TY  - THES
A1  - Philipp, Marius Balthasar
T1  - Quantifying the Effects of Permafrost Degradation in Arctic Coastal Environments via Satellite Earth Observation
T1  - Quantifizierung der Effekte von Permafrost Degradation in Arktischen Küstenregionen mittels Satelliten-gestützter Erdbeobachtung
N2  - Permafrost degradation is observed all over the world as a consequence of climate change and the associated Arctic amplification, which has severe implications for the environment. Landslides, increased rates of surface deformation, rising likelihood of infrastructure damage, amplified coastal erosion rates, and the potential turnover of permafrost from a carbon sink to a carbon source are thereby exemplary implications linked to the thawing of frozen ground material. In this context, satellite earth observation is a potent tool for the identification and continuous monitoring of relevant processes and features on a cheap, long-term, spatially explicit, and operational basis as well as up to a circumpolar scale. 
A total of 325 articles published in 30 different international journals during the past two decades were investigated on the basis of studied environmental foci, remote sensing platforms, sensor combinations, applied spatio-temporal resolutions, and study locations in an extensive review on past achievements, current trends, as well as future potentials and challenges of satellite earth observation for permafrost related analyses. The development of analysed environmental subjects, utilized sensors and platforms, and the number of annually published articles over time are addressed in detail. Studies linked to atmospheric features and processes, such as the release of greenhouse gas emissions, appear to be strongly under-represented. Investigations on the spatial distribution of study locations revealed distinct study clusters across the Arctic. At the same time, large sections of the continuous permafrost domain are only poorly covered and remain to be investigated in detail. A general trend towards increasing attention in satellite earth observation of permafrost and related processes and features was observed. The overall amount of published articles hereby more than doubled since the year 2015. New sources of satellite data, such as the Sentinel satellites and the Methane Remote Sensing LiDAR Mission (Merlin), as well as novel methodological approaches, such as data fusion and deep learning, will thereby likely improve our understanding of the thermal state and distribution of permafrost, and the effects of its degradation. Furthermore, cloud-based big data processing platforms (e.g. Google Earth Engine (GEE)) will further enable sophisticated and long-term analyses on increasingly larger scales and at high spatial resolutions. 
In this thesis, a specific focus was put on Arctic permafrost coasts, which feature increasing vulnerability to environmental parameters, such as the thawing of frozen ground, and are therefore associated with amplified erosion rates. In particular, a novel monitoring framework for quantifying Arctic coastal erosion rates within the permafrost domain at high spatial resolution and on a circum-Arctic scale is presented within this thesis. Challenging illumination conditions and frequent cloud cover restrict the applicability of optical satellite imagery in Arctic regions. In order to overcome these limitations, Synthetic Aperture RADAR (SAR) data derived from Sentinel-1 (S1), which is largely independent from sun illumination and weather conditions, was utilized. Annual SAR composites covering the months June–September were combined with a Deep Learning (DL) framework and a Change Vector Analysis (CVA) approach to generate both a high-quality and circum-Arctic coastline product as well as a coastal change product that highlights areas of erosion and build-up. Annual composites in the form of standard deviation (sd) and median backscatter were computed and used as inputs for both the DL framework and the CVA coastal change quantification. The final DL-based coastline product covered a total of 161,600 km of Arctic coastline and featured a median accuracy of ±6.3 m to the manually digitized reference data. Annual coastal change quantification between 2017–2021 indicated erosion rates of up to 67 m per year for some areas based on 400 m coastal segments. In total, 12.24% of the investigated coastline featured an average erosion rate of 3.8 m per year, which corresponds to 17.83 km2 of annually eroded land area. Multiple quality layers associated to both products, the generated DL-coastline and the coastal change rates, are provided on a pixel basis to further assess the accuracy and applicability of the proposed data, methods, and products. 
Lastly, the extracted circum-Arctic erosion rates were utilized as a basis in an experimental framework for estimating the amount of permafrost and carbon loss as a result of eroding permafrost coastlines. Information on permafrost fraction, Active Layer Thickness (ALT), soil carbon content, and surface elevation were thereby combined with the aforementioned erosion rates. While the proposed experimental framework provides a valuable outline for quantifying the volume loss of frozen ground and carbon release, extensive validation of the utilized environmental products and resulting volume loss numbers based on 200 m segments are necessary. Furthermore, data of higher spatial resolution and information of carbon content for deeper soil depths are required for more accurate estimates.
