Skalenübergreifende Charakterisierung von polaren Permafrost-Landschaften mittels Flugzeug- und Satellitengestützen Daten und geophysikalischen in-situ Messungen
Geodäsie, Photogrammetrie, Fernerkundung, Geoinformatik, Kartographie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die nördlichen Breiten der Arktis haben sich in den letzten Jahrzehnten erheblich erwärmt, und Klimaprojektionen deuten auf einen weiteren Anstieg der Temperaturen hin. Die sich ändernden Klimabedingungen führen zu vielfältigen Änderungen im Öko- und Geosystem, z. B. dem Verlust von dauerhaft gefrorenem Boden, einer Zunahme des active layers, einer zunehmenden Häufigkeit von Bränden, Veränderungen der geomorphologischen Dynamik, einer veränderten Zusammensetzung der Vegetation, Veränderungen des hydrologischen Systems, gefolgt von veränderten Treibhausgasflüssen und -konzentrationen. Um solche Veränderungen in Zukunft besser vorhersagen zu können, ist es wichtig, die Wechselwirkungen zwischen Oberflächen- und Untergrundeigenschaften zu verstehen. Das Projekt konzentrierte sich auf die Bewertung solcher Beziehungen auf verschiedenen räumlichen Skalen. Es wurde ein kombinierter Ansatz aus verschiedenen Fernerkundungs-, geophysikalischen und anderen In-situ-Methoden verwendet, um wichtige Oberflächen- und Untergrundmerkmale entlang eines Nord-Süd-Transekts in der Mackenzie-Delta-Region (Kanada) abzuleiten. Methoden der satelliten-gestützten Erdbeobachtung konzentrierten sich hierbei auf die Identifizierung und Quantifizierung der langfristigen zeitlichen Dynamiken, insbesondere auf der Grundlage einer Analyse des Landsat-Archivs (1985 bis heute), sowie auf detaillierte hochauflösende Drohnen- und Luftaufnahmen zur Oberflächencharakterisierung auf verschiedenen räumlichen Skalen. Die Strukturen des Untergrunds konnten mit Hilfe der mehrdimensionalen elektrischen Widerstandstomographie (ERT), des Georadars (GPR) und direkter Messungen des active layers abgeleitet werden. Um auch die zeitlichen Schwankungen der thermischen und hydrologischen Bedingungen zu erfassen, wurden Temperatur und oberflächennahe Bodenfeuchte über einen Zeitraum von vier Jahren an mehreren Standorten mit Hilfe von Instrumenten vor Ort (d. h. Loggern) gemessen. Der fernerkundungsbasierte Ansatz ermöglichte eine großräumige Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften und der Vegetation in der gesamten Mackenzie-Delta-Region und lieferte eindeutige Informationen über Vegetationsveränderungen und Ausbreitung von Sträuchern, insbesondere in den nördlichen Regionen des Untersuchungsgebietes. Der bodengestützte Ansatz ermöglichte die Ableitung von kleinräumigen Heterogenitäten im Untergrund, die deutlicher erscheinen als bisher angenommen. Diese hohe kleinräumige Heterogenität macht es schwierig, konkrete Zusammenhänge zwischen Parametern der Oberfläche und des Untergrunds zu bestimmen. Diese zeigen sich eher kleinräumig an einzelnen Standorten, aber nicht einheitlich auf großräumiger Ebene. In kleinerem Maßstab wurden mit dem gleichen methodischen Ansatz auch hochauflösende dreidimensionale Untersuchungen einzelner periglazialer Landformen durchgeführt. Dabei ergaben dreidimensionale ERT-Messungen starke Heterogenitäten auch innerhalb zweier Pingos. Die Ergebnisse - die unseres Wissens nach die ersten hochauflösenden, dreidimensionalen Informationen über interne Pingostrukturen darstellen - zeigen deutliche Abweichungen zu bisherigen Theorien und werfen einige Fragen zur Pingobildung im Allgemeinen, bzw. in dieser Region, auf. Eine zusätzliche Untersuchung der Untergrundheterogenitäten in der Nähe eines retorgressive thaw slumps lieferte neue Erkenntnisse über die Beziehungen zwischen der Topographie der Permafrosttafel, der Hydrologie, den Permafrosteigenschaften, sowie der räumlichen und zeitlichen Entwicklung des retorgressive thaw slumps.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Multi-Scale Characterization of Polar Permafrost Landscapes by Airborne and Satellite Remote Sensing and In-Situ Geophysical Measurement. Conference Presentation & Conference Proceedings. EUCOP5, Chamonix Mt. Blanc, France, 23 June - 01 July 2018
Ullmann, T., Kneisel, C., Baumhauer, R., Sobiech-Wolf, J. & Dierking, W.
