar) des Alfred-Wegener-Instituts lieferte ein höhenaufgelöstes Bild der Wolkenstrukturen und ihrer Streu-Eigenschaften, andere Messgeräte ergänzten optische sowie mikrophysikalische Eigenschaften der Wolkenteilchen (Extinktion, Größenverteilung, Form, Konzentration, Flüssigwasser- und Eisgehalt, Messgeräte vom Laboratoire de Météorologie Physique, France) und Strahlungsmessungen (Uni Mainz). Während der Messkampagne herrschte Nordwind vor. Die untersuchten Luftmassen mit Ursprung fern von menschlichen Verschmutzungsquellen war daher sehr sauber. Beim Überströmen der kalten Luft über den offenen warmen Arktischen Ozean bildeten sich in der Grenzschicht (ca. 0-1500 m Höhe) Mischphasenwolken, die aus unterkühlten Wassertröpfchen im oberen Bereich und Eis im unteren Bereich der Wolken bestehen. Mit den Flugzeug-Messungen und numerischen Simulationen des Strahlungstransports wurde der Effekt einer dünnen Eiswolke auf den Strahlungshaushalt bestimmt. Die Wolke hatte lokal eine geringe Abkühlung der Erdoberfläche zur Folge. Ähnliche Wolken würden jedoch im Winter, wenn keine Sonnenstrahlung die Arktis erreicht, durch den Treibhauseffekt eine nicht vernachlässigbare Erwärmung der Oberfläche verursachen. Die Messungen der Mischphasenwolken wurden mit einem Wettervorhersagemodell (ECMWF) verglichen. Für die ständig neue Bildung von flüssigen Wassertropfen im oberen Teil der Wolke ist das Aufsteigen von feuchten Luftpaketen nötig. Während einer Messung wurden entlang der Flugstrecke verschiedene Luftmassen durchflogen. An der Luftmassengrenze wurde eine reine Eiswolke inmitten eines Mischphasen-Systems beobachtet. Die Messungen zeigen, dass das Mischen von Luftmassen den Nachschub an feuchter Luft blockiert, was unmittelbare Auswirkungen auf die thermodynamische Phase des Wolkenwassers hat. Weiterhin wurde bestimmt, wie groß die Abweichungen der Modellrechnungen von den Messungen bezüglich Wassergehalt und der Verteilung von Flüssigwasser und Eis waren. Durch die vereinfachte Wolken-Parameterisierung wurde die typische vertikale Struktur von Mischphasenwolken im Modell nicht wiedergegeben. Die flugzeuggetragenen Lidar-Messungen vom 9. April 2007 wurden mit Lidar-Messungen an Bord des Satelliten CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations) verglichen. Die Messungen zeigten beide eine ansteigende Wolkenobergrenze entlang desselben Flugwegs. Da die Messungen jedoch nicht genau gleichzeitig durchgeführt wurden, war wegen Advektion und Prozessen in den Wolken kein genauer Vergleich der kleinskaligen Wolkenstrukturen möglich. Außerdem wurde eine doppelte Wolkenschicht in der freien Troposphäre (4 km Höhe) analysiert. Die Wolke bestand aus zwei separaten dünnen Schichten aus flüssigem Wasser (je 150 m dick) mit jeweils Eis darunter. Die untere Schicht entstand wahrscheinlich aus verdunstetem Eis-Niederschlag. Diese feuchte Schicht wurde durch die Abstrahlung der oberen Wolkenschicht gekühlt, so dass sie wieder kondensierte. Solche Wolkenformationen sind in der Arktis bisher vor allem in der Grenzschicht bekannt. Ein einzigartiger Datensatz von arktischen Wolken wurde mit einer Kombination verschiedener Flugzeug-Messgeräte erhoben. Zusammen mit meteorologischen Analysen konnten für verschiedene Fallstudien Wolkeneigenschaften, Entwicklungsprozesse und Auswirkungen auf den Strahlungshaushalt bestimmt werden.
KW  - Arktis
KW  - Lidar
KW  - Mischphasenwolken
KW  - optisch dünne Wolken
KW  - CALIPSO
KW  - Arctic
KW  - lidar
KW  - mixed-phase clouds
KW  - optically thin clouds
KW  - CALIPSO
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-41211
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stock, Maria
T1  - Charakterisierung der troposphärischen Aerosolvariabilität in der europäischen Arktis
T1  - Characterization of tropospheric aerosol variability in the european Arctic
N2  - Auf der Grundlage von Sonnenphotometermessungen an drei Messstationen (AWIPEV/ Koldewey in Ny-Ålesund (78.923 °N, 11.923 °O) 1995–2008, 35. Nordpol Driftstation – NP-35 (84.3–85.5 °N, 41.7–56.6 °O) März/April 2008, Sodankylä (67.37 °N, 26.65 °O) 2004–2007) wird die Aerosolvariabilität in der europäischen Arktis und deren Ursachen untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Frage des Zusammenhanges zwischen den an den Stationen gemessenen Aerosolparametern (Aerosol optische Dicke, Angström Koeffizient, usw.) und dem Transport des Aerosols sowohl auf kurzen Zeitskalen (Tagen) als auch auf langen Zeitskalen (Monate, Jahre). Um diesen Zusammenhang herzustellen, werden für die kurzen Zeitskalen mit dem Trajektorienmodell PEP-Tracer 5-Tage Rückwärtstrajektorien in drei Starthöhen (850 hPa, 700 hPa, 500 hPa) für die Uhrzeiten 00, 06, 12 und 18 Uhr berechnet. Mit Hilfe der nicht-hierarchischen Clustermethode k-means werden die berechneten Rückwärtstrajektorien dann zu Gruppen zusammengefasst und bestimmten Quellgebieten und den gemessenen Aerosol optischen Dicken zugeordnet. Die Zuordnung von Aerosol optischer Dicke und Quellregion ergibt keinen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Transport verschmutzter Luftmassen aus Europa oder Russland bzw. Asien und erhöhter Aerosol optischer Dicke. Dennoch ist für einen konkreten Einzelfall (März 2008) ein direkter Zusammenhang von Aerosoltransport und hohen Aerosol optischen Dicken nachweisbar. In diesem Fall gelangte Waldbrandaerosol aus Südwestrussland in die Arktis und konnte sowohl auf der NP-35 als auch in Ny-Ålesund beobachtet werden. In einem weiteren Schritt wird mit Hilfe der EOF-Analyse untersucht, inwieweit großskalige atmosphärische Zirkulationsmuster für die Aerosolvariabilität in der europäischen Arktis verantwortlich sind. Ähnlich wie bei der Trajektorienanalyse ist auch die Verbindung der atmosphärischen Zirkulation zu den Photometermessungen an den Stationen in der Regel nur schwach ausgeprägt. Eine Ausnahme findet sich bei der Betrachtung des Jahresganges des Bodendruckes und der Aerosol optischen Dicke. Hohe Aerosol optische Dicken treten im Frühjahr zum einen dann auf, wenn durch das Islandtief und das sibirische Hochdruckgebiet Luftmassen aus Europa oder Russland/Asien in die Arktis gelangen, und zum anderen, wenn sich ein kräftiges Hochdruckgebiet über Grönland und weiten Teilen der Arktis befindet. Ebenso zeigt sich, dass der Übergang zwischen Frühjahr und Sommer zumindest teilweise bedingt ist durch denWechsel vom stabilen Polarhoch im Winter und Frühjahr zu einer stärker von Tiefdruckgebieten bestimmten arktischen Atmosphäre im Sommer. Die geringere Aerosolkonzentration im Sommer kann zum Teil mit einer Zunahme der nassen Deposition als Aerosolsenke begründet werden. Für Ny-Ålesund wird neben den Transportmustern auch die chemische Zusammensetzung des Aerosols mit Hilfe von Impaktormessungen an der Zeppelinstation auf dem Zeppelinberg (474m ü.NN) nahe Ny-Ålesund abgeleitet. Dabei ist die positive Korrelation der Aerosoloptischen Dicke mit der Konzentration von Sulfationen und Ruß sehr deutlich. Beide Stoffe gelangen zu einem Großteil durch anthropogene Emissionen in die Atmosphäre. Die damit nachweisbar anthropogen geprägte Zusammensetzung des arktischen Aerosols steht im Widerspruch zum nicht eindeutig herstellbaren Zusammenhang mit dem Transport des Aerosols aus Industrieregionen. Dies kann nur durch einen oder mehrere gleichzeitig stattfindende Transformationsprozesse (z. B. Nukleation von Schwefelsäurepartikeln) während des Transportes aus den Quellregionen (Europa, Russland) erklärt werden.
