Permafrost soils in the Arctic store large quantities of organic matter, roughly twice the amount of carbon that was present in the atmosphere before the industrial revolution. This freeze-locked carbon pool is susceptible to thawing caused by amplified global warming at high latitudes. The remobilization of old permafrost carbon facilitates its degradation to carbon dioxide and methane, thereby providing a positive feedback to climate change. Accelerating coastal erosion in addition to projected rising river discharge with enhancing sediment loads are anticipated to transport increasing amounts of land-derived organic carbon (OC) to the Arctic Ocean. On its shallow continental shelves, this material may be remineralized in the water column or in the sediments, transported without being altered off shelf towards the deep sea of the Arctic Interior or buried in marine sediments and hence sequestered from the contemporary carbon cycle. The fate of terrigenous material in the marine environment, though offering potentially important mechanisms to either strengthen or attenuate the permafrost-carbon climate feedback, is so far insufficiently understood. In this doctoral thesis, sediments from the wide East Siberian Arctic Shelf, the world’s largest shelf-sea system, were used to investigate some of the key processes for OC cycling. A range of bulk sediment properties, carbon isotopes and molecular markers were employed to elucidate the relative importance of different organic matter sources, the role of cross-shelf transport and the relevance of degradation during transport and after burial. Overall, OC released from thawing permafrost constitutes a significant proportion of the sedimentary organic matter on the East Siberian Arctic Shelf. Two sediment cores from the inner and outer East Siberian Sea recorded no substantial changes in source material or clear trends in degradation status for the last century. With increasing distance from the coast, however, strong gradients were detected towards lower concentrations of increasingly reworked land-derived OC. The time spent during cross-shelf transport was consequently found to exert first-order control on degradation. Compound-specific radiocarbon dating on terrigenous biomarkers revealed a net transport time of ~4 000 years across the 600 km wide Laptev Sea shelf, yielding degradation rate constants for bulk terrigenous OC and specific biomarkers on the order of 2-4 kyr-1. From these results, the carbon flux released by degradation of terrigenous OC in surface sediments was estimated to be ~1.7 Gg yr-1, several orders of magnitude lower than what had been quantified earlier for dissolved and particulate OC in the water column. Lower oxygen availability and close associations with the mineral matrix may protect sedimentary OC from remineralization and thereby weaken the permafrost-carbon feedback to present climate change. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 3: Submitted. Paper 4: Manuscript.</p>

The intrusion pathways and physical mechanisms associated with intrusions of cold, nutrient-rich South Atlantic Central Water (SACW) onto the continental shelf of the Espírito Santo Basin (ESB), off southeast Brazil (18°S-22°S), are investigated. The approach consists of analyses of a set of simplified, process-oriented, primitive-equation numerical models supported by the analyses of an independent, more realistic numerical model and available observations. The cross-isobath circulation is found to be strongly dominated by wind-driving, consistent with previous findings. In the model experiments, SACW enters the ESB shelf through two preferential pathways along the Tubarão Bight area (TB, 19.5°S-22°S). These pathways are found to be locations where an equatorward along-isobath pressure gradient force (PGFy&#8727;) of &#8764;2 x 10-6 m s-2 develops in response to steady wind forcing. This equatorward PGFy&#8727; is essentially in geostrophic balance, and therefore induces onshore flow across the shelf edge and most of the shelf proper. The Brazil Current (BC) imparts an additional equatorward PGFy&#8727; on the shelf. The momentum budget reveals that the ageostrophic residue of the PGFy&#8727; is compensated mostly by momentum advection and bottom friction. Buoyancy arrest might be important under more intense SACW intrusion events, as suggested by the maximum observed values of the slope Burger number (0.32-0.92). Among the deep ocean forcing mechanisms considered, the intrinsic pycnocline uplifting effect of the BC seems to be responsible for &#8764;1.4°C colder upwelled water under steady, upwelling-favorable wind forcing, relative to a flat stratification scenario. The BC also seems to induce