TY  - THES
A1  - Ramage, Justine Lucille
T1  - Impact of Hillslope Thermokarst on the Nearshore Carbon Budget Along the Yukon Coast, Canada
N2  - In ice-rich permafrost regions, changes in the permafrost thermal regime cause surface disturbances. These changes are amplified by the increase in air temperatures recorded in the Arctic in the past decades. Thermokarst is a process that leads to surface subsidence and formation of characteristic landforms following thawing of ice-rich permafrost or melting of massive ice. Thermokarst is widespread on hillslopes and the number of associated landforms is increasing in the Arctic. Through this process large amounts of material are eroded and transported to the sea or accumulate along hillslopes. While hillslope thermokarst modifies terrestrial and aquatic ecosystems, there is limited understanding of its environmental impact at a regional scale. In this thesis we quantify the environmental impacts of hillslope thermokarst on the valley and nearshore ecosystems along the Yukon Coast, Canada. Using supervised machine learning, we identified geomorphic factors that favour the development of coastal retrogressive thaw slump (RTS), one of the most dynamic hillslope thermokarst landform. Coastal geomorphology and ground ice type and content play a major role in RTS occurrence. Using aerial photographs and satellite imagery, we traced the evolution of RTSs between 1952 and 2011. During this time, the number and areal coverage of RTSs increased by 73%. RTSs eroded and partly released to the nearshore zone organic carbon contained in millions of cubic meters of material. Our results show that 56% of the RTSs identified along the coast in 2011 have eroded 16.6 × 10^6 m3 of material; a large part (45%) was transported alongshore due to coastal processes. Moreover, we show that RTSs are a major contributor to the carbon budget in the nearshore ecosystem: 17% of the coastal RTSs identified in 2011 contributed annually up to 0.6% of the organic carbon released by coastal retreat along the Yukon Coast. To assess the impact of hillslope thermokarst on the terrestrial ecosystem, we measured the spatial distribution of soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) along hillslopes in three Arctic valleys. We highlight the high spatial variability in the distribution of SOC and TN in
the valleys. This distribution is caused by complex soil processes occurring along the hillslopes. Hillslope thermokarst impacts the degradation of organic matter and affects the storage of SOC and TN.
N2  - Veränderungen im thermalen Regime des Permafrosts verursachen Störungen der Erdoberfläche. Diese Veränderungen werden durch die in der Arktis seit Jahrzehnten ansteigenden Temperaturen verstärkt. Thermokarst ist ein Prozess, welcher die Erdoberfläche durch Schmelzen von Grundeis, oder Auftauen von Permafrost absacken lässt, wodurch charakteristische Landformen entstehen. Thermokarst ist vor allem entlang von Hängen weit verbreitet und die Anzahl der damit verbundenen Landformen in der Arktis steigt stetig an. Dieser Prozess mobilisiert große Mengen an Material, welche in Richtung Meer transportiert oder entlang von Hängen akkumuliert werden. Während entlang von Hängen auftretender Thermokarst terrestrische sowie aquatische Ökosysteme stark verändert, ist dessen Einfluss auf regionaler Skala zurzeit noch Gegenstand der Forschung.
In dieser Arbeit quantifizieren wir die Auswirkungen von Thermokarstprozessen entlang von Hängen auf die umliegenden Ökosysteme der küstennahen Täler und Nahküstenbereiche entlang der Yukon Küste in Kanada. Mittels überwachtem maschinellen Lernen haben wir geomorphische Faktoren identifiziert, welche die Entwicklung von retrogressiven Auftaurutschungen (RTS) begünstigen. RTS sind eine Erscheinungsform von Thermokarst entlang von Hängen. Die Küstengeomorphologie, sowie der Grundeistyp und -inhalt sind die wesentlichen bestimmenden Faktoren für das Auftreten von RTS. Wir haben Luftbildaufnahmen und Satellitenbilder genutzt, um die Evolution von RTS im Zeitraum von 1952 bis 2011 zu verfolgen. Während dieser Zeit ist die Anzahl und Ausdehnung von RTS linear angestiegen. Wir zeigen, dass 56% der RTS welche entlang der Küste in 2011 identifiziert wurden, 16.6 × 106 m3 an Material erodiert haben. Hiervon wurden 45% durch Küstenprozesse entlang der Küste transportiert. RTS tragen wesentlich zu dem Kohlenstoff-Budget des Nahküstenbereiches bei: 17% der in 2011 identifizierten RTS, haben 0.6% des organischen Kohlenstoffes transportiert, welcher durch Küstenerosion entlang der Yukon Küste jährlich freigesetzt wird. Um den Einfluss von Thermokarst entlang von Hängen auf das terrestrische Ökosystem zu beurteilen, haben wir die räumliche Verteilung von organischem Bodenkohlenstoff und Stickstoff (SOC, TN) entlang von Hangprofilen in drei arktischen Tälern analysiert.Wir weisen auf eine hohe räumliche Variabilität in der Verteilung von SOC und TN hin, welche auf komplexe Bodenprozesse zurückzuführen ist, welche entlang von Hängen auftreten. Thermokarst entlang von Hängen hat einen großen Einfluss auf die Degradierung von organischem Material und die Speicherung von SOC und TN.