N2  - On the base of sun photometer measurements conducted at three different research stations (AWIPEV/Koldewey in Ny-Ålesund (78.923 °N, 11.923 °E) 1995-2008, 35. Northpole Drifting Station – NP-35 (84.3–85.5 °N, 41.7–56.6 °E) March/April 2008, Sodankylä (67.37 °N, 26.65 °E) 2004-2007) the aerosol variability in the european Arctic and their cause is analyzed. The main focus is to quantify the correlation between the measured aerosol parameters (aerosol optical depth, Angström coefficient, etc.) and the transport of aerosol from Europe and Russia on short timescales (days) as well as on long timescales (months, years). For the short timescales 5-day backward trajectories were calculated with the trajectory model PEP-Tracer at three different starting heights (850 hPa, 700 hPa, 500 hPa) four times the day (00:00, 06:00, 12:00, 18:00 UTC). Afterwards the non-hierarchical cluster method k-means is used to group the backward trajectories in differend aerosol source regions and allocate to the respective sun photometer measurements. This allocation of aerosol source region and sun photometer measurements does not show a correlation between polluted air mass of european or russian/asian origin and enhanced aerosol optical depth. However, in one case (March 2008) a clear influence of anthropogenic aerosol on the photometer measurements occurs. In March 2008, aerosol originating at forest fires in southeast Russia was transported into the Arctic and detected over NP-35 as well as Ny-Ålesund. Furthermore, the EOF method is used to verify if large-scale atmospheric circulation patterns determine the arctic aerosol variability. However, the connection to the sun photometer measurements is very weak except for seasonal variability. It is shown, that in spring-time due to the Iclandic low and the Siberian high, air masses from Europe and Russia as well as a strong high pressure system at Greenland and most parts of the Arctic cause higher aerosol optical depths in Ny-Ålesund. The transition from spring to summer aerosol concentration can at least partially be assigned to the replacement of the stable polar high in winter and spring by low pressure systems in summer. In addition to the transport pattern, chemical composition of the scattering aerosol in Ny-Ålesund was deduced from measurements by the Zeppelin station at the Zeppelin mountain (474m above sea level) near Ny-Ålesund. A clear positive correlation between sulfate and black carbon concentration was found. Both chemicals are mostly emitted through anthropogenic processes (e.g. combustion). The verifiable anthropogenic influence on the composition of arctic aerosols disagree with the missing linkage of transport from industrial regions to aerosol optical depth. It can only be explained by one or more transformation processes (e.g. nucleation of sulfuric acid) during the transport from the source regions (Europe, Russia) to the Arctic.
KW  - Aerosol
KW  - Arktis
KW  - Trajektorien
KW  - EOF
KW  - Luftmassentransport
KW  - aerosol
KW  - Arctic
KW  - trajectories
KW  - EOF
KW  - air mass transport
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-49203
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hoffmann, Anne
T1  - Comparative aerosol studies based on multi-wavelength Raman LIDAR at Ny-Ålesund, Spitsbergen
T1  - Vergleichende Aerosolstudien mittels Mehrwellenlängen-Raman-LIDAR in Ny-Ålesund,Spitzbergen
N2  - The Arctic is a particularly sensitive area with respect to climate change due to the high surface albedo of snow and ice and the extreme radiative conditions. Clouds and aerosols as parts of the Arctic atmosphere play an important role in the radiation budget, which is, as yet, poorly quantified and understood. The LIDAR (Light Detection And Ranging) measurements presented in this PhD thesis contribute with continuous altitude resolved aerosol profiles to the understanding of occurrence and characteristics of aerosol layers above Ny-Ålesund, Spitsbergen. The attention was turned to the analysis of periods with high aerosol load. As the Arctic spring troposphere exhibits maximum aerosol optical depths (AODs) each year, March and April of both the years 2007 and 2009 were analyzed. Furthermore, stratospheric aerosol layers of volcanic origin were analyzed for several months, subsequently to the eruptions of the Kasatochi and Sarychev volcanoes in summer 2008 and 2009, respectively. The Koldewey Aerosol Raman LIDAR (KARL) is an instrument for the active remote sensing of atmospheric parameters using pulsed laser radiation. It is operated at the AWIPEV research base and was fundamentally upgraded within the framework of this PhD project. It is now equipped with a new telescope mirror and new detection optics, which facilitate atmospheric profiling from 450m above sea level up to the mid-stratosphere. KARL provides highly resolved profiles of the scattering characteristics of aerosol and cloud particles (backscattering, extinction and depolarization) as well as water vapor profiles within the lower troposphere. Combination of KARL data with data from other instruments on site, namely radiosondes, sun photometer, Micro Pulse LIDAR, and tethersonde system, resulted in a comprehensive data set of scattering phenomena in the Arctic atmosphere. The two spring periods March and April 2007 and 2009 were at first analyzed based on meteorological parameters, like local temperature and relative humidity profiles as well as large scale pressure patterns and air mass origin regions. Here, it was not possible to find a clear correlation between enhanced AOD and air mass origin. However, in a comparison of two cloud free periods in March 2007 and April 2009, large AOD values in 2009 coincided with air mass transport through the central Arctic. This suggests the occurrence of aerosol transformation processes during the aerosol transport to Ny-Ålesund. Measurements on 4 April 2009 revealed maximum AOD values of up to 0.12 and aerosol size distributions changing with altitude. This and other performed case studies suggest the differentiation between three aerosol event types and their origin: Vertically limited aerosol layers in dry air, highly variable hygroscopic boundary layer aerosols and enhanced aerosol load across wide portions of the troposphere. For the spring period 2007, the available KARL data were statistically analyzed using a characterization scheme, which is based on optical characteristics of the scattering particles. The scheme was validated using several case studies. Volcanic eruptions in the northern hemisphere in August 2008 and June 2009 arose the opportunity to analyze volcanic aerosol layers within the stratosphere. The rate of stratospheric AOD change was similar within both years with maximum values above 0.1 about three to five weeks after the respective eruption. In both years, the stratospheric AOD persisted at higher rates than usual until the measurements were stopped in late September due to technical reasons. In 2008, up to three aerosol layers were detected, the layer structure in 2009 was characterized by up to six distinct and thin layers which smeared out to one broad layer after about two months. The lowermost aerosol layer was continuously detected at the tropopause altitude. Three case studies were performed, all revealed rather large indices of refraction of m = (1.53–1.55) - 0.02i, suggesting the presence of an absorbing carbonaceous component. The particle radius, derived with inversion calculations, was also similar in both years with values ranging from 0.16 to 0.19 μm. However, in 2009, a second mode in the size distribution was detected at about 0.5 μm. The long term measurements with the Koldewey Aerosol Raman LIDAR in Ny-Ålesund provide the opportunity to study Arctic aerosols in the troposphere and the stratosphere not only in case studies but on longer time scales. In this PhD thesis, both, tropospheric aerosols in the Arctic spring and stratospheric aerosols following volcanic eruptions have been described qualitatively and quantitatively. Case studies and comparative studies with data of other instruments on site allowed for the analysis of microphysical aerosol characteristics and their temporal evolution.