local intrusions by inertially overshooting the shelf edge, consistent with Rossby numbers of &#8764;0.3-0.5, as estimated for the area along the TB shelf edge. Finally, the planetary &#946;-effect is also related to a background equatorward PGFy&#8727;. In addition, the steady response of the continental shelf to a periodic (in the along-shelf direction) pressure forcing at the shelf edge is compared with the BC-forced primitive-equation numerical solutions. A simple Arrested Topographic Wave (ATW) analytical model is found to be successful in representing the general features of the numerical solutions. The cross-shelf e-folding scales of the cross-shelf velocity estimated from the numerical solutions agree in order of magnitude with the cross-shelf penetration scale q-1 = [-2r/(lfs)]&#189; = 10 km predicted by the ATW, where r is a linear bottom resistance parameter, l is the along-shelf wavenumber of the forcing at the shelf edge, f is the Coriolis parameter and s is the bottom slope. Furthermore, the use of quadratic bottom stress accounts for some of the relative increase in the numerical onshore penetration scales, which are predicted to be qquadratic-1 = [-2CD/(lfs)]&#189; [Ubot]&#189;, where CD is a quadratic bottom friction parameter and Ubot is the near-bottom velocity magnitude. The kind of steady response to periodic deep ocean forcing examined here may provide insight into other continental shelves under the influence of western boundary currents. / Os caminhos e os mecanismos físicos associados ao fenômeno de intrusão da Água Central do Atlântico Sul (ACAS) na plataforma continental da Bacia do Espírito Santo (BES) ao largo da costa sudeste (18°S-22°S) são investigados nesta dissertação. A abordagem consiste da análise de experimentos numéricos de equações primitivas simplificados, combinados com a análise de um modelo numérico mais completo, e com análise de observações disponíveis. Conclui-se que a circulação na direção perpendicular às isóbatas é fortemente dominada pelo vento, de acordo com resultados pretéritos. Nos experimentos numéricos, a ACAS ingressa na plataforma da BES através de dois caminhos preferenciais de intrusão no Embaiamento de Tubarão (ET, 19,5°S-22°S). Estes caminhos de intrusão coincidem com áreas em que uma Força do Gradiente de Pressão na direção paralela às isóbatas (PGFy&#8727;), com magnitude de &#8764;2 x 10-6 m s-2, se forma em resposta ao vento. A PGFy&#8727; se encontra essencialmente em balanço geostrófico, e impulsiona um escoamento na direção da costa. A Corrente do Brasil (CB) induz uma PGFy&#8727; adicional favorável à intrusão. O balanço de momentum revela que o resíduo ageostrófico da PGFy&#8727; é balanceado principalmente pela advecção de momentum e pelo atrito de fundo. O mecanismo de desligamento da camada de Ekman de fundo por empuxo (tradução livre de buoyancy arrest) pode ser importante em eventos mais intensos de intrusão de ACAS, em razão das estimativas do número de Burger de inclinação (tradução livre de slope Burger number) observado (0,32-0,92). O efeito de soerguimento da termoclina ligado à CB aparenta diminuir em &#8764;1,4 °C a temperatura da água que aflora em eventos de ressurgência costeira. A CB também parece produzir intrusões locais na borda da plataforma por efeitos inerciais, de acordo com as estimativas de &#8764;0,3-0,5 para o número de Rossby ao longo da borda da plataforma. Por fim, o efeito &#946; planetário também é associado a uma PGFy&#8727; básica na direção do equador. Adicionalmente, a resposta estacionária da plataforma continental a um campo de pressão periódico ao longo da borda da plataforma é comparada com as soluções numéricas. Um simples modelo analítico do tipo Onda Topográfica Aprisionada (OTA, tradução livre de Arrested Topographic Wave) representa as características gerais das soluções numéricas. As escalas de decaimento Neperiano (e) na direção perpendicular à plataforma estimadas a partir das soluções numéricas são comparáveis à escala de penetração q-1 = [-2r/(lfs)]&#189; = 10 km prevista pela OTA, onde r é um coeficiente linear de atrito de fundo, l é o número de onda da forçante, f é o parâmetro de Coriolis e s é a inclinação do fundo. O uso de uma parametrização quadrática para o atrito de fundo prevê parte da diminuição da e. A escala de penetração quadrática é qquadratic-1 = [-2CD/(lfs)]&#189;[Ubot]&#189;, onde CD é um coeficiente quadrático de atrito de fundo e Ubot é a magnitude da velocidade próxima ao fundo. Este tipo de resposta estacionária da plataforma a uma forçante periódica ligada ao oceano profundo pode ajudar a elucidar processos físicos em outras plataformas continentais que se encontram sob a influência de correntes de limite oeste.

