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In this study, we analyze interactions in lake and lake catchment systems of a continuous permafrost area. We assessed colored dissolved organic matter (CDOM) absorption at 440 nm (a(440)(CDOM)) and absorption slope (S300-500) in lakes using field sampling and optical remote sensing data for an area of 350 km(2) in Central Yamal, Siberia. Applying a CDOM algorithm (ratio of green and red band reflectance) for two high spatial resolution multispectral GeoEye-1 and Worldview-2 satellite images, we were able to extrapolate the a()(CDOM) data from 18 lakes sampled in the field to 356 lakes in the study area (model R-2 = 0.79). Values of a(440)(CDOM) in 356 lakes varied from 0.48 to 8.35 m(-1) with a median of 1.43 m(-1). This a()(CDOM) dataset was used to relate lake CDOM to 17 lake and lake catchment parameters derived from optical and radar remote sensing data and from digital elevation model analysis in order to establish the parameters controlling CDOM in lakes on the Yamal Peninsula. Regression tree model and boosted regression tree analysis showed that the activity of cryogenic processes (thermocirques) in the lake shores and lake water level were the two most important controls, explaining 48.4% and 28.4% of lake CDOM, respectively (R-2 = 0.61). Activation of thermocirques led to a large input of terrestrial organic matter and sediments from catchments and thawed permafrost to lakes (n = 15, mean a(440)(CDOM) = 5.3 m(-1)). Large lakes on the floodplain with a connection to Mordy-Yakha River received more CDOM (n = 7, mean a(440)(CDOM) = 3.8 m(-1)) compared to lakes located on higher terraces.
Many widely used observational data sets are comprised of several overlapping instrument records. While data inter-calibration techniques often yield continuous and reliable data for trend analysis, less attention is generally paid to maintaining higher-order statistics such as variance and autocorrelation. A growing body of work uses these metrics to quantify the stability or resilience of a system under study and potentially to anticipate an approaching critical transition in the system. Exploring the degree to which changes in resilience indicators such as the variance or autocorrelation can be attributed to non-stationary characteristics of the measurement process – rather than actual changes in the dynamical properties of the system – is important in this context. In this work we use both synthetic and empirical data to explore how changes in the noise structure of a data set are propagated into the commonly used resilience metrics lag-one autocorrelation and variance. We focus on examples from remotely sensed vegetation indicators such as vegetation optical depth and the normalized difference vegetation index from different satellite sources. We find that time series resulting from mixing signals from sensors with varied uncertainties and covering overlapping time spans can lead to biases in inferred resilience changes. These biases are typically more pronounced when resilience metrics are aggregated (for example, by land-cover type or region), whereas estimates for individual time series remain reliable at reasonable sensor signal-to-noise ratios. Our work provides guidelines for the treatment and aggregation of multi-instrument data in studies of critical transitions and resilience.
The first step towards assessing hazards in seismically active regions involves mapping capable faults and estimating their recurrence times. While the mapping of active faults is commonly based on distinct geologic and geomorphic features evident at the surface, mapping blind seismogenic faults is complicated by the absence of on-fault diagnostic features. Here we investigated the Pichilemu Fault in coastal Chile, unknown until it generated a Mw 7.0 earthquake in 2010. The lack of evident surface faulting suggests activity along a partly-hidden blind fault. We used off-fault deformed marine terraces to estimate a fault-slip rate of 0.52 ± 0.04 m/ka, which, when integrated with satellite geodesy suggests a 2.12 ± 0.2 ka recurrence time for Mw~7.0 normal-faulting earthquakes. We propose that extension in the Pichilemu region is associated with stress changes during megathrust earthquakes and accommodated by sporadic slip during upper-plate earthquakes, which has implications for assessing the seismic potential of cryptic faults along convergent margins and elsewhere.