N2  - Die Arktis ist ein bezüglich Klimaveränderungen besonders sensitives Gebiet, d.h. die globale Erwärmung wirkt sich aufgrund der saisonal hochvariablen Strahlungsbedingungen und der Bodenalbedo dort verstärkt aus.Wolken und Aerosole als Bestandteile der arktischen Atmosphäre spielen dabei eine besondere Rolle im Strahlungsgleichgewicht. Die vorliegende Promotionsarbeit leistet mit Hilfe von LIDAR-Messungen (Light Detection and Ranging) einen Beitrag zum Verständnis von Vorkommen und Eigenschaften von Aerosolschichten über Ny-Ålesund, Spitzbergen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Analyse von Zeiträumen mit erhöhter Aerosolbelastung. Es wurde zum einen die arktische Troposphäre zweier Frühjahre (März und April der Jahre 2007 und 2009) untersucht, da im Frühjahr die Aerosol-optische Dicke (AOD) in der Arktis Maximalwerte erreicht. Zum anderen wurden stratosphärische Aerosolschichten vulkanischen Ursprungs analysiert, die in den Sommern 2008 und 2009 nach Ausbrüchen der Kasatochi und Sarychev Vulkane jeweils für mehrere Monate in der unteren Stratosphäre messbar waren. Das an der AWIPEV Forschungsstation betriebene Koldewey Aerosol Raman LIDAR (KARL), ein Instrument zur optischen Fernerkundung atmosphärischer Parameter mittels gepulster Laserstrahlung, wurde im Rahmen der Promotion grundlegend überarbeitet und mit einem neuen Teleskop sowie neuen Detektoroptiken versehen. Dies ermöglicht die Profilerfassung ab 450m über dem Meeresspiegel bis in die mittlere Stratosphäre. KARL liefert hochaufgelöste Messungen der Streueigenschaften von Aerosol- undWolkenteilchen (Rückstreuung, Extinktion und Depolarisation) sowieWasserdampfprofile in der unteren Troposphäre. Durch die Kombination von KARL Messungen mit Daten anderer Messgeräte an der AWIPEV Forschungsstation wie Radiosonden, Sonnenphotometer, Micro Pulse LIDAR und Fesselsonden wurde ein umfassender Datenbestand von Streuphänomenen in der arktischen Atmosphäre geschaffen. Die beiden genannten Frühjahreszeiträume März und April 2007 und 2009 wurden zunächst anhand meteorologischer Parameter, wie lokaler Temperatur- und Feuchteprofile sowie großskaliger Druckmuster und Luftmassenquellgebiete analysiert. Dabei konnte kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Quellgebieten und erhöhter AOD festgestellt werden. In einem Vergleich zweier wolkenfreier Perioden im März 2007 und April 2009 war jedoch die höhere Aerosolbelastung in 2009 mit dem Transport von Luftmassen durch die innere Arktis verbunden. Aufgrund der begrenzten Lebensdauer von Aerosolen lässt das entweder Aerosol-Entstehungsprozesse in der Zentralarktis oder Transformationsprozesse während des Transportes nach Ny-Ålesund vermuten. Für Messungen am 4. April 2009 mit Maximalwerten der AOD von bis zu 0.12 konnte die Größe der Aerosolteilchen in verschiedenen Höhen mit Hilfe von Inversionsrechnungen abgeschätzt werden. Diese und andere betrachtete Fallstudien legen eine Unterscheidung von Aerosolereignissen in drei Kategorien nahe, die sich in ihrer Entstehung deutlich unterscheiden: Vertikal begrenzte Aeosolschichten in trockener Luft, zeitlich hochvariable feuchte Aerosolschichten in der planetaren Grenzschicht sowie eine erhöhte Aerosolbelastung über große Teile der Troposphäre. Für das sehr klare Frühjahr 2007 wurden die vorhandenen KARL-Daten mit Hilfe eines Klassifikationsschemas, das auf den optischen Eigenschaften der streuenden Teilchen beruht, statistisch ausgewertet. Das verwendete Schema wurde mit Hilfe von verschiedenen Fallstudien validiert und ermöglicht bei Anwendung auf größere Datenbestände eine aussagekräftige Analyse von jährlichen Schwankungen der Aerosol- und Wolkenvorkommen über Ny-Ålesund. Die Ausbrüche zweier Vulkane in der nördlichen Hemisphäre im August 2008 und im Juni 2009 erlaubten die Analyse vulkanischer Aerosolschichten in der Stratosphäre. Die zeitliche Entwicklung der stratosphärischen AOD verlief in beiden Jahren ähnlich mit Maximalwerten von über 0.1 etwa drei bis fünfWochen nach dem jeweiligen Ausbruch. In beiden Jahren wurden bis zum technisch bedingten Abbruch der Messungen jeweils Ende September erhöhte stratosphärische AOD Werte gemessen. Die niedrigste Aerosolschicht konnte jeweils direkt an der Tropopause detektiert werden. Im Jahr 2008 wurden bis zu drei Schichten detektiert, die Struktur 2009 war durch bis zu sechs schmale Schichten gekennzeichnet, die nach etwa zwei Monaten zu einer breiten Schicht verschmierten. Drei Fallstudien zu mikrophysikalischen Aerosoleigenschaften wurden durchgeführt. Dabei wurden für beide Jahre sehr große Brechungsindices von m=(1.53–1.55) - 0.02i ermittelt, die auf eine absorbierende Kohlenstoffkomponente der Vulkanaerosole hinweisen. Der errechnete Teilchenradius war ebenfalls in beiden Jahren vergleichbar mit Werten zwischen 0.16 und 0.19 μm. 2009 wurde zusätzlich ein zweites Maximum der Größenverteilung bei ca. 0.5μm gefunden. Die Langzeitmessungen mit dem Koldewey Aerosol Raman LIDAR KARL in Ny-Ålesund schaffen die Möglichkeit, arktische Aerosole in Troposphäre und Stratosphäre nicht nur in Fallstudien, sondern auch über längere Zeiträume hinweg zu analysieren. Im Rahmen dieser Promotionsarbeit konnten sowohl Aerosolvorkommen in der arktischen Troposphäre im Frühjahr als auch eine vulkanisch bedingte erhöhte Aerosolbelastung in der Stratosphäre qualitativ und quantitativ beschrieben werden. Fallstudien und die Kombination mit Daten anderer Messgeräte ermöglichten Analysen mikrophysikalischer Aerosolparameter und deren Entwicklungsprozesse.
KW  - Arktis
KW  - Lidar
KW  - Aerosole
KW  - Fernerkundung
KW  - Arctic
KW  - Lidar
KW  - Aerosols
KW  - Remote Sensing
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-52426
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hoffmann, Anne
A1  - Osterloh, Lukas
A1  - Stone, Robert
A1  - Lampert, Astrid
A1  - Ritter, Christoph
A1  - Stock, Maria
A1  - Tunved, Peter
A1  - Hennig, Tabea
A1  - Böckmann, Christine
A1  - Li, Shao-Meng
A1  - Eleftheriadis, Kostas
A1  - Maturilli, Marion
A1  - Orgis, Thomas
A1  - Herber, Andreas
A1  - Neuber, Roland
A1  - Dethloff, Klaus
T1  - Remote sensing and in-situ measurements of tropospheric aerosol, a PAMARCMiP case study
JF  - Atmospheric environment : air pollution ; emissions, transport and dispersion, transformation, deposition effects, micrometeorology, urban atmosphere, global atmosphere
N2  - In this work, a closure experiment for tropospheric aerosol is presented. Aerosol size distributions and single scattering albedo from remote sensing data are compared to those measured in-situ. An aerosol pollution event on 4 April 2009 was observed by ground based and airborne lidar and photometer in and around Ny-Alesund, Spitsbergen, as well as by DMPS, nephelometer and particle soot absorption photometer at the nearby Zeppelin Mountain Research Station.
 The presented measurements were conducted in an area of 40 x 20 km around Ny-Alesund as part of the 2009 Polar Airborne Measurements and Arctic Regional Climate Model Simulation Project (PAMARCMiP). Aerosol mainly in the accumulation mode was found in the lower troposphere, however, enhanced backscattering was observed up to the tropopause altitude. A comparison of meteorological data available at different locations reveals a stable multi-layer-structure of the lower troposphere. It is followed by the retrieval of optical and microphysical aerosol parameters. Extinction values have been derived using two different methods, and it was found that extinction (especially in the UV) derived from Raman lidar data significantly surpasses the extinction derived from photometer AOD profiles. Airborne lidar data shows volume depolarization values to be less than 2.5% between 500 m and 2.5 km altitude, hence, particles in this range can be assumed to be of spherical shape. In-situ particle number concentrations measured at the Zeppelin Mountain Research Station at 474 m altitude peak at about 0.18 mu m diameter, which was also found for the microphysical inversion calculations performed at 850 m and 1500 m altitude. Number concentrations depend on the assumed extinction values, and slightly decrease with altitude as well as the effective particle diameter. A low imaginary part in the derived refractive index suggests weakly absorbing aerosols, which is confirmed by low black carbon concentrations, measured at the Zeppelin Mountain as well as on board the Polar 5 aircraft.
