Land-Ocean Interactions in Arctic Coastal Waters: Ocean Colour Remote Sensing and Current Carbon Fluxes to the Arctic Ocean

Abstract

Arctic rivers carry about 40 Tg of organic carbon per year into the Arctic Ocean, enough to change the colour of the surface water over entire shelf seas. Ongoing permafrost thaw mobilizes ancient organic matter in the Arctic Ocean’s watershed and, in particular, organic carbon that was previously preserved in the perennially frozen soils. Whereas the particulate fraction of organic matter is prone to settling and subsequent burial, the dissolved fraction of organic matter (DOM) can be transported over large distances and is quickly integrated and cycled within the aquatic environment. Therefore, monitoring of DOM and its carbon (DOC) in terms of fluxes, quality, transport routes and ultimate fate in the Arctic Ocean, is one of the goals of current polar research. In situ observations in the Arctic are challenging and costly and hold tremendous scientific value. Ocean Colour Remote Sensing (OCRS) is a powerful tool that can complement in situ observations by providing frequent and synoptic estimates of surface water DOM and DOC concentration via the coloured fraction of DOM (CDOM). However, use of OCRS in Arctic organic-rich waters is hampered by uncertainties and needs further evaluation and development. The goal of this thesis is to advance our knowledge of the quantity, origin, seasonal variability and fate of DOM and carbon transported from land to sea in the Arctic. Biogeochemical and bio-optical parameters of water across the fluvial and marine zones in two Arctic regions were collected. These in situ datasets include: 1) Lena River DOM measured at least bi-weekly for one full year, 2) Lena River and Laptev Sea Shelf DOM and optical parameters measured intermittently over 11 years and 3) a suite of water column optical, radiometric, and biogeochemical measurements from spring to fall in the Mackenzie River Delta and on the Beaufort Sea Shelf. These data are a unique and novel resource for testing OCRS atmospheric correction and CDOM retrieval algorithms and for improving satellite-derived DOC estimates across the fluvial-marine transition zone. Frequent monitoring of the Lena River revealed that three source water types determine the strong seasonality of fluvial DOM: 1) melt water, 2) rain water and 3) subsurface water. The improved estimation of annual Lena River DOC flux was 6.79 Tg C, most of which (84%) was transported into the Lena River by melt and rain water. Optical properties of the DOM indicated that, in spring, the Lena River dominantly transports young carbon originating from degrading vegetation from land surfaces. With rising air temperatures in summer and fall, optical properties indicated an increasing fraction of older DOM originating from deeper soil horizons and thawing permafrost deposits. Salinity and DOM were strongly correlated (r²>0.8) in both shelf regions, indicating a dominant terrigenous source of DOM and a conservative mixing of DOM-rich river water with DOM-poor water from the Arctic Ocean. Both in situ and space-borne observations of surface waters revealed a strong seasonal variability of river plume propagation and DOC distribution on both shelves. The evaluation of several OCRS algorithms with in situ data showed that the OLCI (Ocean and Land Colour Instrument) neural network swarm (ONNS) algorithm performed best for the retrieval of CDOM in the Lena – Laptev Sea region (r²=0.72, mean percentage error=58.4%), whereas the semi-analytical algorithm “gsmA” performed best in the Mackenzie – Beaufort Sea region (r²=0.52, mean percentage error=24.1%). Furthermore, the Polymer atmospheric correction algorithm resulted in better match-up correlations than either the WFR or the C2RCC atmospheric corrections. For both regions, new DOC – CDOM models, based on the in situ observations, expand the applicability of OCRS to monitor DOC in surface waters to the entire fluvial-marine transition zone and improve the accuracy of DOC retrieval. Overall, the studies of this thesis demonstrated the capability of OCRS to monitor the propagation and distribution of DOM on Arctic shelves on large spatial and temporal scales. In the future, high frequency sampling in combination with OCRS of major Arctic rivers have the potential to improve quantification of DOC export into the Arctic Ocean and reduce current uncertainties due to the lack of data. Long-term OCRS time series merged from multiple satellites can help in identifying trends of land-sea carbon fluxes and their impact on the global carbon cycle and climate in a rapidly changing Arctic.

