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Skalenübergreifende Charakterisierung von polaren Permafrost-Landschaften mittels Flugzeug- und Satellitengestützen Daten und geophysikalischen in-situ Messungen

Im Lauf der letzten Dekaden wurde für große Teile der Arktis eine signifikante Erwärmung der Erdoberfläche und des oberflächennahen Untergrunds beobachtet. Deren Folgen zeigen sich bereits heute - beispielsweise in einer Ausbreitung der Buschvegetation und einer Vertiefung der saisonalen Auftauschicht. In Anbetracht der Bedeutung von Änderungen in Permafrostregionen für Umwelt, Infrastruktur und Klimasystem besteht ein dringender Bedarf, Parameter dieses Raumes großflächig zu bestimmen und kontinuierlich zu überwachen. Durch die Weite und spärlichen Besiedelung der Arktis sind diese Umweltdaten jedoch nur unzureichend verfügbar und ihre Erhebung ist kostenintensiv. In diesem Kontext können fernerkundliche Daten einen wichtigen Beitrag leisten; Flugzeug- und Satellitengestützte Systeme ermöglichen eine effiziente und flächendeckende Aufnahme von Oberflächeneigenschaften. Ziel des Projekts ist die Identifizierung und Quantifizierung von Zusammenhängen zwischen Eigenschaften der Erdoberfläche, welche durch Fernerkundung abgeleitet werden können, und Eigenschaften des Untergrunds, die den Zustand von Permafrostgebieten charakterisieren. Basierend auf diesen Ergebnissen ist ein weiteres Ziel die Erstellung von konzeptionellen Modellen, welche die Verschränkung und Verbindung von Umwelt-Parameter zeigen. Die Arbeiten werden in einem skalenübergreifenden Multi-Sensor-Ansatz durchgeführt. Der Fokus wird dabei auf die Identifizierung der Kopplungen zwischen Oberfläche und Untergrund, sowie auf den Einfluss des Betrachtungsmaßstabs gelegt. Als fernerkundliche Daten stehen zur Verfügung: (1) grob aufgelöste optische und thermische Satellitendaten, (2) mittel-aufgelöste Radar- und Multi-Spektraldaten und (3) hoch-aufgelöste Thermal-, Hyperspektral- und Laserscanner-Daten von regionalen Befliegungen. Die Charakterisierung des Untergrunds erfolgt mittels (1) geomorphologischer Kartierung, (2) Zeitreihen-Analyse der Temperatur und Bodenfeuchte aus abgeteuften Sensoren, (3) Ground Penetrating Radar (GPR) und (4) elektrischen Widerstandsmessungen. Fernerkundliche Daten der Erdoberfläche und geophysikalische Daten zum Untergrund werden mit multivariaten statistischen Methoden analysiert - mit dem Ziel Zusammenhängen zwischen Oberflächen- und Untergrund-Parametern des periglazialen Systems zu identifizieren und zu quantifizieren. Als Untersuchungsgebiete wurden die Mackenzie Delta Region und das Peel Plateau identifiziert. Beide Regionen liegen in Nord Kanada und zeigen innerhalb geringer Distanzen verschiedenartige, durch Permafrost geprägte Ökosysteme. Zudem stehen durch Vorstudien Daten zur Verfügung; zum einen Referenzdaten von Feld-Kampagnen und zum anderen Satellitenbilder verschiedener Sensoren. Darüber hinaus wird vom Alfred Wegener Institut eine Befliegung dieser Gebiete geplant und finanziert. Das Flugzeug wird mit einer vielfältigen Instrumentenauswahl bestückt; u. a. ein flugzeuggetragenes GPR, ein Laserscanner und eine hyperspektral Kamera.