River-valley morphology preserves information on tectonic and climatic conditions that shape landscapes. Observations suggest that river discharge and valley-wall lithology are the main controls on valley width. Yet, current models based on these observations fail to explain the full range of cross-sectional valley shapes in nature, suggesting hitherto unquantified controls on valley width. In particular, current models cannot explain the existence of paired terrace sequences that form under cyclic climate forcing. Paired river terraces are staircases of abandoned floodplains on both valley sides, and hence preserve past valley widths. Their formation requires alternating phases of predominantly river incision and predominantly lateral planation, plus progressive valley narrowing. While cyclic Quaternary climate changes can explain shifts between incision and lateral erosion, the driving mechanism of valley narrowing is unknown. Here, we extract valley geometries from climatically formed, alluvial river-terrace sequences and show that across our dataset, the total cumulative terrace height (here: total valley height) explains 90%–99% of the variance in valley width at the terrace sites. This finding suggests that valley height, or a parameter that scales linearly with valley height, controls valley width in addition to river discharge and lithology. To explain this valley-width-height relationship, we reformulate existing valley-width models and suggest that, when adjusting to new boundary conditions, alluvial valleys evolve to a width at which sediment removal from valley walls matches lateral sediment supply from hillslope erosion. Such a hillslope-channel coupling is not captured in current valley-evolution models. Our model can explain the existence of paired terrace sequences under cyclic climate forcing and relates valley width to measurable field parameters. Therefore, it facilitates the reconstruction of past climatic and tectonic conditions from valley topography.
Soziale Medien sind ein wesentlicher Bestandteil des Alltags von Schüler*innen und gleichzeitig zunehmend wichtig in Wirtschaft, Politik und Wissenschaft. Am Beispiel von Twitter zeigt dieser Beitrag, dass soziale Medien im Unterricht auch für die Beantwortung geographischer Fragestellungen verwendet werden können. Hierfür eignen sich Twitter-Daten aufgrund ihrer Georeferenzierung und weiterer interessanter Inhalte besonders. Der Beitrag gibt einen Überblick über die Verwendung von Twitter für sozialwissenschaftliche und humangeographische Fragestellungen und reflektiert die Nutzung von Twitter im Unterricht. Für die Unterrichtspraxis werden Beispiele zu den Themen Braunkohle, Flutereignisse und Raumwahrnehmungen sowie Anleitungen zur Auswertung, Anwendung und Reflexion von Twitter-Analysen vorgestellt.
Quantitative geomorphic research depends on accurate topographic data often collected via remote sensing. Lidar, and photogrammetric methods like structure-from-motion, provide the highest quality data for generating digital elevation models (DEMs). Unfortunately, these data are restricted to relatively small areas, and may be expensive or time-consuming to collect. Global and near-global DEMs with 1 arcsec (∼30 m) ground sampling from spaceborne radar and optical sensors offer an alternative gridded, continuous surface at the cost of resolution and accuracy. Accuracy is typically defined with respect to external datasets, often, but not always, in the form of point or profile measurements from sources like differential Global Navigation Satellite System (GNSS), spaceborne lidar (e.g., ICESat), and other geodetic measurements. Vertical point or profile accuracy metrics can miss the pixel-to-pixel variability (sometimes called DEM noise) that is unrelated to true topographic signal, but rather sensor-, orbital-, and/or processing-related artifacts. This is most concerning in selecting a DEM for geomorphic analysis, as this variability can affect derivatives of elevation (e.g., slope and curvature) and impact flow routing. We use (near) global DEMs at 1 arcsec resolution (SRTM, ASTER, ALOS, TanDEM-X, and the recently released Copernicus) and develop new internal accuracy metrics to assess inter-pixel variability without reference data. Our study area is in the arid, steep Central Andes, and is nearly vegetation-free, creating ideal conditions for remote sensing of the bare-earth surface. We use a novel hillshade-filtering approach to detrend long-wavelength topographic signals and accentuate short-wavelength variability. Fourier transformations of the spatial signal to the frequency domain allows us to quantify: 1) artifacts in the un-projected 1 arcsec DEMs at wavelengths greater than the Nyquist (twice the nominal resolution, so > 2 arcsec); and 2) the relative variance of adjacent pixels in DEMs resampled to 30-m resolution (UTM projected). We translate results into their impact on hillslope and channel slope calculations, and we highlight the quality of the five DEMs. We find that the Copernicus DEM, which is based on a carefully edited commercial version of the TanDEM-X, provides the highest quality landscape representation, and should become the preferred DEM for topographic analysis in areas without sufficient coverage of higher-quality local DEMs.
