Permanent electrode arrays were set up at ten monitoring sites from Whitehorse, Yukon, to Fort St. John, British Columbia, in order to gain a clearer perspective of the effectiveness of electrical resistivity tomography (ERT) monitoring over an annual cycle of freezing and thawing. This research forms part of a longer-term project that is attempting to use ERT to examine changes in permafrost resulting from climate change. Inter-site and intra-site variability were examined by installing and maintaining data-loggers to monitor active layer and shallow permafrost temperatures, air temperatures, and snow depths at each site from August 2010 – August 2011. Additional site information was collected on each ERT survey date, including frost table depths, snow depths, and vegetation heights. Based on nearby community records, the climate in the region has been warming by a rate of 0.3 to 0.5 °C per decade since 1970. The permafrost at all ten sites was characteristic of sporadic discontinuous and isolated patches permafrost zones, and is classified as Ecosystem-protected. Nine of the ten permafrost sites had permafrost that was thinner than the 14 or 7 m penetration depth of the ERT survey (three-layer system consisting of an active layer, permafrost, and sub-permafrost perennially unfrozen zone). The most predictable results were achieved at the two-layer system site (active layer overlying permafrost to the base of the profile) in each of its virtual resistivity boreholes, relative resistivity change comparisons, and mean near-surface apparent resistivity progressions. ERT is an effective method of delineating permafrost boundaries in thin permafrost environments and does show strength when monitoring areas of seasonally frozen ground. Repeat surveys at a site indicate seasonal changes in three-layer conditions, but not as predictably as those in a two-layer system. In order to receive the most accurate information regarding permafrost extent and thickness, it appears ideal to conduct ERT surveys annually, within the same month as the previous year’s survey.

Climate change is causing increases in the frequency, severity, and extent of fires in the boreal forest, which in turn is expected to change historical cycles of permafrost response and recovery to disturbance. A review of recent literature (forming part of this thesis) shows that there are disparities in current knowledge of post-fire permafrost response. First, the majority of studies on permafrost-fire interactions have been conducted in Alaska, leaving regional gaps for the boreal forest across Canada. Second, there are limited direct measurements of certain variables which affect post-fire permafrost dynamics. These include snow depth, burn severity, and soil moisture, as well as ground ice content and quantified subsidence and thermokarst development. Third, the majority of post-fire permafrost studies address near-surface impacts, neglecting permafrost conditions at depth. Finally, there is a lack of long-term information and regional investigations over a broad range of environmental conditions, particularly how permafrost responds across a variety of ground ice contents. This thesis addresses these knowledge gaps through in-situ measurements and analysis of permafrost conditions following fires occurring over the last half century and in particular in 2014 and 2015, along a 650 km latitudinal transect spanning the discontinuous zones, from isolated patches (57.8°N) to extensive discontinuous permafrost (63.1°N), in northwest Canada. A variety of monitoring techniques were used to evaluate permafrost change, including ground and air temperature measurements, direct current electrical resistivity tomography (ERT) surveys, measurements of frost table depth, snow depth, organic layer thickness, burn severity, and ground subsidence. Samples of frozen and unfrozen soil were collected by coring or pit digging, and laboratory analyses conducted to establish soil characteristics. Laboratory experiments were also performed to establish a relationship between resistivity and temperature, and to generate a threshold between frozen and unfrozen soil that could assist in the interpretation of ERT surveys. A total of 68 sites along the Mackenzie Highway in northern Alberta and southern Northwest Territories (NWT) were examined to evaluate permafrost change due to climate warming and forest fire since an initial survey in 1962. The transect extends through the isolated patches and sporadic discontinuous permafrost zones, including 11 sites which burned at various times between 1971 and 2012. Overall, there has been significant permafrost degradation, especially at sites with thin organic layers and coarse-grained soils. This occurred preferentially at the southern end of the transect, where nearly 2°C of climate warming has occurred, such that even undisturbed sites experienced degradation. However, permafrost has persisted at about half of the sites where black spruce (Picea mariana) canopies with organic layers generally >40 cm thick overlie fine-grained sediments. Permafrost even persisted at the majority of burned sites, but greater frost table depths were observed at those which were burned in 2012. A second transect was established to examine permafrost change following the abnormally severe fire year of 2014 (and more limited fires in 2015) that affected sites across a wide range of conditions in the southern NWT. Eleven monitoring sites were established in the sporadic and extensive discontinuous zones between 2015 and 2016, and annual field surveys were conducted through to 2019, including the first repeat ERT surveys conducted following fire. Permafrost change occurred at all sites, including unburned ones, indicating the ongoing impacts of climate change in the region. Snow-depth days, maximum snow depth, and the nival offset were all greater at burned sites. Permafrost change was more pronounced at burned sites, with greater relative decreases in average apparent resistivity and increases in frost table depths and ground temperatures, particularly at sites with low gravimetric moisture content, coarse soil textures, and organic layers <40 cm thick. These changes are pronounced in the near surface (<5 m depth), with deeper permafrost appearing relatively unaffected within the 5-year post-fire time-frame. The field observations indicate that permafrost can still persist following fire at a significant percentage of locations in the discontinuous zone. However, slow degradation is occurring at both burned and unburned sites due to the warming climate, and particularly at dry sites with coarse-grained soils and thin organic layers. Post-fire permafrost change is evident at sites which burned in the last 10 years, but over the long-term, frozen ground appears resilient to fire, with characteristics like active layer thickness returning to pre-fire levels. Similarly, cold permafrost on the taiga shield is resilient to fire, even with thin residual organic layers. At high ice-content sites, however, where ground subsidence and thermokarst develop, water inundation and permafrost thaw can occur, particularly in areas which have been severely burned. This thesis underlines, therefore, the importance of monitoring and modelling a variety of landscape types to establish post-fire permafrost impacts and temperature trajectory, and more specifically the effects of heterogeneity of drainage conditions, substrate, and organic layer thicknesses on the fate of permafrost in the boreal forest.