Analyse der geoökologischen Steuerungsfaktoren für die Verbreitung von Waldstandorten und diskontinuierlichem Permafrost unter den Einflüssen von Waldbränden, Waldnutzung und Klimaentwicklung in den Waldsteppen der zentralen Mongolei

Trockenphasen, Waldbrände und nicht-nachhaltige Nutzung haben in den letzten Jahrzehnten zu einem erheblichen Verlust an Waldfläche in der Mongolei geführt. Dieser weiterhin fortschreitende Verlust verläuft nicht gleichförmig. Es ist eine deutliche Differenzierung durch verschiedene Faktoren erkennbar, insbesondere durch Topographie, Hydrologie, Permafrost, Bodeneigenschaften und anthropogene Einflüsse. Dieses Projekt zielt auf die Identifikation der Kausalzusammenhänge zwischen der Konstellation der an einem Standort wirksamen geoökologischen und anthropogenen Faktoren einerseits und den Mustern des diskontinuierlichen Permafrosts, der Waldverbreitung, des Auftretens von Waldbränden und der Sukzession der Vegetation nach einem Brand (zurück zu Wald oder aber zu Steppe) andererseits ab. Dabei werden auch gegenseitige Wechselwirkungen (z. B. Permafrost - Wald / Wald - Permafrost) berücksichtigt. Anhand von sechs Hypothesen werden die zugrundeliegenden Kausalketten mittels einer Kombination verschiedener methodischer Ansätze analysiert. Die aktuelle Faktorenkonstellation wird über geomorphologische und bodenkundliche Kartierungen, Vermessung der Verbreitung und Tiefenlage des Permafrosts mittels Georadar, Vegetationsaufnahmen, Analyse von Fernerkundungsdaten, Reliefparametrisierung und Biomassebestimmung erfasst. Im gewählten Untersuchungsgebiet im nördlichen Khangai-Gebirge, zwischen der Ortschaft Tosontsengel im Norden und dem Khangai-Hauptkamm im Süden, treten regelmäßig Waldbrände auf. Seit Mitte des letzten Jahrhunderts erfolgt intensiver Holzeinschlag. In natürlichen und anthropogen genutzten Wäldern sowie auf Waldbrandflächen werden die Nutzungs- und Waldbrandgeschichte, Bodeneigenschaften, Tiefenlage des Permafrostes, Hydrologie und Vegetation analysiert. Holzkohle, fossile Böden und äolische Decksedimente dienen in Kombination mit Lumineszenz- und Radiokarbondatierungen zur Rekonstruktion der Wald- und Landschaftsgeschichte in der Zeit vor den intensiven anthropogenen Eingriffen. Diese Rekonstruktion wird zur Ermittlung des Ausmaßes des menschlichen Einflusses innerhalb des Wirkungsgefüges der verschiedenen wirksamen Faktoren auf die Vegetationsmuster herangezogen. Im nächsten Schritt werden die erfassten geoökologischen Parameter geostatistisch ausgewertet. Dabei werden Klima-, Gesteins-, Boden- und Reliefeinflüsse (Exposition, Hangposition, Reliefform etc.) auf Vegetationsmuster herausgearbeitet und auf der Basis von Digitalen Geländemodellen und multispektralen Satellitenszenen flächenhaft modelliert. Anschließend wird geprüft, wie sich diese Ergebnisse mit Satellitendaten mittlerer Auflösung in einen größeren räumlichen Kontext übertragen lassen. Auf Basis der identifizierten Kausalzusammenhänge werden Gebiete mit entsprechenden Gefährdungspotentialen in Bezug auf Trockenstress, Brandgefahr und Sukzessionsbarrieren für fragmentierte Waldstandorte ausgewiesen und Prognosen für die weitere Vegetations- und Permafrostentwicklung erstellt.

Forschungsgruppe FOR 2793: Sensitivity of High Alpine Geosystems to Climate Change Since 1850 (SEHAG), Auswirkungen des Klimawandels auf hydrologische Prozesse in hochalpinen Einzugsgebieten