The intensification of Northern Hemisphere glaciations at the end of the Pliocene epoch marks one of the most substantial climatic shifts of the Cenozoic. Despite global cooling, sea surface temperatures in the high latitude North Atlantic Ocean rose between 2.9–2.7 million years ago. Here we present sedimentary geochemical proxy data from the Gulf of Cadiz to reconstruct the variability of Mediterranean Outflow Water, an important heat source to the North Atlantic. We find evidence for enhanced production of Mediterranean Outflow from the mid-Pliocene to the late Pliocene which we infer could have driven a sub-surface heat channel into the high-latitude North Atlantic. We then use Earth System Models to constrain the impact of enhanced Mediterranean Outflow production on the northward heat transport in the North Atlantic. In accord with the proxy data, the numerical model results support the formation of a sub-surface channel that pumped heat from the subtropics into the high latitude North Atlantic. We further suggest that this mechanism could have delayed ice sheet growth at the end of the Pliocene.
Sediment archives in the terrestrial and marine realm are regularly analyzed to infer changes in climate, tectonic, or anthropogenic boundary conditions of the past. However, contradictory observations have been made regarding whether short period events are faithfully preserved in stratigraphic archives; for instance, in marine sediments offshore large river systems. On the one hand, short period events are hypothesized to be non-detectable in the signature of terrestrially derived sediments due to buffering during sediment transport along large river systems. On the other hand, several studies have detected signals of short period events in marine records offshore large river systems. We propose that this apparent discrepancy is related to the lack of a differentiation between different types of signals and the lack of distinction between river response times and signal propagation times. In this review, we (1) expand the definition of the term ‘signal’ and group signals in sub-categories related to hydraulic grain size characteristics, (2) clarify the different types of ‘times’ and suggest a precise and consistent terminology for future use, and (3) compile and discuss factors influencing the times of signal transfer along sediment routing systems and how those times vary with hydraulic grain size characteristics. Unraveling different types of signals and distinctive time periods related to signal propagation addresses the discrepancies mentioned above and allows a more comprehensive exploration of event preservation in stratigraphy – a prerequisite for reliable environmental reconstructions from terrestrially derived sedimentary records.
Der zentralasiatische Naturraum, wie er sich uns heute präsentiert, ist das Ergebnis eines Zusammenwirkens vieler verschiedener Faktoren über Jahrmillionen hinweg. Im aktuellen Kontext des Klimawandels zeigt sich jedoch, wie stark sich Stoffflüsse auch kurzfristig ändern und dabei das Gesicht der Landschaft verwandeln können. Die Gobi-Wüste in der Inneren Mongolei (China), als Teil der gleichnamigen Trockenregionen Nordwestchinas, ist aufgrund der Ausgestaltung ihrer landschaftsprägenden Elemente sowie ihrer Landschaftsdynamik, im Zusammenhang mit der Lage zum Tibet-Plateau, in den Fokus der klimageschichtlichen Grundlagenforschung gerückt. Als großes Langzeitarchiv unterschiedlichster fluvialer, lakustriner und äolischer Sedimente stellt sie eine bedeutende Lokalität zur Rekonstruktion von lokalen