KW  - Arctic
KW  - Aerosols
KW  - Lidar
KW  - Arctic haze
Y1  - 2012
U6  - https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2011.11.027
SN  - 1352-2310
VL  - 52
IS  - 3
SP  - 56
EP  - 66
PB  - Elsevier
CY  - Oxford
ER  - 
TY  - THES
A1  - Morgenstern, Anne
T1  - Thermokarst and thermal erosion : degradation of Siberian ice-rich permafrost
T1  - Thermokarst und Thermoerosion : Degradation von sibirischem eisreichem Permafrost
N2  - Current climate warming is affecting arctic regions at a faster rate than the rest of the world. This has profound effects on permafrost that underlies most of the arctic land area. Permafrost thawing can lead to the liberation of considerable amounts of greenhouse gases as well as to significant changes in the geomorphology, hydrology, and ecology of the corresponding landscapes, which may in turn act as a positive feedback to the climate system. Vast areas of the east Siberian lowlands, which are underlain by permafrost of the Yedoma-type Ice Complex, are particularly sensitive to climate warming because of the high ice content of these permafrost deposits. Thermokarst and thermal erosion are two major types of permafrost degradation in periglacial landscapes. The associated landforms are prominent indicators of climate-induced environmental variations on the regional scale. Thermokarst lakes and basins (alasses) as well as thermo-erosional valleys are widely distributed in the coastal lowlands adjacent to the Laptev Sea. This thesis investigates the spatial distribution and morphometric properties of these degradational features to reconstruct their evolutionary conditions during the Holocene and to deduce information on the potential impact of future permafrost degradation under the projected climate warming. The methodological approach is a combination of remote sensing, geoinformation, and field investigations, which integrates analyses on local to regional spatial scales. Thermokarst and thermal erosion have affected the study region to a great extent. In the Ice Complex area of the Lena River Delta, thermokarst basins cover a much larger area than do present thermokarst lakes on Yedoma uplands (20.0 and 2.2 %, respectively), which indicates that the conditions for large-area thermokarst development were more suitable in the past. This is supported by the reconstruction of the development of an individual alas in the Lena River Delta, which reveals a prolonged phase of high thermokarst activity since the Pleistocene/Holocene transition that created a large and deep basin. After the drainage of the primary thermokarst lake during the mid-Holocene, permafrost aggradation and degradation have occurred in parallel and in shorter alternating stages within the alas, resulting in a complex thermokarst landscape. Though more dynamic than during the first phase, late Holocene thermokarst activity in the alas was not capable of degrading large portions of Pleistocene Ice Complex deposits and substantially altering the Yedoma relief. Further thermokarst development in existing alasses is restricted to thin layers of Holocene ice-rich alas sediments, because the Ice Complex deposits underneath the large primary thermokarst lakes have thawed completely and the underlying deposits are ice-poor fluvial sands. Thermokarst processes on undisturbed Yedoma uplands have the highest impact on the alteration of Ice Complex deposits, but will be limited to smaller areal extents in the future because of the reduced availability of large undisturbed upland surfaces with poor drainage. On Kurungnakh Island in the central Lena River Delta, the area of Yedoma uplands available for future thermokarst development amounts to only 33.7 %. The increasing proximity of newly developing thermokarst lakes on Yedoma uplands to existing degradational features and other topographic lows decreases the possibility for thermokarst lakes to reach large sizes before drainage occurs. Drainage of thermokarst lakes due to thermal erosion is common in the study region, but thermo-erosional valleys also provide water to thermokarst lakes and alasses. Besides these direct hydrological interactions between thermokarst and thermal erosion on the local scale, an interdependence between both processes exists on the regional scale. A regional analysis of extensive networks of thermo-erosional valleys in three lowland regions of the Laptev Sea with a total study area of 5,800 km² found that these features are more common in areas with higher slopes and relief gradients, whereas thermokarst development is more pronounced in flat lowlands with lower relief gradients. The combined results of this thesis highlight the need for comprehensive analyses of both, thermokarst and thermal erosion, in order to assess past and future impacts and feedbacks of the degradation of ice-rich permafrost on hydrology and climate of a certain region.
N2  - Die gegenwärtige Klimaerwärmung wirkt sich auf arktische Regionen stärker aus als auf andere Gebiete der Erde. Das hat weitreichende Konsequenzen für Permafrost, der weite Teile der terrestrischen Arktis unterlagert. Das Tauen von Permafrost kann zur Freisetzung erheblicher Mengen an Treibhausgasen sowie zu gravierenden Änderungen in der Geomorphologie, Hydrologie und Ökologie betroffener Landschaften führen, was wiederum als positive Rückkopplung auf das Klimasystem wirken kann. Ausgedehnte Gebiete der ostsibirischen Tiefländer, die mit Permafrost des Yedoma Eiskomplex unterlagert sind, gelten aufgrund des hohen Eisgehalts dieser Permafrostablagerungen als besonders empfindlich gegenüber Klimaerwärmungen. Thermokarst und Thermoerosion sind zwei Hauptformen der Permafrostdegradation in periglazialen Landschaften. Die zugehörigen Landschaftsformen sind auf der regionalen Skala bedeutende Indikatoren klimainduzierter Umweltvariationen. Thermokarstseen und senken (Alasse) sowie Thermoerosionstäler sind in den Küstentiefländern der Laptewsee weit verbreitet. Die vorliegende Dissertation untersucht die räumliche Verbreitung und die morphometrischen Eigenschaften dieser Degradationsformen mit dem Ziel, ihre Entwicklungsbedingungen während des Holozäns zu rekonstruieren und Hinweise auf potenzielle Auswirkungen zukünftiger Permafrostdegradation im Zuge der erwarteten Klimaerwärmung abzuleiten. Der methodische Ansatz ist eine Kombination aus Fernerkundungs-, Geoinformations- und Geländeuntersuchungen, die Analysen auf lokalen bis regionalen räumlichen Skalen integriert. Thermokarst und Thermoerosion haben die Untersuchungsregion tiefgreifend geprägt. Im Eiskomplexgebiet des Lena-Deltas nehmen Thermokarstsenken eine weitaus größere Fläche ein als Thermokarstseen auf Yedoma-Hochflächen (20,0 bzw. 2,2 %), was darauf hin deutet, dass die Bedingungen für die Entwicklung von großflächigem Thermokarst in der Vergangenheit wesentlich günstiger waren als heute. Die Rekonstruktion der Entwicklung eines einzelnen Alas im Lena-Delta belegt eine andauernde Phase hoher Thermokarstaktivität seit dem Übergang vom Pleistozän zum Holozän, die zur Entstehung einer großen und tiefen Senke führte. Nach der Drainage des primären Thermokarstsees im mittleren Holozän erfolgten Permafrostaggradation und degradation parallel und in kürzeren abwechselnden Etappen innerhalb des Alas und führten zu einer komplexen Thermokarstlandschaft. Trotzdem die spätholozäne Thermokarstentwicklung im Alas dynamischer ablief als die erste Entwicklungsphase, resultierte sie nicht in der Degradation großer Teile pleistozäner Eiskomplexablagerungen und einer wesentlichen Veränderung des Yedoma-Reliefs. Weitere Thermokarstentwicklung in bestehenden Alassen ist begrenzt auf geringmächtige Lagen holozäner eisreicher Alas-Sedimente, da die Eiskomplexablagerungen unter den großen primären Thermokarstseen vollständig getaut waren und die unterlagernden Sedimente aus eisarmen, fluvialen Sanden bestehen. Thermokarstprozesse auf ungestörten Yedoma-Hochflächen wirken am stärksten verändernd auf Eiskomplexablagerungen, werden aber in Zukunft auf geringere Ausmaße begrenzt sein, da die Verfügbarkeit großer ungestörter, schwach drainierter Yedoma-Hochflächen abnimmt. Auf der Insel Kurungnakh im zentralen Lena-Delta beträgt der für zukünftige Thermokarstentwicklung verfügbare Anteil an Yedoma-Hochflächen nur 33,7 %. Die zunehmende Nähe von sich entwickelnden Thermokarstseen auf Yedoma-Hochflächen zu bestehenden Degradationsstrukturen und anderen negativen Reliefformen verringert die Möglichkeit der Thermokarstseen, große Ausmaße zu erreichen bevor sie drainieren. Die Drainage von Thermokarstseen durch Thermoerosion ist in der Untersuchungsregion weit verbreitet, aber Thermoerosionstäler versorgen Thermokarstseen und –senken auch mit Wasser. Neben diesen direkten hydrologischen Wechselwirkungen zwischen Thermokarst und Thermoerosion auf der lokalen Ebene existiert auch eine Interdependenz zwischen beiden Prozessen auf der regionalen Ebene. Eine regionale Analyse weitreichender Netze von Thermoerosionstälern in drei Tieflandgebieten der Laptewsee mit einer Fläche von insgesamt 5800 km² zeigte, dass diese Formen häufiger in Gebieten mit höheren Geländeneigungen und Reliefgradienten auftreten, während Thermokarstentwicklung stärker in flachen Tiefländern mit geringeren Reliefgradienten ausgeprägt ist. Die kombinierten Ergebnisse dieser Dissertation zeigen die Notwendigkeit von umfassenden Analysen beider Prozesse und Landschaftsformen, Thermokarst und Thermoerosion, im Hinblick auf die Abschätzung vergangener und zukünftiger Auswirkungen der Degradation eisreichen Permafrosts auf Hydrologie und Klima der betrachteten Region und deren Rückkopplungen.