Die Häufigkeit und das Ausmaß extremer hydrologischer Ereignisse werden höchstwahrscheinlich durch den Klimawandel verstärkt. Hochalpine Einzugsgebiete sind besonders sensible Räume, da diese Regionen der Hydrosphäre stark durch Veränderungen im Temperatur- und Niederschlagsregime beeinflusst werden. Die starke Kopplung zwischen der Hydrologie und weiteren Komponenten der Geosystem in hoch gelegenen Einzugsgebieten erfordert eine detaillierte Beschreibung der ablaufenden hydrologischen Prozesse. Dieser Umstand rechtfertigt die Einrichtung dieses Teilprojekts der im Rahmen des SEHAG Projektes (Sensitivity of high Alpine geosystems to climate change since 1850) beantragten Forschergruppe. Die Innovation der vorgeschlagenen Forschungsrichtung liegt in der Untersuchung der Veränderungen in der Hydrosphäre zwischen 1850 und 2050 und wie diese mit den übrigen Komponenten der Geosystem in hochalpinen Lagen interagieren. Insbesondere werden wir gründliche Zeitreihenanalysen zur Untersuchung der Korrelation zwischen Klimawandel und den Jährlichkeiten extremer hydrologischer Ereignisse (z.B.: zeitliche Verteilung von Niederschlagsereignissen innerhalb eines Jahres und Einsetzen der Schnee- und Gletscherschmelze) durchführen. Daneben wollen wir verifizieren ob es möglich ist die Qualität der hydrologischen Modelle für hochalpine Einzugsgebiete durch 'multi-objective' Kalibrierungsansätze zu verbessern. Archive spielen dabei eine wichtige Rolle als Datenquelle zur Rekonstruktion der meteorologischen Bedingungen der Vergangenheit. Außerdem ermöglicht die Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten die Kalibrierung des hydrologischen Modells, sowohl gegen den Abfluss, als auch gegen Permafrost- sowie Schnee- und Gletschermessungen. Darüber hinaus werden uns die geplanten experimentellen Messungen erlauben die 'multi-objective' Kalibrierung auf weitere Parameter, wie die elektrische Leitfähigkeit des Abflusses oder die Wassertemperatur der Wildbäche auszuweiten. Das resultierende, kalibrierte Modellergebnis, für das eine intensive Unsicherheitsanalyse durchgeführt werden wird, wird dann von den weitern Teilprojekten genutzt, um die Veränderungen in der Geosystem zu interpretieren.

Kernbohrungen im kalten Firn und Permafrost

Glaziologische Studien (Geophysik, Geodaesie, Fliessmodelle) werden auf dem Colle Gnifetti (Monte Rosa, kalter Firn) und am Piz Corvatsch (Oberengadin, Permafrost) durchgefuehrt. Die Resultate dienen als Grundlage fuer die Analyse von Bohrkernen in Firn, Eis und Permafrost. Anhand dieser Bohrkerne wird die Geschichte der Atmosphaerenzusammensetzung (v.a. Luftverschmutzung) und der Grundwassercharakteristik vor der Zeit direkter Messungen rekonstruiert. Dabei geht es in erster Linie um Basiswerte aus der vorindustriellen Zeit. Die Glaziologie betrachtet in diesem Rahmen vor allem Einbettungsverhaeltnisse der gespeicherten Umweltinformation und die involvierten Zeitskalen.

Pan-Arctic Visualization of Landscape Change (2003-2022), Arctic PASSION Permafrost Service