N2  - Als Folge des Klimawandels und der damit verbundenen „Arctic Amplification“ wird weltweit eine Degradation des Dauerfrostbodens (Permafrost) beobachtet, welche schwerwiegende Auswirkungen auf die Umwelt hat. Erdrutsche, erhöhte Oberflächen- verformungsraten, eine zunehmende Wahrscheinlichkeit von Infrastrukturschäden, verstärkte Küstenerosionsraten und die potenzielle Umwandlung von Permafrost von einer Kohlenstoffsenke in eine Kohlenstoffquelle sind dabei beispielhafte Auswirkun- gen im Zusammenhang mit dem Auftauen von gefrorenem Bodenmaterial. In diesem Kontext ist die Satelliten-gestützte Erdbeobachtung ein wirkmächtiges Werkzeug zur Identifizierung und kontinuierlichen Überwachung relevanter Prozesse und Merkmale auf einer kostengünstigen, langfristigen, räumlich expliziten und operativen Basis und auf einem zirkumpolaren Maßstab. 
Insgesamt 325 Artikel, die in den letzten zwei Jahrzehnten in 30 verschiedenen internationalen Zeitschriften veröffentlicht wurden, wurden auf Basis der adressierten Umweltschwerpunkte, Fernerkundungsplattformen, Sensorkombinationen, angewand- ten raum-zeitlichen Auflösungen und den Studienorten in einem umfassenden Überblick über vergangene Errungenschaften und aktuelle Trends untersucht. Zusätzlich wur- den zukünftige Potenziale und Herausforderungen der Satelliten-Erdbeobachtung für Permafrost-bezogene Analysen diskutiert. Auf die zeitliche Entwicklung der un- tersuchten Umweltthemen, eingesetzten Sensoren und Satelliten-Plattformen sowie die Zahl der jährlich erscheinenden Artikel wurde detailliert eingegangen. Studien zu atmosphärischen Eigenschaften und Prozessen, wie etwa der Freisetzung von Treibhaus- gasemissionen, waren stark unterrepräsentiert. Deutliche geografische Schlüssel-Gebiete, auf welche sich der Großteil der Studien konzentrierte, konnten in Untersuchungen zur räumlichen Verteilung der Studienorte identifiziert werden. Gleichzeitig sind große Teile des kontinuierlichen Permafrost-Gebiets nur spärlich abgedeckt und müssen noch im Detail untersucht werden. Es wurde ein allgemeiner Trend zu einer zunehmenden Aufmerksamkeit bezüglich der Satelliten-gestützten Erdbeobachtung von Permafrost und verwandten Prozessen und Merkmalen beobachtet. Die Gesamtzahl der veröf- fentlichten Artikel hat sich dabei seit dem Jahr 2015 mehr als verdoppelt. Neue Quellen für Satellitendaten, wie beispielweise die Sentinel-Satelliten und die Methane Remote Sensing LiDAR Mission (Merlin), sowie neuartige methodische Ansätze, wie Datenfusion und Deep Learning, werden dabei voraussichtlich unser Verständnis bzgl. des thermischen Zustands und der Verteilung von Permafrost-Vorkommen sowie die Auswirkungen seines Auftauens verbessern. Darüber hinaus werden Cloud-basierte Big-Data-Verarbeitungsplattformen (z.B. Google Earth Engine (GEE)) anspruchsvolle und langfristige Analysen in immer größeren Maßstäben und mit hoher räumlicher Auflösung erleichtern. 