und regionalen Stoffflüssen dar.. Andererseits ist die Gobi-Wüste zugleich auch eine bedeutende Quelle für den überregionalen Staubtransport, da sie aufgrund der klimatischen Bedingungen insbesondere der Erosion durch Ausblasung preisgegeben wird. Vor diesem Hintergrund erfolgten zwischen 2011 und 2014, im Rahmen des BMBF-Verbundprogramms WTZ Zentralasien – Monsundynamik & Geoökosysteme (Förderkennzeichen 03G0814), mehrere deutsch-chinesische Expeditionen in das Ejina-Becken (Innere Mongolei) und das Qilian Shan-Vorland. Im Zuge dieser Expeditionen wurden für eine Bestimmung potenzieller Sedimentquellen erstmals zahlreiche Oberflächenproben aus dem gesamten Einzugsgebiet des Heihe (schwarzer Fluss) gesammelt. Zudem wurden mit zwei Bohrungen im inneren des Ejina-Beckens, ergänzende Sedimentbohrkerne zum bestehenden Bohrkern D100 (siehe Wünnemann (2005)) abgeteuft, um weit reichende, ergänzende Informationen zur Landschaftsgeschichte und zum überregionalen Sedimenttransfer zu erhalten. Gegenstand und Ziel der vorliegenden Doktorarbeit ist die sedimentologisch-mineralogische Charakterisierung des Untersuchungsgebietes in Bezug auf potenzielle Sedimentquellen und Stoffflüsse des Ejina-Beckens sowie die Rekonstruktion der Ablagerungsgeschichte eines dort erbohrten, 19m langen Sedimentbohrkerns (GN100). Schwerpunkt ist hierbei die Klärung der Sedimentherkunft innerhalb des Bohrkerns sowie die Ausweisung von Herkunftssignalen und möglichen Sedimentquellen bzw. Sedimenttransportpfaden. Die methodische Herangehensweise basiert auf einem Multi-Proxy-Ansatz zur Charakterisierung der klastischen Sedimentfazies anhand von Geländebeobachtungen, lithologisch-granulometrischen und mineralogisch-geochemischen Analysen sowie statistischen Verfahren. Für die mineralogischen Untersuchungen der Sedimente wurde eine neue, rasterelektronenmikroskopische Methode zur automatisierten Partikelanalyse genutzt und den traditionellen Methoden gegenübergestellt. Die synoptische Betrachtung der granulometrischen, geochemischen und mineralogischen Befunde der Oberflächensedimente ergibt für das Untersuchungsgebiet ein logisches Kaskadenmodell mit immer wiederkehrenden Prozessbereichen und ähnlichen Prozesssignalen. Die umfangreichen granulometrischen Analysen deuten dabei auf abnehmende Korngrößen mit zunehmender Entfernung vom Qilian Shan hin und ermöglichen die Identifizierung von vier texturellen Signalen: den fluvialen Sanden, den Dünensanden, den Stillwassersedimenten und Stäuben. Diese Ergebnisse können als Interpretationsgrundlage für die Korngrößenanalysen des Bohrkerns genutzt werden. Somit ist es möglich, die Ablagerungsgeschichte der Bohrkernsedimente zu rekonstruieren und in Verbindung mit eigenen und literaturbasierten Datierungen in einen Gesamtkontext einzuhängen. Für das Untersuchungsgebiet werden somit vier Ablagerungsphasen ausgewiesen, die bis in die Zeit des letzten glazialen Maximums (LGM) zurückreichen. Während dieser Ablagerungsphasen kam es im Zuge unterschiedlicher Aktivitäts- und Stabilitätsphasen zu einer kontinuierlichen Progradation und Überprägung des Schwemmfächers. Eine besonders aktive Phase kann zwischen 8 ka und 4 ka BP festgestellt werden, während der es aufgrund zunehmender fluvialer Aktivitäten zu einer deutlich verstärkten Schwemmfächerdynamik gekommen zu sein scheint. In den Abschnitten davor und danach waren es vor allem äolische Prozesse, die zu einer Überprägung des Schwemmfächers geführt haben. Hinsichtlich der mineralogischen Herkunftssignale gibt es eine große Variabilität. Dies spiegelt die enorme Heterogenität der Geologie