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The modification of arctic permafrost coastlines

Die Veränderung der arktischen Permafrostküstenlinien

  • 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 nonThe 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.show moreshow less
  • 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 KüstenerosionIn 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.show moreshow less

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Metadaten
Author:Hugues LantuitORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-19732
Advisor:Hans-Wolfgang Hubberten
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2008
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2008/05/27
Release Date:2008/07/30
Tag:Arktis; Küstenerosion; Permafrost; Thermokarst
arctic; coastal erosion; permafrost; thermokarst
RVK - Regensburg Classification:TF 04999
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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