Konstantin Paul Klein

• The Arctic nearshore zone plays a key role in the carbon cycle. Organic-rich sediments get eroded off permafrost affected coastlines and can be directly transferred to the nearshore zone. Permafrost in the Arctic stores a high amount of organic matter and is vulnerable to thermo-erosion, which is expected to increase due to climate change. This will likely result in higher sediment loads in nearshore waters and has the potential to alter local ecosystems by limiting light transmission into the water column, thus limiting primary production to the top-most part of it, and increasing nutrient export from coastal erosion. Greater organic matter input could result in the release of greenhouse gases to the atmosphere. Climate change also acts upon the fluvial system, leading to greater discharge to the nearshore zone. It leads to decreasing sea-ice cover as well, which will both increase wave energy and lengthen the open-water season. Yet, knowledge on these processes and the resulting impact on the nearshore zone is scarce, because accessThe Arctic nearshore zone plays a key role in the carbon cycle. Organic-rich sediments get eroded off permafrost affected coastlines and can be directly transferred to the nearshore zone. Permafrost in the Arctic stores a high amount of organic matter and is vulnerable to thermo-erosion, which is expected to increase due to climate change. This will likely result in higher sediment loads in nearshore waters and has the potential to alter local ecosystems by limiting light transmission into the water column, thus limiting primary production to the top-most part of it, and increasing nutrient export from coastal erosion. Greater organic matter input could result in the release of greenhouse gases to the atmosphere. Climate change also acts upon the fluvial system, leading to greater discharge to the nearshore zone. It leads to decreasing sea-ice cover as well, which will both increase wave energy and lengthen the open-water season. Yet, knowledge on these processes and the resulting impact on the nearshore zone is scarce, because access to and instrument deployment in the nearshore zone is challenging. Remote sensing can alleviate these issues in providing rapid data delivery in otherwise non-accessible areas. However, the waters in the Arctic nearshore zone are optically complex, with multiple influencing factors, such as organic rich suspended sediments, colored dissolved organic matter (cDOM), and phytoplankton. The goal of this dissertation was to use remotely sensed imagery to monitor processes related to turbidity caused by suspended sediments in the Arctic nearshore zone. In-situ measurements of water-leaving reflectance and surface water turbidity were used to calibrate a semi-empirical algorithm which relates turbidity from satellite imagery. Based on this algorithm and ancillary ocean and climate variables, the mechanisms underpinning nearshore turbidity in the Arctic were identified at a resolution not achieved before. The calibration of the Arctic Nearshore Turbidity Algorithm (ANTA) was based on in-situ measurements from the coastal and inner-shelf waters around Herschel Island Qikiqtaruk (HIQ) in the western Canadian Arctic from the summer seasons 2018 and 2019. It performed better than existing algorithms, developed for global applications, in relating turbidity from remotely sensed imagery. These existing algorithms were lacking validation data from permafrost affected waters, and were thus not able to reflect the complexity of Arctic nearshore waters. The ANTA has a higher sensitivity towards the lowest turbidity values, which is an asset for identifying sediment pathways in the nearshore zone. Its transferability to areas beyond HIQ was successfully demonstrated using turbidity measurements matching satellite image recordings from Adventfjorden, Svalbard. The ANTA is a powerful tool that provides robust turbidity estimations in a variety of Arctic nearshore environments. Drivers of nearshore turbidity in the Arctic were analyzed by combining ANTA results from the summer season 2019 from HIQ with ocean and climate variables obtained from the weather station at HIQ, the ERA5 reanalysis database, and the Mackenzie River discharge. ERA5 reanalysis data were obtained as domain averages over the Canadian Beaufort Shelf. Nearshore turbidity was linearly correlated to wind speed, significant wave height and wave period. Interestingly, nearshore turbidity was only correlated to wind speed at the shelf, but not to the in-situ measurements from the weather station at HIQ. This shows that nearshore turbidity, albeit being of limited spatial extent, gets influenced by the weather conditions multiple kilometers away, rather than in its direct vicinity. The large influence of wave energy on nearshore turbidity indicates that freshly eroded material off the coast is a major contributor to the nearshore sediment load. This contrasts results from the temperate and tropical oceans, where tides and currents are the major drivers of nearshore turbidity. The Mackenzie River discharge was not identified as a driver of nearshore turbidity in 2019, however, the analysis of 30 years of Landsat archive imagery from 1986 to 2016 suggests a direct link between the prevailing wind direction, which heavily influences the Mackenzie River plume extent, and nearshore turbidity around HIQ. This discrepancy could be caused by the abnormal discharge behavior of the Mackenzie River in 2019. This dissertation has substantially advanced the understanding of suspended sediment processes in the Arctic nearshore zone and provided new monitoring tools for future studies. The presented results will help to understand the role of the Arctic nearshore zone in the carbon cycle under a changing climate.…