N2  - Le changement climatique est la cause de la dégradation rapide du pergélisol à travers les régions arctiques et subarctiques. Cette dégradation s’exprime par des changements dans la taille, l’abondance et la structure des glissements rétrogressifs dus au dégel (GRD) et autres processus de pente thermokarstiques. Ces processus d’érosion des pentes contribuent au transport de sédiments vers l’Océan Arctique. Bien que l’impact des processus thermokarstiques sur les écosystèmes terrestres et aquatiques soit reconnu, il n’y a toujours pas d’étude qui quantifie leurs impacts sur les écosystèmes côtiers de l’Arctique. Dans cette thèse, nous quantifions les impacts des thermokarstes de pente dans les vallées et le long de la côte du Yukon, Canada. Nous avons utilisé des méthodes statistiques telles que les arbres de classification et les régressions logistiques pour identifier les facteurs qui favorisent le développement des GRD, un des modelés de dégradation du pergélisol le plus actif. La géomorphologie côtière ainsi que la nature et la quantité de glace dans le sol jouent un rôle prépondérant dans le développement des GRD. En utilisant des images satellite et des photos aériennes, nous avons suivi l’évolution des glissements rétrogressifs dus au dégel entre 1952 et 2011. Sur cette période, le nombre et l’étendue des GRD ont augmenté de 73% le long de la côte du Yukon. Les GRD ont érodé et partiellement relâché dans l’océan du carbon organic contenu dans des millions de mètres cubes de sédiments. Nos résultats montrent que 56% des GRD identifiés le long de la côte en 2011 ont érodé 16.6 × 106 m3 de sédiments; 45% a été transporté dans l’océan. De plus, notre étude montre que les GRD ont un rôle majeur sur le budget du carbone dans les milieux côtiers : 17% des GRD identifiés en 2011 ont relâché 0.6% du carbone érodé annuellement du fait de l’érosion côtière. Nous avons aussi étudié la dégradation du pergélisol le long des pentes des vallées périglaciaires, dans l’objectif de comprendre leurs impacts sur les sols et sur les stocks de carbone et d’azote. Nos résultats montrent qu’il y a une grande variabilité dans la distribution du carbone et de l’azote dans les vallées. Ces disparités sont causées par de complexes processus thermiques au niveau des sols. Les processus de pente thermokarstiques ont un impact important sur la dégradation de la matière organique dans les sols et affectent le stockage du carbone et de l’azote dans les régions Arctiques de pergélisol.