In dieser Arbeit wurde ein besonderer Fokus auf arktische Permafrost-Küsten gelegt, die eine zunehmende Vulnerabilität gegenüber Umweltparametern wie dem Auftauen von gefrorenem Boden aufweisen und daher von verstärkten Erosionsraten betroffen sind. Ein neuartiger Ansatz zur Quantifizierung der arktischen Küstene- rosion innerhalb des Permafrost-Gebiets mit hoher räumlicher Auflösung und auf zirkum-arktischem Maßstab wird in dieser Dissertation präsentiert. Schwierige Be- leuchtungsbedingungen und häufige Bewölkung schränken die Anwendbarkeit optischer Satellitenbilder in arktischen Regionen ein. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden Synthetic Aperture RADAR (SAR) Daten von Sentinel-1 (S1) verwendet, die weitgehend unabhängig von Sonneneinstrahlung und Wetterbedingungen sind. Jährli- che SAR-Komposite, welche die Monate Juni bis September abdecken, wurden mit einem Deep Learning (DL)-Ansatz und einer Change Vector Analysis (CVA)-Methode kombiniert, um sowohl ein qualitativ hochwertiges und zirkum-arktisches Küstenli- nienprodukt als auch ein Produkt für die Änderungsraten (Erosion und küstennahe Aggregation von Sedimenten) der Küste zu generieren. Jährliche Satelliten-Komposite in Form von der Standardabweichung (sd) und des Medians der SAR Rückstreuung wurden hierbei berechnet und als Eingabedaten sowohl für den DL-Ansatz als auch für die Quantifizierung der CVA-basierten Küstenänderung verwendet. Das endgül- tige DL-basierte Küstenlinienprodukt deckt insgesamt 161.600 km der arktischen Küstenlinie ab und wies eine Median-Abweichung von ±6,3 m gegenüber den ma- nuell digitalisierten Referenzdaten auf. Im Zuge der Quantifizierung von jährlichen Küstenveränderungen zwischen 2017 und 2021 konnten Erosionsraten von bis zu 67 m pro Jahr und basierend auf 400 m Küstenabschnitten identifiziert werden. Insgesamt wiesen 12,24% der untersuchten Küstenlinie eine durchschnittliche Erosionsrate von 3,8 m pro Jahr auf, was einer jährlichen erodierten Landfläche von 17,83 km2 entspricht. Mehrere Qualitäts-Datensätze, die beiden Produkten zugeordnet sind, wurden auf Pixelbasis bereitgestellt, um die Genauigkeit und Anwendbarkeit der präsentierten Daten, Methoden und Produkte weiter einordnen zu können. 
Darüber hinaus wurden die extrahierten zirkum-arktischen Erosionsraten als Grund- lage in einem experimentellen Ansatz verwendet, um die Menge an Permafrost-Verlust und Kohlenstofffreistzung als Konsequenz der erodierten Permafrost-Küsten abzu- schätzen. Dabei wurden Informationen zu Permafrost-Anteil, Active Layer Thickness (ALT), Höhenmodellen und der Menge an im Boden gespeichertem Kohlenstoff mit den oben genannten Erosionsraten kombiniert. Während der präsentierte experimentelle Ansatz einen wertvollen Ausgangspunkt für die Quantifizierung des Volumenverlusts von gefrorenem Boden und der Kohlenstofffreisetzung darstellt, ist eine umfassende Validierung der verwendeten Umweltprodukte und der resultierenden Volumenzah- len erforderlich. Zusätzlich werden für genauere Abschätzungen Daten mit höherer räumlicher Auflösung und Informationen zum Kohlenstoffgehalt für tiefere Bodentiefen benötigt.
KW  - Dauerfrostboden
KW  - Synthetische Apertur
KW  - Deep learning
KW  - Erosion
KW  - Satellit
KW  - Synthetic Aperture RADAR
KW  - Circumpolar
KW  - Arctic
KW  - Permafrost
KW  - Satellite Earth Observation
KW  - Change Vector Analysis
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-345634
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rödder, Tobias
T1  - Spatio-temporal assessment of dynamics in discontinuous mountain permafrost - Investigation of small-scale influences on the ground thermal regime and active layer processes during snow melt
T1  - Die raum-zeitliche Analyse der Dynamiken in diskontinuierlichem Gebirgspermafrost - Untersuchungen zu kleinräumigen Einflüssen auf Untergrundtemperaturen und Prozesse in der Auftauschicht während der Schneeschmelze
N2  - The discontinuous mountain permafrost zone is characterized by its heterogeneous distribution of frozen ground and a small-scale variability of the ground thermal regime. Large parts of these areas are covered by glacial till and sediments that were exposed after the recession of the glaciers since the 19th century. As response to changed climatic conditions permafrost-affected areas will lose their ability as sediment storage and on the contrary, they will act as source areas for unconsolidated debris. Along with modified precipitation patterns the degradation of the  discontinuous mountain permafrost zone will (temporarily)
increase its predisposition for mass movement processes and thus has to be monitored in a differentiated way.