KW  - Fernerkundung
KW  - GIS
KW  - räumliche Analyse
KW  - periglaziale Landschaften
KW  - Arktis
KW  - remote sensing
KW  - GIS
KW  - spatial analyses
KW  - periglacial landscapes
KW  - Arctic
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62079
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bischoff, Juliane
T1  - Microbial communities and their response to Pleistocene and Holocene climate variabilities in the Russian Arctic
T1  - Mikrobielle Gemeinschaften und ihre Reaktion auf Klimaeveränderungen des Pleistozäns und Holozäns in der Russischen Arktis
N2  - The Arctic is considered as a focal region in the ongoing climate change debate. The currently observed and predicted climate warming is particularly pronounced in the high northern latitudes. Rising temperatures in the Arctic cause progressive deepening and duration of permafrost thawing during the arctic summer, creating an ‘active layer’ with high bioavailability of nutrients and labile carbon for microbial consumption. The microbial mineralization of permafrost carbon creates large amounts of greenhouse gases, including carbon dioxide and methane, which can be released to the atmosphere, creating a positive feedback to global warming. However, to date, the microbial communities that drive the overall carbon cycle and specifically methane production in the Arctic are poorly constrained. To assess how these microbial communities will respond to the predicted climate changes, such as an increase in atmospheric and soil temperatures causing increased bioavailability of organic carbon, it is necessary to investigate the current status of this environment, but also how these microbial communities reacted to climate changes in the past. This PhD thesis investigated three records from two different study sites in the Russian Arctic, including permafrost, lake shore and lake deposits from Siberia and Chukotka. A combined stratigraphic approach of microbial and molecular organic geochemical techniques were used to identify and quantify characteristic microbial gene and lipid biomarkers. Based on this data it was possible to characterize and identify the climate response of microbial communities involved in past carbon cycling during the Middle Pleistocene and the Late Pleistocene to Holocene. It is shown that previous warmer periods were associated with an expansion of bacterial and archaeal communities throughout the Russian Arctic, similar to present day conditions. Different from this situation, past glacial and stadial periods experienced a substantial decrease in the abundance of Bacteria and Archaea. This trend can also be confirmed for the community of methanogenic archaea that were highly abundant and diverse during warm and particularly wet conditions. For the terrestrial permafrost, a direct effect of the temperature on the microbial communities is likely. In contrast, it is suggested that the temperature rise in scope of the glacial-interglacial climate variations led to an increase of the primary production in the Arctic lake setting, as can be seen in the corresponding biogenic silica distribution. The availability of this algae-derived carbon is suggested to be a driver for the observed pattern in the microbial abundance. This work demonstrates the effect of climate changes on the community composition of methanogenic archae. Methanosarcina-related species were abundant throughout the Russian Arctic and were able to adapt to changing environmental conditions. In contrast, members of Methanocellales and Methanomicrobiales were not able to adapt to past climate changes. This PhD thesis provides first evidence that past climatic warming led to an increased abundance of microbial communities in the Arctic, closely linked to the cycling of carbon and methane production. With the predicted climate warming, it may, therefore, be anticipated that extensive amounts of microbial communities will develop. Increasing temperatures in the Arctic will affect the temperature sensitive parts of the current microbiological communities, possibly leading to a suppression of cold adapted species and the prevalence of methanogenic archaea that tolerate or adapt to increasing temperatures. These changes in the composition of methanogenic archaea will likely increase the methane production potential of high latitude terrestrial regions, changing the Arctic from a carbon sink to a source.
N2  - Die Arktis ist in den gegenwärtigen Diskussionen zum Klimawandel von besonderem Interesse. Die derzeitig beobachtete globale Erwärmung ist in den hohen nördlichen Breiten besonders ausgeprägt. Dies führt dazu, dass ehemals gefrorene Böden zunehmend tiefer auftauen und daher im Boden enthaltene Kohlenstoffquellen für die mikrobielle Umsetzung und Mineralisierung zur Verfügung stehen. Aufgrund dieser Prozesse entstehen klimarelevant Gase, darunter Kohlendioxid und Methan, die aus den Böden und Sedimenten freigesetzt werden können. Wenn man bedenkt, dass in den nördlichen Permafrostgebieten die Hälfte des weltweit unter der Bodenoberfläche gelagerten Kohlenstoffs gelagert ist, wird die Bedeutung dieser Region für das Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufes und der möglichen Treibhaus-gasemissionen sichtbar. Trotz dieser Relevanz, sind die am Kohlenstoffumsatz beteiligten Mikroorganismen in der Arktis wenig untersucht und ihre Anpassungsfähigkeit an die gegenwärtigen Klimaveränderungen unbekannt. Die vorliegende Arbeit untersucht daher, wie sich Klimaveränderungen in der Vergangenheit auf die Anzahl und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften ausgewirkt haben. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf die methanbildenden Archaeen, um das Verständnis der mikrobiellen Methandynamik zu vertiefen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Bohrkerne aus zwei verschiedenen Standorten in der russischen Arktis untersucht, darunter terrestrischer Permafrost und Seesedimente aus Sibirien und Chukotka, Russland. Mittels der Identifikation und Quantifizierung von mikrobiellen Genen und charakteristischen Bestandteilen der mikrobiellen Zellmembran war es möglich, fossile mikrobielle Gemeinschaften in Seesedimenten mit einem Alter von bis zu 480 000 Jahren und in Permafrostablagerungen mit einem Alter von bis zu 42 000 Jahren zu rekonstruieren. Es wurde gezeigt, dass es während vergangener warmen Perioden zu einem Wachstum von Bakterien und Archaeen in allen untersuchten Standorten gekommen ist. Dieser Trend konnte auch für die Gemeinschaft der methanogenen Archaeen gezeigt werden, die während warmen und insbesondere feuchten Klimabedingungen in großer Anzahl und Diversität vorhanden waren, was wiederrum Rückschlüsse auf mögliche Methanemissionen erlaubt. In den terrestrischen Permafroststandorten wird der Temperaturanstieg als direkte Ursache für die gefundene Reaktion der mikrobiellen Gemeinschaft vermutet. Im Gegenzug dazu, führte der Temperaturanstieg im untersuchten arktischen See wahrscheinlich zu einer erhöhten Primärproduktion von organischem Kohlenstoff, die wiederum das Wachstum der Mikroorganismen antrieb. Weiterhin konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass Methanosarcina-verwandte Spezies in der Russischen Arktis weit verbreitet sind und sich an veränderte Umweltbedingungen gut anpassen können. Im Gegensatz dazu stehen Vertreter von Methanocellales und Methano-microbiales, die nicht in der Lage sich an veränderte Lebensbedingungen anzupassen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmalig gezeigt werden, dass es in früheren Warmphasen zu einem vermehrten Wachstum der an der Umsetzung des organischen Kohlenstoffs beteiligten Mikroorganismen in der Russischen Arktis gekommen ist. Im Zusammenhang mit der zukünftigen Erwärmung der Arktis kann also von einer Veränderung der am Kohlenstoffkreislauf beteiligten Mikroorganismen ausgegangen werden kann. Mit den steigenden Temperaturen werden sich einige Vertreter der methanproduzierenden Mikroorganismen an die veränderten Bedingungen anpassen können, während Temperatur-empfindliche Vertreter aus dem Habitat verdrängt werden. Diese Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft können die Methanproduktion der hohen noerdlichen Breiten erhoehen und dazu beitragen, dass aus der Arktis als eine Kohlenstoffsenke eine Kohlenstoffquelle wird.