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Assessing Spatiotemporal Variations of Landsat Land Surface Temperature and Multispectral Indices in the Arctic Mackenzie Delta Region between 1985 and 2018. Remote Sensing, 11(19), 2329.
Nill, Leon; Ullmann, Tobias; Kneisel, Christof; Sobiech-Wolf, Jennifer & Baumhauer, Roland
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Multi-methodological investigation of permafrost related landforms in the NWT, Canada. Poster Presentation. 13th International Young Geomorphologists Meeting, 2019, Wolfshausen, Germany
Kunz, J., Kneisel, C., Ullmann, T. & Baumhauer, R.
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Preliminary Results on TerraSAR-X Time Series Analyses (2018-2019) of Polarimetric and InterferometricFeatures in the Mackenzie Delta Region (Canadian Arctic). Poster Presentation. TerraSAR-X / TanDEM-X Science Team Meeting, DLR Oberpfaffenhofen, Germany, 21-24 October 2019
Ullmann, T., Sobiech, J. & Baumhauer, R.
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Multi-methodological investigation of a retrogressive thaw slump in the Richardson Mountains, Northwest Territories, Canada. Copernicus GmbH.
Kunz, Julius; Kneisel, Christof; Ullmann, Tobias & Baumhauer, Roland
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Multi-methodological three-dimensional investigation of a closed-system Pingo in Northwestern Canada. Pico Presentation. EGU General Assembly, 2021, Vienna, Austria
Kunz, J. & Kneisel, C.
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Three-dimensional investigation of a broad-based closedsystem pingo on the Tuktoyaktuk Peninsula, Northwest Canada. Oral presentation. 2021 Regional Conference on Permafrost & 19th International Conference on Cold Regions Engineering, virtual conference. Winner of PYRN Best Presentation Award
Kunz, J. & Kneisel, C.
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Three‐dimensional investigation of an open‐ and a closed‐system Pingo in northwestern Canada. Permafrost and Periglacial Processes, 32(4), 541-557.
Kunz, Julius & Kneisel, Christof
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Arctic shrub expansion revealed by Landsat-derived multitemporal vegetation cover fractions in the Western Canadian Arctic. Remote Sensing of Environment, 281, 113228.
Nill, Leon; Grünberg, Inge; Ullmann, Tobias; Gessner, Matthias; Boike, Julia & Hostert, Patrick
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Land cover fractions across the greater Mackenzie Delta Region, Canada
Nill, L., Grünberg, I., Ullmann, T., Gessner, M., Boike, J. & Hostert, P.
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Three-dimensional subsurface architecture and its influence on the spatiotemporal development of a retrogressive thaw slump in the Richardson Mountains, Northwest Territories, Canada. Arctic, Antarctic, and Alpine Research, 55(1).
Kunz, Julius; Ullmann, T.; Kneisel, C. & Baumhauer, R.
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Three-dimensional subsurface architecture and its influence on the spatiotemporal development of a retrogressive thaw slump in the Richardson Mountains, NWT, Canada. Poster Presentation. AK Permafrost, 2022, Kaprun, Austria.
Kunz, Julius; Ullmann, T.; Kneisel, C. & Baumhauer, R.