KW  - permafrost
KW  - thermokarst
KW  - soil organic carbon
KW  - retrogressive thaw slump
KW  - thermoerosion
KW  - carbon budget
KW  - Permafrost
KW  - thermokarst
KW  - Bodenkohlenstoff
KW  - retrogressiven Auftaurutschungen
KW  - thermoerosion
KW  - Kohlenstoff-Budget
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421867
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lantuit, Hugues
T1  - The modification of arctic permafrost coastlines
T1  - Die Veränderung der arktischen Permafrostküstenlinien
N2  - The arctic region is undergoing the most rapid environmental change experienced on Earth, and the rate of change is expected to increase over the coming decades. Arctic coasts are particularly vulnerable because they lie at the interface between terrestrial systems dominated by permafrost and marine systems dominated by sea ice. An increased rise in sea level and degradation of sea-ice as predicted by the Intergovernmental Panel on Climate Change in its most recent report and as observed recently in the Arctic will likely result in greater rates of coastal retreat. An increase in coastal erosion would result in dramatic increases in the volume of sediment, organic carbon and contaminants to the Arctic Ocean. These in turn have the potential to create dramatic changes in the geochemistry and biodiversity of the nearshore zone and affect the Arctic Ocean carbon cycle. To calculate estimates of organic carbon input from coastal erosion to the Arctic Ocean, current methods rely on the length of the coastline in the form of non self-similar line datasets. This thesis however emphasizes that using shorelines drawn at different scales can induce changes in the amount of sediment released by 30% in some cases. It proposes a substitute method of computations of erosion based on areas instead of lengths (i.e. buffers instead of shoreline lengths) which can be easily implemented at the circum-Arctic scale. Using this method, variations in quantities of eroded sediment are, on average, 70% less affected by scale changes and are therefore a more reliable method of calculation. Current estimates of coastal erosion rates in the Arctic are scarce and long-term datasets are a handful, which complicates assessment and prognosis of coastal processes, in particular the occurrence of coastal hazards. This thesis aims at filling the gap by providing the first long-term dataset (1951-2006) of coastal erosion on the Bykovsky Peninsula, North-East Siberia. This study shows that the coastline, which is made of ice-rich permafrost, retreated at a mean annual rate of 0.59 m/yr between 1951and 2006. Rates were highly variable: 97.0 % of the rates observed were less than 2 m/yr and 81.6% were less than 1m/yr. However, no significant trend in erosion could be recorded despite the study of five temporal subperiods within 1951-2006. The juxtaposition of wind records could not help to explain erosion records either and this thesis emphasizes the local controls on erosion, in particular the cryostratigraphy, the proximity of the Peninsula to the Lena River Delta freshwater plume and the local topographical constraints on swell development. On ice-rich coastal stretches of the Artic, the interaction of coastal dynamics and permafrost leads to the occurrence of spectacular “C-shaped” depressions termed retrogressive thaw slumps which can reach lengths of up to 650 m. On Herschel Island and at King Point (Yukon Coastal Plain, northern Canada), topographical, sedimentological and biogeochemical surveys were conducted to investigate the present and past activity of these landforms. In particular, undisturbed tundra areas were compared with zones of former slump activity, now stabilized and re-vegetated. This thesis shows that stabilized areas are drier and less prone to plant growth than undisturbed areas and feature fundamentally different geotechnical properties. Radiocarbon dating and topographical surveys indicated until up to 300 BP a likely period of dramatic slump activity on Herschel Island, similar to the one currently observed, which led to the creation of these surfaces. This thesis hypothesizes the occurrence of a ~250 years cycle of slump activity on the Herschel Island shoreline based on the surveyed topography and cryostratigraphy and anticipates higher frequency of slump activity in the future. The variety of processes described in this thesis highlights the changing nature of the intensity and frequency of physical processes acting upon the arctic coast. It also challenges current perceptions of the threats to existing industry and community infrastructure in the Arctic. The increasing presence of humans on Artic coasts coupled with the expected development of shipping will drive an increase in economical and industrial activity on these coasts which remains to be addressed scientifically.