KW  - Arctic
KW  - climate change
KW  - microbial communities
KW  - lipid biomarkers
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68895
ER  - 
TY  - THES
A1  - Frank-Fahle, Béatrice A.
T1  - Methane-cycling microbial communities in permafrost affected soils on Herschel Island and the Yukon Coast, Western Canadian Arctic
T1  - Mikrobielle Gemeinschaften des Methankreislaufs in Permafrost beeinflussten Böden auf der Insel Herschel und an der Yukon-Küste, westliche kanadische Arktis
N2  - Permafrost-affected ecosystems including peat wetlands are among the most obvious regions in which current microbial controls on organic matter decomposition are likely to change as a result of global warming. Wet tundra ecosystems in particular are ideal sites for increased methane production because of the waterlogged, anoxic conditions that prevail in seasonally increasing thawed layers. The following doctoral research project focused on investigating the abundance and distribution of the methane-cycling microbial communities in four different polygons on Herschel Island and the Yukon Coast. Despite the relevance of the Canadian Western Arctic in the global methane budget, the permafrost microbial communities there have thus far remained insufficiently characterized. Through the study of methanogenic and methanotrophic microbial communities involved in the decomposition of permafrost organic matter and their potential reaction to rising environmental temperatures, the overarching goal of the ensuing thesis is to fill the current gap in understanding the fate of the organic carbon currently stored in Artic environments and its implications regarding the methane cycle in permafrost environments. To attain this goal, a multiproxy approach including community fingerprinting analysis, cloning, quantitative PCR and next generation sequencing was used to describe the bacterial and archaeal community present in the active layer of four polygons and to scrutinize the diversity and distribution of methane-cycling microorganisms at different depths. These methods were combined with soil properties analyses in order to identify the main physico-chemical variables shaping these communities. In addition a climate warming simulation experiment was carried-out on intact active layer cores retrieved from Herschel Island in order to investigate the changes in the methane-cycling communities associated with an increase in soil temperature and to help better predict future methane-fluxes from polygonal wet tundra environments in the context of climate change. Results showed that the microbial community found in the water-saturated and carbon-rich polygons on Herschel Island and the Yukon Coast was diverse and showed a similar distribution with depth in all four polygons sampled. Specifically, the methanogenic community identified resembled the communities found in other similar Arctic study sites and showed comparable potential methane production rates, whereas the methane oxidizing bacterial community differed from what has been found so far, being dominated by type-II rather than type-I methanotrophs. After being subjected to strong increases in soil temperature, the active-layer microbial community demonstrated the ability to quickly adapt and as a result shifts in community composition could be observed. These results contribute to the understanding of carbon dynamics in Arctic permafrost regions and allow an assessment of the potential impact of climate change on methane-cycling microbial communities. This thesis constitutes the first in-depth study of methane-cycling communities in the Canadian Western Arctic, striving to advance our understanding of these communities in degrading permafrost environments by establishing an important new observatory in the Circum-Arctic.
N2  - Permafrost beeinflusste Ökosysteme gehören zu den Regionen, in denen als Folge der globalen Erwärmung eine Veränderung des mikrobiell-kontrollierten Abbaus von organischem Material zu erwarten ist. Besonders in den Ökosystemen der feuchten Tundralandschaften kommt es zu einer verstärkten Methanpoduktion unter wassergesättigten und anoxischen Bedingungen, die durch immer tiefere saisonale Auftauschichten begünstigt werden. Die vorliegende Doktorarbeit kontenzentrierte sich auf die Untersuchung der Abundanz und Verteilung der am Methankreislauf beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften in vier unterschiedlichen Polygonen auf der Insel Herschel und an der Yukon Küste in Kanada. Trotz des relevanten Beitrags der kanadischen West-Arktis am globalen Methanhaushalt, sind die dortigen mikrobiellen Gemeinschaften im Permafrost bisher nur unzureichend untersucht worden. Die zentrale Zielstellung der vorliegenden Arbeit besteht darin, die derzeitige Lücke im Verständnis der Kohlenstoffdynamik in der Arktis im Zuge von Klimaveränderungen und deren Bedeutung für den Methankreislauf in Permafrost-Ökosystemen zu schließen. Dies erfolgt durch Untersuchungen der am Abbau der organischen Substanz im Permafrost beteiligten methonogenen und methanothrophen mikrobiellen Gemeinschaften und ihrer möglichen Reaktionen auf steigende Umgebungstemperaturen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein Multiproxy-Ansatz gewählt, der die Analyse der Gemeinschaften mittels genetischen Fingerprintmethoden, Klonierung, quantitativer PCR und moderner Hochdurchsatzsequenzierung („Next Generation Sequencing“) beinhaltet, um die in der Auftauschicht der vier untersuchten Polygone vorhandenen Bakterien- und Archaeen-Gemeinschaften zu charakterisieren sowie die Diversität und Verteilung der am Methankreislauf beteiligten Mikroorganismen in unterschiedlicher Tiefe eingehend zu analysieren. Diese Studien wurden mit physikalisch-chemischen Habitatuntersuchungen kombiniert, da diese die mikrobiellen Lebensgemeinschaften maßgeblich beeinflussen. Zusätzlich wurde ein Laborexperiment zur Simulation der Klimaerwärmung an intakten Bodenmonolithen von der Insel Herschel durchgeführt, um die Veränderungen der am Methankreislauf beteiligten Gemeinschaften aufgrund steigender Bodentemperaturen zu untersuchen, sowie sicherere Voraussagen bezüglich der Methanfreisetzung in polygonalen Permafrostgebieten im Zusammenhang mit dem Klimawandel treffen zu können.
KW  - Permafrost
KW  - Mikrobiologie
KW  - Methan
KW  - Kohlenstoff
KW  - Arktis
KW  - Permafrost
KW  - microbiology
KW  - methane
KW  - carbon
KW  - Arctic
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65345
ER  - 
TY  - THES
A1  - Strauß, Jens
T1  - Organic carbon in ice-rich permafrost
T1  - Organischer Kohlenstoff in eisreichen Permafrostablagerungen
BT  - characteristics, quantity, and availability
BT  - stoffliche Charakteristik, Bilanzierung und Verfügbarkeit
N2  - Permafrost, defined as ground that is frozen for at least two consecutive years, is a distinct feature of the terrestrial unglaciated Arctic. It covers approximately one quarter of the land area of the Northern Hemisphere (23,000,000 km²). Arctic landscapes, especially those underlain by permafrost, are threatened by climate warming and may degrade in different ways, including active layer deepening, thermal erosion, and development of rapid thaw features. In Siberian and Alaskan late Pleistocene ice-rich Yedoma permafrost, rapid and deep thaw processes (called thermokarst) can mobilize deep organic carbon (below 3 m depth) by surface subsidence due to loss of ground ice. Increased permafrost thaw could cause a feedback loop of global significance if its stored frozen organic carbon is reintroduced into the active carbon cycle as greenhouse gases, which accelerate warming and inducing more permafrost thaw and carbon release. To assess this concern, the major objective of the thesis was to enhance the understanding of the origin of Yedoma as well as to assess the associated organic carbon pool size and carbon quality (concerning degradability). The key research questions were:
- How did Yedoma deposits accumulate?
- How much organic carbon is stored in the Yedoma region?