• Der arktische Nahküstenbereich spielt eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf. Küsten, die Permafrostböden aufweisen, sind sehr anfällig für Thermoerosion, wodurch Sediment und unzersetzte, organische Überreste in den Arktischen Ozean gelangen können. Durch den Klimawandel ist davon auszugehen, dass Thermoerosion in Zukunft größere Erosionsraten hervorrufen wird. Permafrostböden enthalten große Mengen organischer Überreste, die nach dem Auftauen von Mikroorganismen zersetzt werden, wodurch Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen können. Erhöhte Sedimentmengen in den Küstengewässern verhindert außerdem das Eindringen elektromagnetischer Strahlung in die Wassersäule, wodurch die auf Photosynthese basierte Primärproduktion in tieferen Wasserschichten stark reduziert wird. Durch den Klimawandel transportieren Flüsse in der Arktis mehr Frischwasser und Sediment in die Nahküstenbereiche, und erhöhte Temperaturen verringern die Meereisausdehnung. All diese Prozesse können das Ökosystem des arktischen Nahküstenbereiches nachhaltigDer arktische Nahküstenbereich spielt eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf. Küsten, die Permafrostböden aufweisen, sind sehr anfällig für Thermoerosion, wodurch Sediment und unzersetzte, organische Überreste in den Arktischen Ozean gelangen können. Durch den Klimawandel ist davon auszugehen, dass Thermoerosion in Zukunft größere Erosionsraten hervorrufen wird. Permafrostböden enthalten große Mengen organischer Überreste, die nach dem Auftauen von Mikroorganismen zersetzt werden, wodurch Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen können. Erhöhte Sedimentmengen in den Küstengewässern verhindert außerdem das Eindringen elektromagnetischer Strahlung in die Wassersäule, wodurch die auf Photosynthese basierte Primärproduktion in tieferen Wasserschichten stark reduziert wird. Durch den Klimawandel transportieren Flüsse in der Arktis mehr Frischwasser und Sediment in die Nahküstenbereiche, und erhöhte Temperaturen verringern die Meereisausdehnung. All diese Prozesse können das Ökosystem des arktischen Nahküstenbereiches nachhaltig verändern, allerdings ist das Verständnis von Interaktionen untereinander und deren Resultate begrenzt, da sich die Datensammlung in arktischen Nahküstenbereichen sehr herausfordernd gestaltet. Fernerkundungsmethoden bieten die Möglichkeit der vergleichsweise unkomplizierten Datenaufnahme nur schwer erreichbarer Regionen wie dem arktischen Nahküstenbereich. Arktische Küstengewässer sind allerdings optisch komplex, und Wasserinhaltsstoffe wie Sediment, organische Überreste, gelöstes Material und Plankton erschweren genaue Analysen. Das Ziel dieser Dissertation ist es, Satellitenbilder zu analysieren und Sedimentdynamiken zu identifizieren, die die Wassertrübung beeinflussen. In einem empirischen Algorithmus wird die von der Wasseroberfläche reflektierte elektromagnetische Strahlung genutzt, um die Wassertrübung zu berechnen. Zusammen mit einer Sammlung von Wetterdaten und anderen Umwelteinflüssen wurden Mechanismen identifiziert, die die Wassertrübung arktischer Küstengewässer beeinflussen. Die Kalibrierung des Algorithmus zur Berechnung der Wassertrübung (ANTA) wurde mit Messungen aus den Küstengewässern in der Nähe von Herschel Island Qikiqtaruk (HIQ) auf dem Kanadischen Beaufortschelf durchgeführt. Seine Anwendung führt verglichen mit bereits existierenden Algorithmen zu besseren Ergebnissen, die für den weltweiten Gebrauch vorgesehen sind. Für die Kalibrierung dieser Algorithmen wurden keine Messungen arktischer Nahküstenbereiche genutzt, wodurch die optische Komplexität nur unzureichend wiedergegeben werden kann. Der ANTA ist besser geeignet, um Transportwege von Sediment an der Wasseroberfläche zu identifizieren, weil nahezu klare Gewässer mit höherer Genauigkeit klassifiziert werden. Messungen aus dem Adventfjord in Spitzbergen zeigen, dass der ANTA auch außerhalb der Kanadischen Beaufortsee akkurate Ergebnisse produziert, was ihn zu einem wichtigen Werkzeug zukünftiger Untersuchungen arktischer Nahküstenbereiche macht. Um Prozesse zu identifizieren, die die Wassertrübung in arktischen Küstengewässern beeinflussen, wurden ANTA-Ergebnisse aus dem Sommer 2019 von HIQ, Messungen der Wetterstation auf HIQ, Wetter- und Klimamodellierungen des Kanadischen Beaufortschelfes und Abflussdaten des Mackenzie genutzt. Die Wassertrübung korreliert linear mit der Windgeschwindigkeit, der Wellenhöhe und der Wellenperiodendauer. Es ist beachtenswert, dass die Wassertrübung nur mit der Windgeschwindigkeit auf dem Beaufortschelf, nicht aber mit der Windgeschwindigkeit auf HIQ korreliert. Dies zeigt, dass weit entfernte Prozesse großen Einfluss auf die Wassertrübung in arktischen Küstengewässern haben können, obwohl die Wassertrübung selber nur ein kleines Gebiet beeinflusst. Der große Einfluss von Wellenenergie aus die Wassertrübung unterstreicht sowohl die Wirksamkeit von Erosion als auch, dass kürzlich erodiertes Sediment einen erheblichen Anteil der Sedimentfracht im Nahküstenbereich ausmacht. Dies unterscheidet den Arktischen Ozean von den gemäßigten und tropischen Ozeanen, wo Gezeiten und Strömungen die größten Einflüsse auf die Wassertrübung im Nahküstenbereich sind. Die vom Mackenzie transportierten Sedimente haben keinen Einfluss auf die Wassertrübung um HIQ im Sommer 2019, allerdings zeigt die Analyse des dreißigjährigen Bildarchives der Landsat-Satelliten, dass die Windrichtung, welche maßgeblichen Einfluss auf die Verteilung der transportierten Sedimente nimmt, ein wichtiger Faktor sein kann. Diese Diskrepanz könnte jedoch auch dem untypischen Abflussverhalten des Mackenzie im Jahr 2019 geschuldet sein. Diese Dissertation hat maßgeblichen Anteil am derzeitigen Verständnis der Prozesse im dynamischen Nahküstenbereich des Arktischen Ozeans. Die vorgestellten Methoden und erlangten Ergebnisse werden helfen, in zukünftigen Studien die Rolle des arktischen Nahküstenbereiches im Kohlenstoffkreislauf zu analysieren und quantifizieren.…