This raster dataset, in Cloud Optimized GeoTIFF format (COG), provides information on land surface changes at the pan-arctic scale. Multispectral Landsat-5 TM, Landsat-7 ETM+, and Landsat-8 OLI imagery (cloud-cover less than 80%, months July and August) was used for detecting disturbance trends (associated with abrupt permafrost degradation) between 2003 and 2022. For each satellite image we calculated the Tasseled Cap multi-spectral index to translate the spectral reflectance signal to the semantic information Brightness, Greenness, and Wetness. In order to characterize change information, we calculated the linear trend of the Brightness, Greenness and Wetness over two decades on the individual pixel level. The final map product therefore contains information on the direction and magnitude of change for all three Tasseled Cap parameters in 30m spatial resolution across the pan-arctic permafrost domain. Features detected include coastal erosion, lake drainage, infrastructure expansion, and fires. The general processing methodology was developed by Fraser et al. 2014 and adapted and expanded by Nitze et al. 2016 and Nitze et al. 2018. Here we upscaled the processing to the circum-arctic permafrost region and the recent 20-year period from 2003 through 2022. The service covers the permafrost region up to 81° North: Alaska (USA), Canada, Greenland, Iceland, Norway, Sweden, Finland, Russia, Mongolia, and China. For Russia and China, regions not containing permafrost were excluded. The data has been processed in Google EarthEngine within the research projects ERC PETA-CARB, ESA CCI+ Permafrost, NSF Permafrost Discovery Gateway, and EU Arctic PASSION. The dataset is a contribution to the 'Panarctic requirements-driven Permafrost Service' of the Arctic PASSION project (see references). Changes in the Tasseled Cap indices Brightness, Greenness, and Wetness are displayed in the image bands red, green, and blue, respectively. Here, coastal erosion (a trend of a land surface transitioning to a water surface) is depicted in dark blue colors, while coastal accretion (a trend of a water surface transitioning to a land surface) is depicted in bright orange colors. Drained lakes appear in bright yellow or orange colors, depending on the soil conditions and vegetation regrowth. Fire scars are a further common feature, which can appear in different colors, depending on the time of the fire and pre-fire land cover. The data can be explored via the Arctic Landscape EXplorer (ALEX, see references) and is available as a public web map service (WMS, see references), both hosted by Alfred Wegener Institute Helmholtz Centre for Polar and Marine Research.

Pan-Arctic Visualization of Landscape Change (2005-2024), Arctic PASSION Permafrost Service

This raster dataset, in Cloud Optimized GeoTIFF format (COG), provides information on land surface changes at the pan-arctic scale. Multispectral Landsat-5 TM, Landsat-7 ETM+, Landsat-8 OLI, and Landsat-9 OLI-2 imagery (cloud-cover less than 70%, months July and August) was used for detecting disturbance trends (associated with abrupt permafrost degradation) between 2005 and 2024. For each satellite image, we calculated the Tasseled Cap multi-spectral index to translate the spectral reflectance signal to the semantic information Brightness, Greenness, and Wetness. In order to characterize change information, we calculated the linear trend of Brightness, Greenness, and Wetness over two decades at the individual pixel level, based on annually aggregated data. The final map product therefore contains information on the direction and magnitude of change for all three Tasseled Cap parameters at 30 m spatial resolution across the pan-arctic permafrost domain. Features detected include coastal erosion, lake drainage, infrastructure expansion, and fires. The general processing methodology was developed by Fraser et al. (2014) and adapted and expanded by Nitze et al. (2016, 2018). Here, we upscaled the processing to the circum-arctic permafrost region and applied it to the recent 20-year period from 2005 through 2024. The service covers the permafrost region up to 81° North: Alaska (USA), Canada, Greenland, Iceland, Norway, Sweden, Finland, Russia, Mongolia, and China. For Russia and China, regions not containing permafrost were excluded. The data have been processed in Google Earth Engine as part of the research projects ERC PETA-CARB, ESA CCI+ Permafrost, NSF Permafrost Discovery Gateway, and EU Arctic PASSION. The dataset is a contribution to the 'Pan-Arctic Requirements-Driven Permafrost Service' of the Arctic PASSION project (see References). Changes in the Tasseled Cap indices – Brightness, Greenness, and Wetness – are displayed in the image bands red, green, and blue, respectively. Here, coastal erosion (a trend of a land surface transitioning to a water surface) is depicted in dark blue tones, while coastal accretion (a trend of a water surface transitioning to a land surface) is depicted in bright orange colors. Drained lakes are shown in bright yellow or orange colors, depending on the soil conditions and vegetation regrowth. Fire scars are a further common feature, appearing in different colors depending on the time of the fire and the pre-fire land cover. The data can be explored via the Arctic Landscape EXplorer (ALEX; see References) and are available as a public web map service (WMS; see References), both hosted by Alfred Wegener Institute Helmholtz Centre for Polar and Marine Research.