Arktische Flüsse exportieren etwa 40 Tg organischen Kohlenstoff pro Jahr in den Arktischen Ozean - genug um die Farbe des Oberflächenwassers über ganze Schelfmeere zu verändern. Das durch den Klimawandel verstärkte Auftauen der Permafrostböden mobilisiert altes organisches Material, insbesondere organischen Kohlestoff, der zuvor im durchgehend gefrorenen Boden konserviert wurde. Während der partikuläre Teil der organischen Stoffe schnell absinkt und sedimentiert, kann der gelöste Teil der organischen Stoffe (dissolved organic matter - DOM) über große Entfernungen transportiert und schnell in das aquatische System integriert und umgesetzt werden. Daher ist die Bestimmung der Exportmengen und der Qualität des DOM und des gelösten organischen Kohlenstoffes (dissolved organic carbon - DOC), sowie deren Transportwege und endgültigen Schicksal, ein zentrales Ziel der aktuellen Polarforschung. Auch wenn in situ Beobachtungen in der Arktis mit enormen Herausforderungen und Kosten verbunden sind, haben sie einen enormen wissenschaftlichen Wert. Die Fernerkundung der Ozeanfarbe (Ocean Colour Remote Sensing - OCRS) ist ein leistungsstarkes wissenschaftliches Werkzeug, das in situ Beobachtungen ergänzen kann, indem es häufige und synoptische Abschätzungen der DOM- und DOC-Konzentrationen des Oberflächenwassers liefert. Für diese Abschätzung wird der färbende Anteil von DOM (coloured dissolved organic matter - CDOM) verwendet, der einen Proxy für DOC darstellt. Die Verwendung von OCRS in arktischen, organikreichen und optisch komplexen Gewässern birgt jedoch große Unsicherheiten und muss daher zunächst evaluiert und weiterentwickelt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, unser Wissen über die Menge, Herkunft, saisonale Variabilität und den Verbleib von DOM und DOC, welche vom Land zum Meer transportiert werden, zu erweitern. Dazu wurden große in situ Datensätze mit biogeochemischen und biooptischen Parametern in der Übergangszone von Fluss- zu Meerwasser in zwei Flüssen, der Lena und dem Mackenzie, gesammelt. Diese Datensätze umfassen: 1) DOM Messungen in der Lena mindestens zweimal pro Woche über ein gesamtes Jahr; 2) DOM und biooptische Messungen in der Lena und auf dem Laptewsee Schelf von Expeditionen von 11 Jahren; sowie 3) eine Reihe an optischen, radiometrischen und biogeochemischen Messungen von Frühling bis Herbst in den Küstengewässern der Beaufortsee nördlich des Mackenzie Deltas. Diese Daten sind eine einzigartige und neuartige Ressource zum Testen von OCRS-Algorithmen für die Atmosphärenkorrektur und zur satelliten-basierenden Abschätzung von CDOM. Die regelmäßige und hochfrequentierte Beprobung des Lena-Wassers ergab, dass die Abwechslung von drei Wassertypen die starke Saisonalität der DOM Konzentration und den Export bestimmen: 1) Schmelzwasser, 2) Regenwasser, und 3) Grundwasser. Die verbesserte Abschätzung des jährlichen DOC Exportes der Lena wurde auf 6.79 Tg C geschätzt, von denen ein Großteil (84%) durch Schmelz- und Regenwasser in die Lena transportiert wurde. Die optischen Eigenschaften des DOM zeigten, dass die Lena im Frühjahr vorwiegend jungen organischen Kohlenstoff transportiert, der aus dem Abbau von Oberflächenvegetation stammt. Bei höheren Lufttemperaturen im Sommer und Herbst zeigte sich hingegen ein zunehmender Anteil von älterem DOM, der aus tieferen Bodenhorizonten und auftauenden Permafrostböden stammen könnte. Die Salinität und die DOM-Konzentration waren in beiden Schelfregionen stark korreliert (r²>0.8), was auf eine dominante terrigene DOM-Quelle und eine konservative Mischung von DOM-reichem Flusswasser mit niedrig-DOM Wasser aus dem Arktischen Ozean hindeutet. Sowohl in situ als auch satellitengestützte Beobachtungen von Oberflächenwasser zeigten eine starke saisonale Variabilität der Flusswasserausbreitung und der DOC-Verteilung auf beiden Schelfmeeren. Die Auswertung mehrerer OCRS-Algorithmen mithilfe von in situ Daten zeigten, dass der „ONNS“ (OLCI (Ocean and Land Colour Instrument) neural network swarm) Algorithmus für die Abschätzung von CDOM in der Lena – Laptewsee Region am besten geeignet ist (r²=0.72, mittlerer prozentualer Fehler: 58.4%), während in der Mackenzie – Beaufortsee Region der semi-analytische Algorithmus „gsmA“ am besten abschneidet (r²=0.52, mittlerer prozentualer Fehler=24.1%). Darüber hinaus führt die Polymer Atmosphärenkorrektur zu besseren Übereinstimmungskorrelationen als die „WFR“ oder die „C2RCC“ Atmosphärenkorrektur. Für beide Regionen erweitern neue DOC-CDOM Modelle, die auf in situ Beobachtungen basieren, die Anwendbarkeit von OCRS zur Langzeituntersuchung von DOC in Oberflächenwasser über die gesamte Übergangszone vom Fluss- zum Meerwasser. Zudem wurde die Genauigkeit der satelliten-basierenden Abschätzungen der DOC-Konzentration deutlich gesteigert. Insgesamt haben die Studien dieser Arbeit gezeigt, dass OCRS die Ausbreitung und Verteilung von DOM in arktischen Schelfmeeren auf großen räumlichen und zeitlichen Skalen verfolgen kann. In Zukunft können hochfrequentierte Probennahmen in Kombination mit OCRS die Quantifizierung des DOC-Exports in den Arktischen Ozean verbessern und die aktuellen Unsicherheiten aufgrund fehlender Daten verringern. Langzeit-OCRS Zeitreihen, die durch Zusammenführung der Daten mehrerer Satelliten entstehen, können dazu beitragen, Veränderungen der Kohlenstoffflüsse und ihre Auswirkungen auf den globalen Kohlenstoffkreislauf und das Klima in einer sich schnell verändernden Arktis zu identifizieren.