N2  - In der Arktis sind die derzeit stärksten Umweltänderungen weltweit zu beobachten, und es wird angenommen, dass sich deren Ausmaß sogar noch verstärken wird. Aufgrund ihrer Lage zwischen terrestrischen, von Permafrost geprägten Systemen und marinen, von Meereis geprägten Systemen, sind arktische Küstenregionen im Zuge dieses Wandels besonders sensibel. Ein verstärkter Meeresspiegelanstieg und der Rückgang des Meereises, wie vom letzten Bericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) vorhergesagt und in letzter Zeit in der Arktis beobachtet, werden zu erhöhten Küstenrückzugsraten führen. Ein Anstieg der Küstenerosion würde zu einer drastischen Erhöhung von Sedimentfracht, organischem Kohlenstoff und von Schadstoffen im Arktischen Ozean führen. Durch diese wiederum drohen dramatische Änderungen in der Geochemie und Biodiversität der küstennahen Zone sowie Veränderungen im Kohlenstoffkreislauf des Arktischen Ozeans. Modelle zur Berechnung des Eintrags organischen Kohlenstoffs in den Arktischen Ozean infolge von Küstenerosion basieren auf der Länge der Küstenlinie in Form von „non self-similar“ Datensätzen. Die vorliegende Arbeit zeigt jedoch, dass die Nutzung von Küstenlinien unterschiedlicher Maßstäbe Abweichungen in der berechneten Sedimentfracht von bis zu 30 % zur Folge haben kann. Es wird daher eine alternative Methode zur Berechnung von Erosionsraten vorgeschlagen, die auf Flächen, nicht auf Längenangaben basiert (z.B. Pufferzonen anstelle von Küstenlinien) und die auf einfache Art und Weise für die Zirkum-Arktis angewandt werden kann. Durch diese Methode ist die Variation der berechneten Erosionsmengen um durchschnittlich 70 % weniger von Maßstabsänderungen betroffen. Damit kann eine deutlich höhere Zuverlässigkeit in den Prognosen erreicht werden. Aktuelle Abschätzungen von Küstenerosionsraten in der Arktis sind spärlich und es gibt nur sehr wenige Langzeitdatensätze, so dass Einschätzungen und Prognosen zu Prozessen im Küstenbereich, insbesondere von dessen Gefährdung, schwierig sind. Die vorliegende Arbeit soll dazu beigetragen, diese Lücke zu schließen, indem der erste Langzeitdatensatz (1951-2006) zu Küstenerosionsraten auf der Bykovsky Halbinsel in Nordost-Sibirien bereitgestellt wird. Die Arbeit zeigt, dass die Küstenlinie auf der Bykovsky Halbinsel, die durch eisreichen Permafrost geprägt ist, im Zeitraum 1951-2006 um durchschnittlich 0,59 m pro Jahr zurückging. Die Rückzugsraten waren dabei äußerst variabel: 97 % aller ermittelten Raten betrugen weniger als 2 m und 81,6 % weniger als 1 m pro Jahr. Ein signifikanter Trend in den Erosionsraten konnte dabei jedoch trotz Analyse von fünf verschiedenen zeitlichen Epochen nicht festgestellt werden. Auch die Gegenüberstellung von Winddatensätzen kann die Erosionsraten nicht erklären. Deshalb stellt diese Arbeit die Bedeutung lokaler Kontrollmechanismen wie Kryostratigraphie, die Nähe der Bykovsky Halbinsel zum Lena-Delta und seinen Süßwasservorkommen sowie die lokale Topographie und deren Einfluss auf Wellengang und Wellenbildung heraus. Innerhalb eisreicher arktischer Küstenabschnitte führt die Interaktion zwischen Küstendynamik und Permafrost zur Ausprägung eindrucksvoller, „C-förmiger“ Depressionen, sogenannten regressiven auftaubedingten Rutschungen, die Längen von bis zu 650 m erreichen können. Auf Herschel Island und am King Point (Yukon Küste, Nordkanada) wurden topographische, sedimentologische und biogeochemische Aufnahmen durchgeführt, um die rezente und vergangene Dynamik dieser Landschaftsformen nachvollziehen zu können. Insbesondere wurden ungestörte Tundrenareale mit ehemals aktiven Rutschungszonen, die heute stabil und wiederbewachsen sind, verglichen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass diese ehemaligen, heute stabilisierten Rutschungszonen trockenere und für Pflanzenwachstum weniger geeignete Standorte darstellen als ungestörte Bereiche und überdies fundamental andere geotechnische Eigenschaften aufweisen. Radiocarbon-Datierungen und topographische Aufnahmen weisen darauf hin, dass es auf Herschel Island und am King Point bis vor 300 Jahren eine Periode ausgeprägter, auftaubedingter Rutschungsaktivitäten ähnlich denen, die derzeit auf der Insel beobachtet werden können, gegeben haben muss, die zur Ausbildung dieser Oberflächenstrukturen geführt haben. Diese Arbeit stellt auf Grundlage der untersuchten Topographie und Kryostratigraphie die Hypothese auf, dass an der Küstenlinie von Herschel Island ein etwa 250-jähriger Zyklus von Rutschungsaktivitäten existiert und antizipiert eine höhere Frequenz im Auftreten dieser Rutschungsaktivitäten für die Zukunft. Die Vielfalt an Faktoren, die in dieser Arbeit beschrieben wurden, hebt die veränderte Intensität und Frequenz der auf arktische Küsten einwirkenden physikalischen Prozesse hervor. Dadurch werden auch aktuelle Auffassungen zur Bedrohung bestehender Industrie und Infrastruktur in der Arktis hinterfragt. Im Zusammenhang mit dem erwarteten Ausbau der Schifffahrt treibt der zunehmende anthropogene Einfluss die ökonomische und industrielle Entwicklung in arktischen Küstenregionen an, die Gegenstand einer wissenschaftlichen Betrachtung sein sollten.
KW  - Permafrost
KW  - Arktis
KW  - Küstenerosion
KW  - Thermokarst
KW  - permafrost
KW  - arctic
KW  - coastal erosion
KW  - thermokarst
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-19732
ER  -