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 - TY - THES A1 - Emmert, Adrian Alexander T1 - The Internal Structure of Periglacial Landforms - Assessments of Subsurface Variations in Permafrost-related and Frost-related Phenomena by Multi-dimensional Geophysical Investigations T1 - Der innere Aufbau Periglazialer Landformen N2 - The internal structure of periglacial landforms contains valuable information on past and present environmental conditions. To benefit from this archive, however, an enhanced understanding of subsurface variations is crucial. This enables to assess the influence of the internal structure on prevailing process regimes and to evaluate the sensitivity of different landform units to environmental changes. This thesis investigates structural variations in the subsurface of (i) rock glaciers,(ii) solifluction lobes, (iii) palsas/ lithalsas and (iv) patterned ground, which occur between the different landform types, but also between landform units of the same type. Investigated variables comprise (i) the spatial distribution of permafrost, (ii) ground ice content, (iii) the origin of ground ice, (iv) thickness of the active layer and (v) frost table topography. Multi-dimensional investigations by the geophysical methods Electrical Resistivity Imaging (ERI) and Ground-Penetrating Radar (GPR) were performed in six study areas (a–f): four of them are located in high-alpine environments in Switzerland and two of them are located in the subarctic highlands of Iceland. Additionally, surface and subsurface temperature values were continuously recorded at selected study sites. At one study site, pF-values, representing the matric potential (or water potential), were recorded. From a methodological view, this thesis focuses on the application of quasi-3-D ERI, an approach in which many two-dimensional data sets are combined to create one three-dimensional data set. This permits e.g., a three-dimensional delimitation of subsurface structures and a spatial investigation of the distribution of ground ice. Besides the analysis of field data, this thesis incudes a comparison between inversion models produced with different software products, based on two synthetic data sets. The detection of resistivity structures and reflection patterns provides valuable insights into the internal structure of the investigated landform units: At the high-alpine study site at (a) Piz Nair, a highly variable ice content indicates a complex development of the investigated rock glacier assembly. The local formation of ground ice is attributed to an embedding of surface patches of snow or ice into the subsurface by rockfall. Results of geoelectric monitoring surveys on selected rock glaciers show the influence of seasonal alterations in the internal structure on subsurface meltwater flow. At the study site at (b) Piz Üertsch, results indicate the occurrences of isolated ground ice patches in a significantly larger rock glacier. Detected characteristics of the internal structure enable to reconstruct the development of the rock glacier, in which a temporary override of an adjacent glacier tongue on the rock glacier is considered crucial for the current distribution of ground ice. However, results of this thesis clearly show the absence of buried glacier ice in the subsurface of the rock glacier. Results from a rock glacier near the (c) Las Trais Fluors mountain ridge affirm the existence of a water-permeable frozen layer, which was assumed in previous studies. Furthermore, results show that the rock glacier contains large amounts of rockfall deposits. A joint interpretation of ERI and GPR results from the investigated scree slope at the mountain (d) Blauberg (Furka Pass) reveals characteristic structures in the subsurface, which enable a differentiation between solifluction lobes and pebbly rock glaciers. At the subarctic study site (e) Orravatnsrústir, results show that the internal structure of palsas can be used to deduce their current development stage and to assess past and future developments. Presented results affirm a long history of palsa development at the study site, as assumed in previous studies, but indicate recently changing environmental conditions. The investigated occurrences of patterned ground in the proglacial area of the glacier (f) Hofsjökull are currently not influenced by the detected occurrence of permafrost, according to the presented results. Therefore, a temporary formation of pattered ground is assumed, which is linked to the retreat of the glacier. This thesis shows discrepancies between the internal structure of some of the investigated landform units and the recent environmental conditions. This indicates a delayed adaption and a low sensitivity of the landform units to environmental changes. Findings indicate that the future development of permafrost will be strongly affected by variations in snowfall. Furthermore, the detection of isolated occurrences of ground ice at several study sites contradicts the widely assumed effectivity of balancing heat fluxes to create homogenous subsurface conditions in relatively fine-grained subsurface materials. N2 - Der strukturelle Aufbau periglazialer Landformen beinhaltet wertvolle Informationen über vergangene und heutige Umweltbedingungen. Um diese Informationen nutzen zu können, muss jedoch ein vertieftes Verständnis für den Zustand der inneren Struktur und möglicher Variationen entwickelt werden. Dieses Wissen ermöglicht beispielsweise eine Abschätzung des Einflusses der inneren Struktur auf das momentan dominierende Prozess-Regime und eine Beurteilung der Sensitivität gegenüber sich verändernden Umweltbedingungen. Die vorliegende Arbeit untersucht Unterschiede im Aufbau von (i) Blockgletschern, (ii) Solifluktionsloben, (iii) Palsas/ Lithalsas und (iv) Frostmusterböden, die zwischen den Landformtypen, aber auch zwischen einzelnen Einheiten desselben Typs bestehen. Betrachtet werden dabei (i) die räumliche Verbreitung von