des Untersuchungsgebietes wider, wodurch die räumlichen Signale nicht sehr stark ausgeprägt sind. Dennoch, können für das Einzugsgebiet drei größere Bereiche deklariert werden, die als Herkunftsgebiet in Frage kommen. Das östliche Qilian Shan Vorland zeichnet sich dabei durch deutlich höhere Chloritgehalte als primäre Quelle für die Sedimente im Ejina-Becken aus. Sie unterscheiden sich insbesondere durch stark divergierende Chloritgehalte in der Tonmineral- und Gesamtmineralfraktion, was das östliche Qilian Shan Vorland als primäre Quelle für die Sedimente im Ejina-Becken auszeichnet. Dies steht in Zusammenhang mit den Grünschiefern, Ophioliten und Serpentiniten in diesem Bereich. Geochemisch deutet vor allem das Cr/Rb-Verhältnis eine große Variabilität innerhalb des Einzugsgebietes an. Auch hier ist es das östliche Vorland, welches aufgrund seines hohen Anteils an mafischen Gesteinen reich an Chromiten und Spinellen ist und sich somit vom restlichen Untersuchungsgebiet abhebt. Die zeitliche aber auch die generelle Variabilität der Sedimentherkunft lässt sich in den Bohrkernsedimenten nicht so deutlich nachzeichnen. Die mineralogisch-sedimentologischen Eigenschaften der erbohrten klastischen Sedimente zeugen zwar von zwischenzeitlichen Änderungen bei der Sedimentherkunft, diese sind jedoch nicht so deutlich ausgeprägt, wie es die Quellsignale in den Oberflächensedimenten vermuten lassen. Ein Grund dafür scheint die starke Vermischung unterschiedlichster Sedimente während des Transportes zu sein. Die Kombination der Korngrößenergebnisse mit den Befunden der Gesamt- und Schwermineralogie deuten darauf hin, dass es zwischenzeitlich eine Phase mit überwiegend äolischen Prozessen gegeben hat, die mit einem Sedimenteintrag aus dem westlichen Bei Shan in Verbindung stehen. Neben der Zunahme ultrastabiler Schwerminerale wie Zirkon und Granat und der Abnahme opaker Schwerminerale, weisen vor allem die heutigen Verhältnisse darauf hin. Der Vergleich der traditionellen Schwermineralanalyse mit der Computer-Controlled-Scanning-Electron-Microscopy (kurz: CCSEM), die eine automatisierte Partikelauswertung der Proben ermöglicht, zeigt den deutlichen Vorteil der modernen Analysemethode. Neben einem zeitlichen Vorteil, den man durch die automatisierte Abarbeitung der vorbereiteten Proben erlangen kann, steht vor allem die deutlich größere statistische Signifikanz des Ergebnisses im Vordergrund. Zudem können mit dieser Methode auch chemische Varietäten einiger Schwerminerale bestimmt werden, die eine noch feinere Klassifizierung und sicherere Aussagen zu einer möglichen Sedimentherkunft ermöglichen. Damit ergeben sich außerdem verbesserte Aussagen zu Zusammensetzungen und Entstehungsprozessen der abgelagerten Sedimente. Die Studie verdeutlicht, dass die Sedimentherkunft innerhalb des Untersuchungsgebietes sowie die ablaufenden Prozesse zum Teil stark von lokalen Gegebenheiten abhängen. Die Heterogenität der Geologie und die Größe des Einzugsgebietes sowie die daraus resultierende Komplexität der Sedimentgenese, machen exakte Zuordnungen zu klar definierten Sedimentquellen sehr schwer. Dennoch zeigen die Ergebnisse, dass die Sedimentzufuhr in das Ejina-Becken in erster Linie durch fluviale klastische Sedimente des Heihe aus dem Qilian Shan erfolgt sein muss. Die Untersuchungsergebnisse zeigen jedoch ebenso die Notwendigkeit einer ergänzenden Bearbeitung angrenzender Untersuchungsgebiete, wie beispielsweise den Gobi-Altai im Norden oder den Beishan im Westen, sowie die Verdichtung der Oberflächenbeprobung zur feineren Auflösung von lokalen Sedimentquellen.