Nachwuchsgruppen Klima, Umwelt und Gesundheit: Gesetzmäßigkeiten pandemischer Dynamiken im sich wandelnden Klima der Erde

Nachwuchsgruppen Klima, Umwelt und Gesundheit: Gesetzmäßigkeiten pandemischer Dynamiken im sich wandelnden Klima der Erde, Teilprojekt 1: Anfälligkeit pandemischer Dynamiken gegenüber dem Klimawandel

Klärung der Rolle von natürlichem organischem Material für Methan-produzierende und -verbrauchende mikrobielle Prozesse in nördlichen Moorgebieten

Torfgebiete sind die größten Speicher für organischen Kohlenstoff auf der Erde. 80% der weltweiten Torfgebiete befinden sich auf der nördlichen Hemisphäre; daher stellen die nördlichen Torfgebiete die wichtigste natürliche Quelle für Treibhausgase (GHG) wie CH4 und CO2 dar. CH4 ist von besonderer Bedeutung, da es im Vergleich zu CO2 etwa 28-mal klimaschädlicher ist. Die Menge des von Mooren freigesetzten CH4 wird durch aerobe und anaerobe mikrobielle Prozesse bestimmt. Ein wenig untersuchter Teil des CH4-Kreislaufs in nördlichen Torfgebieten sind anaerobe CH4-oxidierende Prozesse (AOM). Insbesondere die erst kürzlich entdeckten AOM-Prozesse, die an die Reduktion organischer Elektronenakzeptoren wie natürlichem organischem Material (NOM) gekoppelt sind (NOM-abhängige AOM, NOM-AOM), wurden in diesen Gebieten noch nie untersucht, obwohl erhebliche Mengen an NOM und CH4-Emissionen in Torfgebieten parallel existieren. Deshalb möchten wir in diesem Projekt die Rolle von NOM für die CH4-Emissionen in die Atmosphäre über verschiedene Mechanismen der CH4-Produktion und der CH4-Oxidation bestimmen. Untersucht werden dabei NOM-Fraktionen, die in Stordalen (Abisko, Schweden), einem Modellstandort für von Permafrost betroffene nördliche Torfgebiete, vorhanden sind. Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist es, die Rolle der gelösten und partikulären Fraktionen von NOM (DOM und POM) für die Stimulierung oder Reduktion der Bildung und des Verbrauchs von CH4 in Mooren und kollabierenden Permafrost-Palsa-Gebieten zu untersuchen. Diese Standorte enthalten große Mengen an organischer Substanz und zeigen gleichzeitig erhebliche CH4-Emissionen. Im Arbeitspaket 1 (WP1) wird Torf vom Probenahmestandort entnommen und geochemische Parameter im Feld gemessen. Der beprobte Torf wird zur Isolierung von DOM- und POM-Fraktionen verwendet, um eine eingehende physikochemische Charakterisierung mit modernsten Analysetechniken durchzuführen, incl. DOC-/TOC-Messungen, FTIR und Messungen der Elektronenaustauschkapazität. Im WP2 werden Isotopen-Tracer-Experimente in Mikrokosmen durchgeführt, die mit Torf versetzt und mit isoliertem DOM oder POM angereichert sind, um deren Rolle bei der Stimulierung oder Unterdrückung der acetoklastischen und hydrogenotrophen Methanogenese sowie der Oxidation von CH4 durch NOM-AOM zu bestimmen. In WP3 werden die Identität und die relative Häufigkeit der Mikroorganismen, die an den untersuchten CH4-Cycling-Prozessen beteiligt sind, sowie die beteiligten funktionellen Gene mit Hilfe von DNA- und RNA-basierten molekularen Techniken wie 16S-Sequenzierung und Quantifizierung von Transkripten der Gene der Methanogenese und Methanotrophie analysiert. Wir verfolgen dabei die Hypothese, dass NOM in Permafrostgebieten je nach seinen Eigenschaften sowohl zur Emission von CH4 beitragen als auch diese abschwächen kann.

Auftauende industrielle Hinterlassenschaften in der Arktis - eine Bedrohung für Permafrost-Ökosysteme, Leitantrag; Vorhaben: Bewertung der Stabilität industrieller Altlastdeponien

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