Permafrost,(ii) der Eisgehalt im Untergrund, (iii) die Entstehung von Untergrundeis, (iv) die Mächtigkeit der Auftauschicht sowie (v) die Formung der Frosttafel. In sechs Untersuchungsgebieten (a–f), davon vier in Hochgebirgsregionen der Schweiz und zwei im subarktischen Hochland Islands, wurden Untersuchungen mittels mehr-dimensionaler geophysikalischer Verfahren, Widerstandsgeoelektrik (ERI) und Bodenradar (GPR), durchgeführt. Zudem wurden an ausgewählten Standorten kontinuierlich Temperaturwerte der Oberfläche und des Untergrunds aufgezeichnet. An einem Standort wurden ergänzend pF-Werte, die die Saugspannung des Porenwassers angeben, aufgezeichnet. Methodischer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Anwendung von quasi-3-D ERI, einem Ansatz bei dem Datenpunkte mehrerer zweidimensionaler Datensätze zu einem dreidimensionalen Datensatz vereinigt werden. Dies erlaubt beispielsweise eine dreidimensionale Abgrenzung von Untergrundstrukturen und damit eine räumliche Untersuchung der Verbreitung von Untergrundeis. Ergänzend zur Arbeit mit Felddaten enthält die vorliegende Arbeit einen Vergleich zwischen Inversionsmodellen, die auf Basis von zwei identischen, synthetischen Datensätzen mit unterschiedlichen Softwareprodukten generiert wurden. Durch die Detektion von Widerstandsstrukturen und Reflektionsmustern lassen sich wertvolle Erkenntnisse über den strukturellen Aufbau der untersuchten Einheiten gewinnen: Im hochalpinen Untersuchungsgebiet am (a) Piz Nair weisen stark schwankende Eisgehalte auf eine komplexe Entwicklungsgeschichte der untersuchten Blockgletschergruppe hin. Die lokale Entstehung von Untergrundeis wird auf Verschüttungen oberflächlicher Schnee- oder Eisfelder durch Steinschlag zurückgeführt. An einem Blockgletscher der Gruppe wird mittels geoelektrischer Wiederholungsmessungen der saisonale Einfluss der inneren Struktur auf den Schmelzwasserabfluss im Untergrund durch Veränderungen der Permafrosttafel gezeigt. An einem deutlich größeren Blockgletscher im Untersuchungsgebiet am (b) Piz Üertsch zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit isolierte Vorkommen von Untergrundeis. Hier kann anhand der inneren Struktur die Entwicklung des Blockgletschers nachvollzogen werden, wobei insbesondere eine zeitweilige Überdeckung des Blockgletschers durch eine benachbarte Gletscherzunge als ausschlaggebend für die lokale Verteilung von Untergrundeis angesehen wird. Die Ergebnisse zeigen, dass kein Gletschereis in den Block gletscher eingebettet wurde. Die vorgestellten Ergebnisse der Untersuchungen an einem Blockgletscher nahe des Bergkamms (c) Las Trais Fluors bestätigen die dort in vorherigen Studien angenommene Wasserdurchlässigkeit der Frosttafel. Zudem zeigt der Aufbau des Blockgletschers das Auftreten großer Mengen von Steinschlagablagerungen. Am untersuchten Schutthang am (d) Blauberg (Furkapass) können durch eine gemeinsame Auswertung der Ergebnisse von ERI und GPR charakteristische Strukturen detektiert werden, durch die sich die dort auftretenden Lobenstrukturen in Solifluktionsloben und Feinmaterial-Blockgletscher (Pebbly Rock Glaciers) unterscheiden lassen. Im subarktischen Untersuchungsgebiet (e) Orravatnsrústir zeigen die Ergebnisse, dass vom strukturellen Aufbau von Palsas auf deren gegenwärtiges Entwicklungsstadium geschlossen werden kann und dass Rückschlüsse auf vergangene und zukünftige Entwicklungen möglich sind. Die vorgestellten Ergebnisse bestätigen die in vorherigen Studien getroffene Annahme einer lange zurückreichenden Entwicklungsgeschichte der Palsas, weisen aber auch auf sich seit kurzem verändernde Umweltbedingungen hin. Die untersuchten Frostmusterböden im Gletschervorfeld des (f) Hofsjökull zeigen gegenwärtig keine Beeinflussung durch Permafrost, obwohl ein rezentes Vorkommen von Permafrost angenommen wird. Daher wird eine temporäre Bildung der untersuchten Oberflächenstrukturen angenommen, die an den Rückzug des Gletschers gebunden ist. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die innere Struktur einiger der untersuchten Landform-Einheiten Diskrepanzen zu den momentanen Umweltbedingungen aufweist. Dies deutet auf eine geringe Sensitivität, beziehungsweise eine verzögerte Anpassung der Landschaftsformung auf sich verändernde Umweltbedingungen hin. Des Weiteren zeigt die vorliegende Arbeit, dass besonders Veränderungen im Schneedeckenauf- und abbau wesentlich zur zukünftigen Entwicklung von Permafrost in den untersuchten Gebieten beitragen werden. Die Beobachtung isolierter Vorkommen von Untergrundeis in mehreren Untersuchungsgebieten steht in Kontrast zur verbreiteten Annahme, dass die ausgleichende Wirkung von Wärmeströmen im Untergrund in feinkörnigem Material besonders stark ist N2 - Periglacial environments are facing dramatic changes. Warming air temperatures and strong snow cover variations fundamentally affect landforming processes in this hotspot region of Climate Change. But before we can assess the response of landform development to a changing climate, we need to enhance our understanding of the internal structure of those landforms. Within this study, a broad scope of landform types from alpine and subarctic regions is investigated: rock glaciers, solifluction lobes, palsas and patterned ground. By using the geophysical methods 2-D and 3-D ERI, as well as GPR surveying, structural differences and similarities between landform units of different or the same landform types are highlighted. This enables a reconstruction of their past and a projection of their future development. KW - Permafrost KW - Geophysik KW - permafrost KW - internal structure KW - applied geophysics KW - periglacial landform Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-202437 SN - 978-3-95826-138-9 SN - 978-3-95826-139-6 N1 - Parallel erschienen als Druckausgabe in Würzburg University Press, 978-3-95826-138-9, 34,90 EUR. PB - Würzburg University Press CY - Würzburg ET - 1. Auflage ER - 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 -