Therefore, the spatio-temporal dynamics of frozen ground are assessed in this study based on results obtained in three glacier forefields in the Engadin (Swiss Alps) and at the Zugspitze (German Alps). Sophisticated techniques are required to uncover structural differences in the subsurface. Thus, the applicability of advanced geophysical methods is tested for alpine environments and proved by the good 3D-delineation of a permafrost body and by the detection of detailed processes in the active layer during snow melt. Electrical resistivity tomography (ERT) approaches (quasi-3D, daily monitoring) reveal
their capabilities to detect subsurface resistivity changes both, in space and time. Processes and changes in regard to liquid water content and ice content are observed to exist at short distances even though the active layer is not subject to a considerable thickening
over the past 7 years. The stability of the active layer is verified by borehole temperature data. No synchronous
trend is recognized in permafrost temperatures and together with multi-annual electrical resistivity data they indicate degradation and aggradation processes to occur at the same time. Different heat transfer mechanisms, especially during winter, are recognized by means of temperature sensors above, at, and beneath the surface. Based on surface and borehole temperature data the snow cover is assessed as the major controlling factor for the thermal regime on a local scale. Beyond that, the debris size of the substrate, which modifies the snow cover and regulates air exchange processes above the ground, plays a crucial role as an additional buffer layer. A fundamental control over the stability of local permafrost patches is attributed to the ice-rich transient layer at the base of the active layer. The refreezing of melt water in spring is illustrated with diurnal ERT monitoring data from glacier forefield Murtèl.
Based on these ERT and borehole temperature data a conceptual model of active layer processes between autumn and spring is developed. The latent heat that is inherent in the transient layer protects the permafrost beneath from additional energy input from the surface as long as the refreezing of melt water in spring prevails and sufficient ice is build up each spring. Permafrost sites without a transient layer show considerably higher
temperatures at their table and are more prone to degradation in the years and decades ahead. As main investigation area a glacier forefield beneath the summits of Piz Murtèl and Piz Corvatsch in the Swiss Engadin was chosen. It is located west of the well-known
rock glacier Murtèl. Here, a permafrost body inside and adjacent to the lateral moraine was investigated and could be delineated very well. In the surrounding glacier forefield no further indications of permafrost occurrence could be made. Geophysical data and temperature values from the surface and from a permafrost borehole were compared with long-term data from proximate glacier forefield Muragl (Engadin). Results from both
sites show a considerable stability of the active layer depth in summer while at the same time geophysical data demonstrate annual changes in the amount of liquid water content and ice content in the course of years.
A third investigation area is located in the German Alps. The Zugspitzplatt is a high mountain valley with considerably more precipitation and thicker snow cover compared to both Swiss sites. In close proximity to the present glacier and at a large talus slope beneath the summit crest ground ice could be observed. The high subsurface resistivity values and comparable data from existing studies at the Zugspitze may indicate the presence of sedimentary ice in the subsurface of the karstified Zugspitzplatt. Based on these complementary data from geophysical and temperature measurements as
well as geomorphological field mapping the development of permafrost in glacier forefields under climate change conditions is analyzed with cooperation partners from the SPCC project. Ground temperature simulations forced with long-term climatological data are modeled to assess future permafrost development in glacier forefield Murtèl. Results suggest that permafrost is stable as long as the ice-rich layer between the active layer and
the permafrost table exists. After a tipping point is reached, the disintegration of frozen ground starts to proceed rapidly from the top.