The intrusion pathways and physical mechanisms associated with intrusions of cold, nutrient-rich South Atlantic Central Water (SACW) onto the continental shelf of the Espírito Santo Basin (ESB), off southeast Brazil (18°S-22°S), are investigated. The approach consists of analyses of a set of simplified, process-oriented, primitive-equation numerical models supported by the analyses of an independent, more realistic numerical model and available observations. The cross-isobath circulation is found to be strongly dominated by wind-driving, consistent with previous findings. In the model experiments, SACW enters the ESB shelf through two preferential pathways along the Tubarão Bight area (TB, 19.5°S-22°S). These pathways are found to be locations where an equatorward along-isobath pressure gradient force (PGFy&#8727;) of &#8764;2 x 10-6 m s-2 develops in response to steady wind forcing. This equatorward PGFy&#8727; is essentially in geostrophic balance, and therefore induces onshore flow across the shelf edge and most of the shelf proper. The Brazil Current (BC) imparts an additional equatorward PGFy&#8727; on the shelf. The momentum budget reveals that the ageostrophic residue of the PGFy&#8727; is compensated mostly by momentum advection and bottom friction. Buoyancy arrest might be important under more intense SACW intrusion events, as suggested by the maximum observed values of the slope Burger number (0.32-0.92). Among the deep ocean forcing mechanisms considered, the intrinsic pycnocline uplifting effect of the BC seems to be responsible for &#8764;1.4°C colder upwelled water under steady, upwelling-favorable wind forcing, relative to a flat stratification scenario. The BC also seems to induce local intrusions by inertially overshooting the shelf edge, consistent with Rossby numbers of &#8764;0.3-0.5, as estimated for the area along the TB shelf edge. Finally, the planetary &#946;-effect is also related to a background equatorward PGFy&#8727;. In addition, the steady response of the continental shelf to a periodic (in the along-shelf direction) pressure forcing at the shelf edge is compared with the BC-forced primitive-equation numerical solutions. A simple Arrested Topographic Wave (ATW) analytical model is found to be successful in representing the general features of the numerical solutions. The cross-shelf e-folding scales of the cross-shelf velocity estimated from the numerical solutions agree in order of magnitude with the cross-shelf penetration scale q-1 = [-2r/(lfs)]&#189; = 10 km predicted by the ATW, where r is a linear bottom resistance parameter, l is the along-shelf wavenumber of the forcing at the shelf edge, f is the Coriolis parameter and s is the bottom slope. Furthermore, the use of quadratic bottom stress accounts for some of the relative increase in the numerical onshore penetration scales, which are predicted to be qquadratic-1 = [-2CD/(lfs)]&#189; [Ubot]&#189;, where CD is a quadratic bottom friction parameter and Ubot is the near-bottom velocity magnitude. The kind of steady response to periodic deep ocean forcing examined here may provide insight into other continental shelves under the influence of western boundary currents. / Os caminhos e os mecanismos físicos associados ao fenômeno de intrusão da Água Central do Atlântico Sul (ACAS) na plataforma continental da Bacia do Espírito Santo (BES) ao largo da costa sudeste (18°S-22°S) são investigados nesta dissertação. A abordagem consiste da análise de experimentos numéricos de equações primitivas simplificados, combinados com a análise de um modelo numérico mais completo, e com análise de observações disponíveis. Conclui-se que a circulação na direção perpendicular às isóbatas é fortemente dominada pelo vento, de acordo com resultados pretéritos. Nos experimentos numéricos, a ACAS ingressa na plataforma da BES através de dois caminhos preferenciais de intrusão no Embaiamento de Tubarão (ET, 19,5°S-22°S). Estes caminhos de intrusão coincidem com áreas em que uma Força do Gradiente de Pressão na direção paralela às isóbatas (PGFy&#8727;), com magnitude de &#8764;2 x 10-6 m s-2, se forma em resposta ao vento. A PGFy&#8727; se encontra essencialmente em balanço geostrófico, e impulsiona um escoamento na direção da costa. A Corrente do Brasil (CB) induz uma PGFy&#8727; adicional favorável à intrusão. O balanço de momentum revela que o resíduo ageostrófico da PGFy&#8727; é balanceado principalmente pela advecção de momentum e pelo atrito de fundo. O mecanismo de desligamento da camada de Ekman de fundo por empuxo (tradução livre de buoyancy arrest) pode ser importante em eventos mais intensos de intrusão de ACAS, em razão das estimativas do número de Burger de inclinação (tradução livre de slope Burger number) observado (0,32-0,92). O efeito de soerguimento da termoclina ligado à CB aparenta diminuir em &#8764;1,4 °C a temperatura da água que aflora em eventos de ressurgência costeira. A CB também parece produzir intrusões locais na borda da plataforma por efeitos inerciais, de acordo com as estimativas de &#8764;0,3-0,5 para o número de Rossby ao longo da borda da plataforma. Por fim, o efeito &#946; planetário também é associado a uma PGFy&#8727; básica na direção do equador. Adicionalmente, a resposta estacionária da plataforma continental a um campo de pressão periódico ao longo da borda da plataforma é comparada com as soluções numéricas. Um simples modelo analítico do tipo Onda Topográfica Aprisionada (OTA, tradução livre de Arrested Topographic Wave) representa as características gerais das soluções numéricas. As escalas de decaimento Neperiano (e) na direção perpendicular à plataforma estimadas a partir das soluções numéricas são comparáveis à escala de penetração q-1 = [-2r/(lfs)]&#189; = 10 km prevista pela OTA, onde r é um coeficiente linear de atrito de fundo, l é o número de onda da forçante, f é o parâmetro de Coriolis e s é a inclinação do fundo. O uso de uma parametrização quadrática para o atrito de fundo prevê parte da diminuição da e. A escala de penetração quadrática é qquadratic-1 = [-2CD/(lfs)]&#189;[Ubot]&#189;, onde CD é um coeficiente quadrático de atrito de fundo e Ubot é a magnitude da velocidade próxima ao fundo. Este tipo de resposta estacionária da plataforma a uma forçante periódica ligada ao oceano profundo pode ajudar a elucidar processos físicos em outras plataformas continentais que se encontram sob a influência de correntes de limite oeste.