- What is the susceptibility of the Yedoma region's carbon for future decomposition?
To address these three research questions, an interdisciplinary approach, including detailed field studies and sampling in Siberia and Alaska as well as methods of sedimentology, organic biogeochemistry, remote sensing, statistical analyses, and computational modeling were applied. To provide a panarctic context, this thesis additionally includes results both from a newly compiled northern circumpolar carbon database and from a model assessment of carbon fluxes in a warming Arctic.
The Yedoma samples show a homogeneous grain-size composition. All samples were poorly sorted with a multi-modal grain-size distribution, indicating various (re-) transport processes. This contradicts the popular pure loess deposition hypothesis for the origin of Yedoma permafrost. The absence of large-scale grinding processes via glaciers and ice sheets in northeast Siberian lowlands, processes which are necessary to create loess as material source, suggests the polygenetic origin of Yedoma deposits.
Based on the largest available data set of the key parameters, including organic carbon content, bulk density, ground ice content, and deposit volume (thickness and coverage) from Siberian and Alaskan study sites, this thesis further shows that deep frozen organic carbon in the Yedoma region consists of two distinct major reservoirs, Yedoma deposits and thermokarst deposits (formed in thaw-lake basins). Yedoma deposits contain ~80 Gt and thermokarst deposits ~130 Gt organic carbon, or a total of ~210 Gt. Depending on the approach used for calculating uncertainty, the range for the total Yedoma region carbon store is ±75 % and ±20 % for conservative single and multiple bootstrapping calculations, respectively. Despite the fact that these findings reduce the Yedoma region carbon pool by nearly a factor of two compared to previous estimates, this frozen organic carbon is still capable of inducing a permafrost carbon feedback to climate warming. The complete northern circumpolar permafrost region contains between 1100 and 1500 Gt organic carbon, of which ~60 % is perennially frozen and decoupled from the short-term carbon cycle.
When thawed and reintroduced into the active carbon cycle, the organic matter qualities become relevant. Furthermore, results from investigations into Yedoma and thermokarst organic matter quality studies showed that Yedoma and thermokarst organic matter exhibit no depth-dependent quality trend. This is evidence that after freezing, the ancient organic matter is preserved in a state of constant quality. The applied alkane and fatty-acid-based biomarker proxies including the carbon-preference and the higher-land-plant-fatty-acid indices show a broad range of organic matter quality and thus no significantly different qualities of the organic matter stored in thermokarst deposits compared to Yedoma deposits. This lack of quality differences shows that the organic matter biodegradability depends on different decomposition trajectories and the previous decomposition/incorporation history. Finally, the fate of the organic matter has been assessed by implementing deep carbon pools and thermokarst processes in a permafrost carbon model. Under various warming scenarios for the northern circumpolar permafrost region, model results show a carbon release from permafrost regions of up to ~140 Gt and ~310 Gt by the years 2100 and 2300, respectively. The additional warming caused by the carbon release from newly-thawed permafrost contributes 0.03 to 0.14°C by the year 2100. The model simulations predict that a further increase by the 23rd century will add 0.4°C to global mean surface air temperatures.
In conclusion, Yedoma deposit formation during the late Pleistocene was dominated by water-related (alluvial/fluvial/lacustrine) as well as aeolian processes under periglacial conditions. The circumarctic permafrost region, including the Yedoma region, contains a substantial amount of currently frozen organic carbon. The carbon of the Yedoma region is well-preserved and therefore available for decomposition after thaw. A missing quality-depth trend shows that permafrost preserves the quality of ancient organic matter. When the organic matter is mobilized by deep degradation processes, the northern permafrost region may add up to 0.4°C to the global warming by the year 2300.
N2  - Permafrost, definiert als mehr als zwei aufeinander folgende Jahre gefrorenes Bodenmaterial, ist eines der prägenden Merkmale der unvergletscherten arktischen Landgebiete. Verursacht durch extrem kalte Wintertemperaturen und geringe Schneebedeckung nimmt das Permafrost-Verbreitungsgebiet mit ~23.000.000 km² rund ein Viertel der Landfläche der Nordhemisphäre ein. Von Permafrost unterlagerte arktische Landschaften sind besonders anfällig hinsichtlich einer Erwärmung des Klimas. Verglichen mit der globalen Mitteltemperatur prognostizieren Klimamodelle für die Arktis einen doppelt so starken Anstieg der Temperatur. In einer sich erwärmenden Arktis bewirken Störungen des thermisch-hydrologischen Gleichgewichts eine Degradation von Permafrost und Veränderungen des Oberflächenreliefs. Diese Störungen können zum Beispiel zu einer Vertiefung der saisonalen Auftauschicht, zu thermisch bedingter Erosion sowie zu schneller Oberflächenabsenkung und Thermokarst führen. Im Verbreitungsgebiet der spätpleistozänen eisreichen Permafrost-Ablagerungen Sibiriens und Alaskas, bezeichnet als Yedoma, können Thermokarstprozesse auch mehr als 3 m tiefe organischen Kohlenstoffspeicher verfügbar machen, wenn durch schmelzendes Grundeis und Schmelzwasserdrainage die Oberfläche abgesenkt wird. So kann das Tauen von Permafrost eine globale Bedeutung entwickeln, indem vorher eingefrorener Kohlenstoff wieder dem aktiven Kohlenstoffkreislauf zugeführt wird. Dies kann durch Treibhausgasfreisetzung aus Permafrost zu einer sich selbst verstärkenden weiteren Erwärmung und somit zu fortschreitendem Tauen mit weiterer Kohlenstofffreisetzung führen. Diesen Prozess nennt man Permafrost-Kohlenstoff Rückkopplung.
Um das Verständnis der Permafrostkohlenstoffdynamik grundlegend zu verbessern, wurde in dieser Doktorarbeit die Entstehung der Yedoma-Ablagerungen eingeschlossen des darin 
- Wie wurden die Yedoma-Sedimente abgelagert?
- Wie viel Kohlenstoff ist in der Yedoma Region gespeichert?
- Wie ist die Anfälligkeit dieses Kohlenstoffs für eine Degradation in der Zukunft?
Um die oben genannten drei Forschungsfragen zu beantworten, wurde ein interdisziplinärer Forschungsansatz gewählt. In Sibirien und Alaska wurden detaillierte Felduntersuchungen durchgeführt und Methoden der Sedimentologie, der organischen Biogeochemie, der Fernerkundung sowie der statistischen Analyse und computergestützten Modellierung angewendet. Um diese Ergebnisse in den panarktische Kontext zu setzen, enthält diese Doktorarbeit ebenfalls Ergebnisse einer Studie, welche auf Grundlage einer neu zusammengestellten Datenbank den gesamten Kohlenstoff des arktischen Permafrosts abschätzt. Eine Modellierungsstudie ergänzt die Arbeit bezüglich einer Abschätzung der Kohlenstoffflüsse der Permafrostregion und deren Einfluss auf die globale Erwärmung.
Die Ergebnisse zur Yedoma-Entstehung zeigen, dass die Korngrößenverteilungen dieser Ablagerungen, tiefenabhängig betrachtet, sehr homogen sind. Alle gemessenen Korngrößenverteilungen sind schlecht sortiert. Dies deutet auf eine Vielzahl von Transportprozessen hin und widerspricht der populären Hypothese einer reinen Löß-Ablagerung. Interpretiert im Kontext mit der Abwesenheit von Gletschern sowie Eisschilden, als Ausgangsgebiete von Löß-Ablagerungen, in den sibirischen Tiefländern des Spätpleistozäns, zeigt diese Arbeit, dass Yedoma-Ablagerungen polygenetischen Ursprungs sind.