N2  - Die Zone des diskontinuierlichen Gebirgspermafrosts in den Europäischen Alpen ist durch das kleinräumige Auftreten von gefrorenem Untergrund und eine hohe Variabilität des thermischen Regimes gekenn\-zeichnet. Weite Bereiche dieser Zone sind mit glazialen Sedimenten und Felsschutt bedeckt, die mit dem Abschmelzen der Gletscher seit Mitte des 19.~Jahrhunderts freigelegt wurden. Im Zuge von klimatischen Veränderungen werden Gebiete, in denen Permafrost auftritt, ihre Funktion als Sedimentspeicher verlieren und stattdessen als Sedimentquelle für Lockermaterial wirken. Zusammen mit Änderungen im Niederschlagsregime kann sich dadurch die Disposition für Massenbewegungen (zeitweilig) erhöhen, so dass differenzierte Beobachtungsstrategien dieser lokalen Permafrostvorkommen erforderlich sind.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die raum-zeitliche Dynamik von Permafrost in drei Gletschervorfeldern im Engadin (Schweizer Alpen) und an der Zugspitze (Deutsche Alpen) untersucht. Um strukturelle Unterschiede im Untergrund zu erkennen ist der Einsatz von modernen, sich ergänzenden Techniken und Methoden unbedingt erforderlich. Mit der genauen dreidimensionalen Abgrenzung eines Permafrostkörpers sowie der Beobachtung von aktiven Prozessen während der Schneeschmelze in der Auftauschicht, konnte die Anwendbarkeit der geophysikalischen Methoden in unzugänglichem alpinen Gelände unter Beweis gestellt werden. Insbesondere die elektrische Widerstandstomographie (ERT), basierend auf einem quasi-3D Ansatz und einem täglichen Monitoring, erlaubt eine detaillierte Untersuchung von Widerstandsveränderungen (räumlich und zeitlich). Obwohl die Mächtigkeit der Auftauschicht über die letzten 7 Jahren kaum variierte, konnten Prozesse und Veränderungen im Permafrost beobachtet werden.

Die Stabilität der Auftauschicht im Untersuchungszeitraum wird durch Temperaturmessungen in den Bohrlöchern bestätigt. Die Permafrosttemperaturen zeigen einen gleichlaufenden Trend. Zusammen mit den mehrjährigen ERT-Daten unterstreicht dies die Variabilität in der Zusammensetzung des Untergrunds in Bezug auf den jeweiligen Anteil von flüssigem bzw. gefrorenem Wasser.

Mit Hilfe von Temperatursensoren oberhalb, auf und unterhalb der Erdoberfläche konnten verschiedene Wärmetransportprozesse, insbesondere im Winter, beobachtet werden. Auf Grundlage dieser Temperaturdaten wird die Schneedecke als der größte Einflussfaktor auf das thermische Regime des Untergrundes auf lokaler Ebene angesehen. Zusätzlich spielt die Größe des vorhandenen Schuttmaterials eine wesentliche Rolle, da zum einen die Schneedecke verändert und zum anderen die Luftaustauschprozesse an der Oberfläche stark reguliert werden. Dies bestätigt die bereits bekannte mikroklimatische Wirkung von grobem Blockschutt.

Maßgeblich für die Stabilität der Auftauschicht ist der eisreiche Übergangsbereich zwischen Auftauschicht und Permafrost. Tägliche ERT-Daten aus dem Gletschervorfeld Murtèl zeigen das Wiedergefrieren von Schmelzwasser in diesem Bereich im Frühjahr. Auf Grundlage von Bohrlochtemperaturen und ERT-Daten wurde ein konzeptionelles Modell der Prozesse innerhalb der Auftauschicht für den Zeitraum Herbst bis Frühjahr erstellt. So lange der Eiszuwachs im Frühjahr dominiert, schützt die eisreiche Schicht durch die ge\-speicherte latente Wärme den Permafrost vor zusätzlichem Wärmeeintrag. Standorte mit einem niedrigen Eisgehalt an der Permafrosttafel unterliegen damit in größerem Maße dem Einfluss des Wärmetransports und sind in den kommenden Jahren und Jahrzehnten stärker anfällig für Degradationserscheinungen.

Hauptuntersuchungsgebiet ist ein Gletschervorfeld unterhalb der Gipfel von Piz Murtèl und Piz Corvatsch im Schweizer Engadin westlich des gut untersuchten Blockgletscher Murtèl. Hier wurde ein Permafrostkörper am Rande bzw. innerhalb der Lateralmoräne untersucht und die Abgrenzung des Untergrundeises detektiert. Im übrigen Gletschervorfeld konnte Permafrost nicht nachgewiesen werden. Die geophysikalischen Daten und Temperaturdaten von der Oberfläche bzw.~aus einem Permafrostbohrloch wurden mit langjährigen Messreihen aus dem Gletschervorfeld Muragl (ebenfalls im Engadin) verglichen. Die Ergebnisse an beiden Standorten zeigen eine gewisse Stabilität der jährlichen Auftauschicht. Zur gleichen Zeit zeigen die geophysikalischen Ergebnisse Veränderungen im Verhältnis von flüssigen Wasser zu gefrorenem Eis im Untergrund an. 

Als drittes Untersuchungsgebiet wurde das Zugspitzplateau ausgewählt, ein alpines Hochtal mit deutlich mehr Niederschlag und größerer Schneedecke als an den beiden Standorten im Engadin. Hier konnten in unmittelbarer Nähe zum heutigen Gletscherrand und unter steilen Hangschuttkegeln durch Widerstandstomographie deutliche Hinweise auf Untergrundeis gegeben werden. Feldbeobachtungen und die bekannt hohen Widerstandswerte aus vergleichbaren Untersuchungen am Zugspitzgipfel lassen auf sedimentäres Eis im verkarsteten Untergrund schließen.

Abschließend wurde die zukünftige Entwicklung am Standort Murtèl anhand von Simulationsläufen, die auf langfristigen Energiebilanzdaten von regionalen Klimamodellen beruhen, abgeschätzt. Auf Basis der umfangreichen Daten aus den Geländemessungen und der geomorphologischen Kartierung, wurde mit Hilfe einer Sensivitätsanalyse mit Partnern aus dem SPCC-Projekt die Termperaturentwicklung im Permafrost modelliert. Die Ergebnisse zeigen eine kurzfristige Stabilität des Permafrosts bis ein kritischer Schwellenwert erreicht ist, der vermutlich mit dem Tauen der eisreichen Zone verbunden ist. Nachdem dieser Zeitpunkt überschritten ist, setzt sich die Permafrostdegradation rasch in die Tiefe fort.
KW  - Engadin
KW  - Zugspitze
KW  - Gletschervorfeld
KW  - Dauerfrostboden
KW  - Klimaänderung
KW  - Mountain permafrost
KW  - Geophysics
KW  - Ground surface temperature
KW  - Glacier forefield
KW  - Transient layer
KW  - Auftauschicht
KW  - Gebirgspermafrost
KW  - Gletschervorfeld
KW  - Untergrundtemperaturen
KW  - Geophysikalische Methoden
KW  - Schneeschmelze
KW  - Monitorüberwachung
KW  - Massenbewegung <Geomorphologie>
KW  - Sedimentation
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-90629
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TY  - THES
A1  - Schwindt, Daniel
T1  - Permafrost in ventilated talus slopes below the timberline - A multi-methodological study on the ground thermal regime and its impact on the temporal variability and spatial heterogeneity of permafrost at three sites in the Swiss Alps
T1  - Permafrost in ventilierten Hangschutthalden unterhalb der Waldgrenze – eine multi-methodische Studie zum thermalen Regime des Untergrundes und dessen Einfluss auf die zeitliche Variabilität und räumliche Heterogenität von Permafrost an drei Standorten in den Schweizer Alpen
N2  - In the central Alps permafrost can be expected above 2300 m a.s.l., at altitudes where mean annual air temperatures are below -1 °C. Isolated permafrost occurrences can be detected in north-exposed talus slopes, far below the timberline, where mean annual air temperatures are positive. Driving factors are assumed to be a low income of solar radiation, a thick organic layer with high insulation capacities as well as the thermally induced chimney effect. 
Aim of this study is to achieve a deeper understanding of the factors determining the site-specific thermal regime, as well as the spatially limited and temporally highly variable permafrost occurrences in vegetated talus slopes. 
Three supercooled talus slopes in the Swiss Alps were chosen for investigation. Substantially different characteristics were a central criterion in the selection of study sites. Located in the Upper Engadin, climatic conditions, altitude as well as dimensions of the talus slopes are comparable for the study sites Val Bever and Val Susauna; major differences are rooted in the nature of talus substrate and in humus- and vegetation distribution. Characteristics of the Brüeltobel site, located in the Appenzeller Alps, diverge with regard to climatic conditions, altitude and dimensions of the talus slope; humus- and vegetation compositions are comparable to the Val Susauna site.