Basierend auf dem größten verfügbaren Datensatz der Schlüsselparameter Kohlenstoffgehalt, Lagerungsdichte, Grundeis und Volumen der Ablagerungen von über 20 Untersuchungsgebieten in Sibirien und Alaska zeigt diese Arbeit mit Yedoma- und Thermokarstablagerungen zwei wesentliche Kohlenstoffspeicher der Yedoma Region auf. Yedoma-Ablagerungen enthalten ~80 Gt und Thermokarstablagerungen ~130 Gt organischen Kohlenstoffs, was einer Gesamtmenge von ~210 Gt organischen Kohlenstoffs entspricht. Abhängig vom gewählten Ansatz der Fehlerberechnung liegt der Unsicherheitsbereich dieser Quantitätsabschätzung bei ±75 % (einfaches Bootstrapping) oder ±20 % (wiederholtes Bootstrapping). Obwohl diese Zahlen die bisherigen Berechnungen des Yedoma-Region-Kohlenstoffspeichers vorhergehender Studien halbieren, stellen 210 Gt organischen Kohlenstoffs noch immer einen großen Kohlenstoffspeicher dar, der eine positive Rückkopplung zur globalen Klimaerwärmung bewirken könnte. Die gesamte Permafrostregion beinhaltet zwischen 1100 und 1500 Gt Kohlenstoff, wovon ~60 % dauerhaft gefroren und somit dem derzeitigen Kohlenstoffkreislauf entzogen sind.
Wenn dieser Kohlenstoff freigesetzt wird, ist ein weiterer Faktor, die Kohlenstoffqualität, relevant. Die Untersuchungen zur Kohlenstoffqualität zeigen keinen tiefenabhängigen Trend in Yedoma- und Thermokarstablagerungen. Dies belegt, dass nach dem Einfrieren die fossile organische Substanz konserviert wurde. Die genutzten Biomarkerdaten, z.B. der 'carbon preference' Index und der 'higher land plant fatty acid' Index zeigen sowohl für Yedoma- als auch für Thermokarstablagerungen keine signifikanten Unterschiede der Kohlenstoffqualität. Das bedeutet, dass der Kohlenstoffabbau nach dem Auftauen von unterschiedlichen Faktoren abhängig ist. Dazu gehören verschiedene Abbauwege oder schon vor dem Einfrieren geschehener Abbau. Um die Bedeutung des aufgetauten Kohlenstoffs abzuschätzen, wurden Thermokarstprozesse in ein Permafrost-Kohlenstoff-Modell einbezogen. Unter Berücksichtigung verschiedener Erwärmungsszenarien könnte die zirkumarktische Permafrostregion bis zum Jahr 2100 ~140 Gt Kohlenstoff und bis 2300 ~310 Gt in die Atmosphäre freisetzen. Dies entspricht einer Erwärmung der mittleren globalen Oberflächentemperatur von ~0,03 bis ~0,14°C bis 2100 und bis zu ~0,4°C bis 2300.
Zusammenfassend stellt diese Dissertation heraus, dass die Yedoma-Ablagerungen während des Spätpleistozäns durch eine Kombination verschiedener aquatischer (alluviale, fluviale, lakustrine) sowie äolische Prozesse entstanden sind. Die zirkumarktische Region, inklusive der Yedoma Region, beinhaltet eine erhebliche Menge an derzeit eingefrorenem organischen Kohlenstoffs. Dieser Kohlenstoff ist gut erhalten und damit nach dem Auftauen für den mikrobiellen Abbau verfügbar. Eine fehlende Tiefenabhängigkeit der Kohlenstoffqualität zeigt, dass Permafrost die Qualität zum Einfrierzeitpunkt bewahrt. Wenn auch der tiefliegende organische Kohlenstoff durch Thermokarstprozesse verfügbar gemacht wird, kann die Permafrostregion bis zum Jahr 2300 bis zu 0,4°C zur mittleren globalen Oberflächentemperatur beitragen.
KW  - permafrost
KW  - Arctic
KW  - climate change
KW  - vulnerability
KW  - Dauerfrostboden
KW  - Arktis
KW  - Klimawandel
KW  - Vulnerabilität
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-75236
ER  - 
TY  - GEN
A1  - Radosavljevic, Boris
A1  - Lantuit, Hugues
A1  - Pollard, Wayne
A1  - Overduin, Pier Paul
A1  - Couture, Nicole
A1  - Sachs, Torsten
A1  - Helm, Veit
A1  - Fritz, Michael
T1  - Erosion and flooding-threats to coastal Infrastructure in the Arctic
BT  - a case study from Herschel Island, Yukon Territory, Canada
T2  - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe
N2  - Arctic coastal infrastructure and cultural and archeological sites are increasingly vulnerable to erosion and flooding due to amplified warming of the Arctic, sea level rise, lengthening of open water periods, and a predicted increase in frequency of major storms. Mitigating these hazards necessitates decision-making tools at an appropriate scale. The objectives of this paper are to provide such a tool by assessing potential erosion and flood hazards at Herschel Island, a UNESCO World Heritage candidate site. This study focused on Simpson Point and the adjacent coastal sections because of their archeological, historical, and cultural significance. Shoreline movement was analyzed using the Digital Shoreline Analysis System (DSAS) after digitizing shorelines from 1952, 1970, 2000, and 2011. For purposes of this analysis, the coast was divided in seven coastal reaches (CRs) reflecting different morphologies and/or exposures. Using linear regression rates obtained from these data, projections of shoreline position were made for 20 and 50 years into the future. Flood hazard was assessed using a least cost path analysis based on a high-resolution light detection and ranging (LiDAR) dataset and current Intergovernmental Panel on Climate Change sea level estimates. Widespread erosion characterizes the study area. The rate of shoreline movement in different periods of the study ranges from −5.5 to 2.7 m·a⁻¹ (mean −0.6 m·a⁻¹). Mean coastal retreat decreased from −0.6 m·a⁻¹ to −0.5 m·a⁻¹, for 1952–1970 and 1970–2000, respectively, and increased to −1.3 m·a⁻¹ in the period 2000–2011. Ice-rich coastal sections most exposed to wave attack exhibited the highest rates of coastal retreat. The geohazard map combines shoreline projections and flood hazard analyses to show that most of the spit area has extreme or very high flood hazard potential, and some buildings are vulnerable to coastal erosion. This study demonstrates that transgressive forcing may provide ample sediment for the expansion of depositional landforms, while growing more susceptible to overwash and flooding.
T3  - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 996 
KW  - Arctic
KW  - coastal erosion
KW  - UNESCO
KW  - vulnerability mapping;
KW  - permafrost coasts
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-432279
SN  - 1866-8372
IS  - 996
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Tanski, George
A1  - Couture, Nicole
A1  - Lantuit, Hugues
A1  - Eulenburg, Antje
A1  - Fritz, Michael
T1  - Eroding permafrost coasts release low amounts of dissolved organic carbon (DOC) from ground ice into the nearshore zone of the Arctic Ocean
JF  - Global biogeochemical cycles
N2  - Ice-rich permafrost coasts in the Arctic are highly sensitive to climate warming and erode at a pace that exceeds the global average. Permafrost coasts deliver vast amounts of organic carbon into the nearshore zone of the Arctic Ocean. Numbers on flux exist for particulate organic carbon (POC) and total or soil organic carbon (TOC, SOC). However, they do not exist for dissolved organic carbon (DOC), which is known to be highly bioavailable. This study aims to estimate DOC stocks in coastal permafrost as well as the annual flux into the ocean. DOC concentrations in ground ice were analyzed along the ice-rich Yukon coast (YC) in the western Canadian Arctic. The annual DOC flux was estimated using available numbers for coast length, cliff height, annual erosion rate, and volumetric ice content in different stratigraphic horizons. Our results showed that DOC concentrations in ground ice range between 0.3 and 347.0mgL(-1) with an estimated stock of 13.63.0gm(-3) along the YC. An annual DOC flux of 54.90.9Mgyr(-1) was computed. These DOC fluxes are low compared to POC and SOC fluxes from coastal erosion or POC and DOC fluxes from Arctic rivers. We conclude that DOC fluxes from permafrost coasts play a secondary role in the Arctic carbon budget. However, this DOC is assumed to be highly bioavailable. We hypothesize that DOC from coastal erosion is important for ecosystems in the Arctic nearshore zones, particularly in summer when river discharge is low, and in areas where rivers are absent.
KW  - Arctic
KW  - permafrost
KW  - coastal erosion
KW  - biogeochemistry
KW  - carbon cycle
Y1  - 2016
U6  - https://doi.org/10.1002/2015GB005337
SN  - 0886-6236
SN  - 1944-9224
VL  - 30
SP  - 1054
EP  - 1068
PB  - American Geophysical Union
CY  - Cambridge
ER  -