Confirmation and characterisation of ground ice is accomplished by the application of electrical resistivity and seismic refraction tomography. The estimation of the spatial permafrost distribution is based on quasi-3D resistivity imaging. For the confirmation of permafrost and the analysis of its temporal variability electrical resistivity monitoring arrays were constructed and installed at all study sites, to allow year-round measurements. In addition to resistivity monitoring, the – up to now – first seismic refraction tomography winter monitoring was conducted at the Val Susauna to analyse the permafrost evolution during the winter half-year. Investigations of the ground thermal regime were based on the analysis of temperature logger data. Besides recording air- and ground surface temperatures, focus was set on the temperature evolution in vents and in the organic layer. To analyse the relationship between permafrost distribution on the one hand and humus- and vegetation distribution on the other hand, an extensive mapping of humus characteristics and vegetation composition was conducted at Val Susauna. 
The existence of permafrost could be proven at all study sites. Spatially, permafrost bodies show a narrow transition to neighbouring, unfrozen areas. As observed at Val Susauna, the permafrost distribution strongly correlates with areas with exceptionally thick organic layer, high percentages of mosses and lichens in the undergrowth and dwarf grown trees. The temporal variability of permafrost has proven to be exceptionally high, with the magnitude of seasonal variations distinctly exceeding intra-annual changes. Thereby, the winter season is characterised by a significant supercooling. During snowmelt a growth in volumetric ice content is induced by refreezing of percolating meltwater on the supercooled talus. 
The results confirmed the fundamental influence of the chimney effect on the existence and temporal variability of permafrost in talus slopes. Divergences in the effectiveness of the thermal regime were detected between the study sites. These are based on differences in the nature of talus material, humus characteristics and vegetation composition.
During summer, the organic material is usually dry at the daytime, inducing a high insulation capability and a protection of the subsurface against high atmospheric temperatures. Bouldery talus slopes typically show an organic layer that is fragmented by large boulders, which induces a strongly reduced insulation capability and allows an efficient heat exchange by convective airflow and percolating precipitation water. In the winter half-year, the thermal conductivity of the organic layer increases massively under moist or frozen conditions, allowing an efficient, conductive cooling of the talus material. The convective cooling in bouldery talus slopes affects an earlier onset and a higher magnitude of supercooling than under consistent humus conditions. Here, conductive heat flow is dominant and the cooling in autumn is buffered by a prolonged zero curtain. The snow cover has proven to be incapable of prohibiting an efficient supercooling of the talus slope in winter, almost independent from thickness.
N2  - In den zentralen Alpen kann oberhalb einer Höhe von 2300 m ü NN, bei mittleren Jährlichen Lufttemperaturen von weniger als -1 °C mit Permafrost gerechnet werden. Isolierte Permafrostvorkommen können jedoch in nordexponierten Hangschutthalden bei positiven Jahresmitteltemperaturen bis weit unterhalb der Waldgrenze gefunden werden. 
Ziel dieser Arbeit ist es ein tieferes Verständnis des Faktorenkomplexes zu erreichen, der das standortspezifische, kleinräumige thermale Regime bedingt und damit die räumlich begrenzten, zeitlich hochvariablen Permafrostvorkommen in Hangschutthalden unterhalb der Waldgrenze steuert und ermöglicht.
Drei unterkühlte Hangschutthalden in den Schweizer Alpen wurden zur Untersuchung ausgewählt. Bei der Auswahl wurde im Speziellen auf fundamentale Unterschiede der Standortfaktoren Wert gelegt. Im Unterengadin gelegen sind die klimatischen Bedingungen, Höhenlage sowie die Dimensionen der Hangschutthalden an den Standorten Val Bever und Val Susauna vergleichbar; Eigenschaften des Hangschuttes, Charakteristik der organischen Auflage sowie der Vegetation unterscheiden sich. Der in den Appenzeller Alpen gelegenen Standort Brüeltobel unterscheidet sich in Bezug auf die klimatischen Bedingungen, der Höhenlage und der Ausmaße der Hangschutthalde deutlich, zeigt jedoch eine zum Val Susauna ähnliche Humus- und Vegetationscharakteristik. 
Der Nachweis und die Charakterisierung von Untergrundeis basiert auf der Kombination von elektrischer Widerstandstomographie und seismischer Refraktionstomographie. Zur Detektion der räumlichen Verbreitung von Untergrundeis wurden diese Methoden durch quasi-3D Widerstandstomographie ergänzt. Zum Nachweis von Permafrost und zur Analyse seiner zeitlichen Variabilität wurden Monitoringauslagen konstruiert und an den Standorten fest installiert. Widerstandsmessungen wurden ganzjährig durchgeführt. In Ergänzung zu dem Widerstandsmonitoring wurde im Val Susauna erstmalig seismische Refraktionstomographie zum Monitoring der Permafrostentwicklung im Winter durchgeführt. Die Analyse des thermalen Regimes basiert auf der Analyse von Temperaturlogger Daten. Dabei wurden neben Luft- und Bodentemperaturen vor allem die Temperaturentwicklung in den Schloten sowie in der Humusauflage berücksichtigt. Zur Untersuchung des Zusammenhangs der Permafrostverbreitung mit der Humus- und Vegetationscharakteristik wurde im Val Susauna eine Kartierung der Humuseigenschaften sowie der Vegetationszusammensetzung durchgeführt. 
An allen untersuchten Standorten konnte Permafrost nachgewiesen werden. Räumlich sind die Permafrostkörper sehr scharf von benachbarten Hangbereichen abgegrenzt. Am Standort Val Susauna konnte ein hoher räumlicher Zusammenhang zwischen der Permafrostverbreitung und Bereichen mit besonders mächtiger Humusauflage, einem hohen Anteil an Moosen und Flechten im Unterwuchs sowie einem ausgeprägtem Zwergwuchs nachgewiesen werden. Die zeitliche Variabilität des Permafrost hat sich an allen Standorten als außergewöhnlich hoch herausgestellt. Dabei übersteigt die Magnitude der saisonalen Variabilität die mehrjährigen Veränderungen deutlich. Das Winterhalbjahr zeigt sich durch eine effiziente Unterkühlung geprägt. Die Schneeschmelze im Frühling steht in Verbindung mit einem deutlichen Eiszuwachs, der durch ein wiedergefrieren des versickernden Schmelzwassers an dem unterkühlten Hangschutt verursacht wird. 
Die Ergebnisse haben den fundamentalen Einfluss des Chimney Effekt auf die Existenz und zeitliche Variabilität von Permafrost in Hangschutthalden bestätigt. Unterschiede in der Wirkungsweise des thermalen Regimes konnten herausgestellt werden, die in erster Linie auf die unterschiedliche Ausprägung der Humusauflage, Charakteristik des Hangschutts, und die Vegetationszusammensetzung zurückzuführen sind. 
Während des Sommers ermöglicht die sehr geringe thermische Leitfähigkeit der im oberflächennahen Bereich meist recht trockenen organischen Auflage eine ausgeprägte Isolation des Untergrundes gegenüber hohen Außentemperaturen. Die in grobblockigen Hangschutthalden zu findende ungleichmäßige, von Blockmaterial fragmentierte organische Auflage zeigt eine deutlich geringere Isolationsfähigkeit und ermöglicht einen effektiven, Wärmeaustausch durch Konvektion und perkolierendes Niederschlagswasser. Im Winterhalbjahr steigt die thermische Leitfähigkeit des organischen Materials unter durchfeuchteten sowie gefrorenen Bedingungen massiv an und ermöglicht eine effiziente Auskühlung der Hangschutts. Die Unterkühlung in grobblockigen Hangschutthalden zeigt aufgrund des auch im Winter ausgeprägten konvektiven Wärmeflusses eine höhere Magnitude und ein früheres Einsetzen als bei homogenen Humusauflagen, wo konduktiver Wärmefluss dominiert und eine Auskühlung im Herbst durch eine ausgeprägte zero-curtain Periode gepuffert wird. Der Einfluss der Schneedecke auf das thermale Regime ist insgesamt gering; ihre Isolationsfähigkeit ist, annähernd unabhängig von der Schneemächtigkeit, stark reduziert.
KW  - Engadin
KW  - Schutthalde
KW  - geophysical monitoring
KW  - Val Bever Val Susauna Brüeltobel
KW  - 3D-ERT electrical resistivity tomography
KW  - SRT seismic refraction tomography
KW  - ERT electrical resistivity tomography
KW  - chimney effect
KW  - humus cover organic material
KW  - ground thermal regime
KW  - scree slope
KW  - sporadic alpine permafrost
KW  - Dauerfrostboden
KW  - Monitorüberwachung
KW  - Permafrost
KW  - Geophysics
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-90099
ER  -