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La haute montagne est un terrain particulièrement sensible aux variations climatiques. La hausse de température depuis plusieurs décennies a un fort impact sur les parois du massif du Mont Blanc : la dégradation du permafrost s’y traduit par une activité gravitaire majeure. Une augmentation du nombre d'écroulements (>100 m3) liés à des périodes chaudes a en effet été mis en évidence à plusieurs échelles de temps, lors des étés particulièrement chauds de 2003 et 2015 comme au cours des trois dernières décennies. La fréquence des écroulements dans le massif devrait continuer à s’accroitre avec l’augmentation de la température au 21e siècle.En revanche, la fréquence des écroulements dans le massif antérieurement à la fin du Petit Âge Glaciaire (PAG) est très largement inconnue. Pendant l'Holocène voire le Tardiglaciaire, les écroulements dans le massif du Mont Blanc ont-ils également été favorisés par les hausses de température ? Pour répondre à cette question, cette thèse poursuit quatre objectifs :i. Dater un grand nombre d'écroulements dans la partie centrale du massif pour comprendre leur distribution pendant l'Holocène et le Tardiglaciaire. L'âge des niches d’arrachement est obtenu par datation cosmogénique.ii. Vérifier les possibles corrélations entre périodes à forte occurrence d’écroulements et périodes climatiques post-glaciaires.iii. Quantifier le volume des écroulements par reconstruction 3D de la forme des blocs écroulés, et étudier la relation entre volumes écroulés et périodes climatiques.iv. Etudier la relation entre âge d'exposition et couleur des niches d’arrachement quantifiée avec la spectroscopie de réflectance.Un total de 70 surfaces a été échantillonné dans les parois du massif au cours de trois campagnes de terrain en 2006, 2011, et 2015-2016. Les âges d'exposition de 63 surfaces ont été obtenus, compris entre 30 ± 20 ans et 100.50 ± 8.50 ka. Trois groupes d’âges peuvent être corrélés aux périodes climatiques chaudes que sont : les Périodes Chaudes de l'Holocène moyen (7.50 – 5.70 ka), l'Optimum de l'âge de Bronze (3.35 – 2.80 ka) et le Période Chaude Romaine (2.35 – 1.75 ka) ; un quatrième groupe d'âges est daté entre 4.91 et 4.32 ka. Le groupe d'âges le plus nombreux, entre 1.09 ka et l'Actuel, aux volumes généralement réduits, est interprété comme représentatif de l'activité gravitaire annuelle du massif avec le climat actuel.Les données spectrales des échantillons datés ont permis de développer un index de la couleur du granite (GRIGRI) par combinaison des valeurs de réflectivité de deux longueurs d'onde différentes. Cet index est corrélé avec l'âge d'exposition (R=0.861) ; il a permis de proposer la datation de 10 échantillons d'âge inconnu à partir de leurs caractéristiques spectrales. / High mountain is particularly sensitive to climate variations. The raising temperature that is currently taking place due to climate change has a strong impact on the Mont Blanc massif rock walls: a higher rockfall (>100 m3) occurrence has been noticed, caused by permafrost thawing. The raising in number of rockfalls has been successfully correlated to warm periods at different timescales, e.g., during extreme warm episodes like the 2003 and 2015 heat waves, and during the last 30 years. According to the expected raising temperatures, during the 21st century rockfall occurrence should continue to rise.Rockfall frequency in the Mont Blanc massif before the Little Ice Age is still largely unknown. During Lateglacial and Holocene, high occurrence has been related to warm periods as well? In order to answer this question, this PhD thesis has four aims:i. To date several rockfalls having taken place in the central part of the Mont Blanc massif, in order to understand their frequency during Lateglacial and Holocene. Exposure age of rockfall scars is obtained using Terrestrial Cosmogenic Nuclide dating.ii. To verify possible relationships between high rockfall occurrence periods and post-glacial climate periods.iii. To quantify rockfall volumes by means of 3D reconstruction of the rockfall shapes, to explore the possible relationship between cumulate volumes and climate periods.iv. To study the relationship between exposure ages and colours of rock surfaces. Colours are quantified by reflectance spectroscopy.A total of 70 rock surfaces have been sampled during three field campaigns that took place in 2006, 2011 and 2015-2016. 63 exposure ages were obtained, ranging 30 ± 20 a to 100.50 ± 8.50 ka. Three age clusters can be correlated to warm periods, corresponding to: two Holocene Warm Periods (7.50 – 5.70 ka), the Bronze Age Optimum (3.35 – 2.80 ka) and the Roman Warm Period (2.35 – 1.75 ka). A fourth age cluster has been detected with ages ranging 4.91 – 4.32 ka. The biggest cluster, ranging 1.09 ka – recent, shows rather small volumes. This is interpreted as the normal erosion activity corresponding to the current climate.The samples reflectance spectra allowed to develop a granite colour index (GRIGRI) by combining the values of two different wavelengths. This index is correlated to the samples exposure age (R = 0.861), and has been used to date the exposure age of 10 samples where Terrestrial Cosmogenic Nuclide dating failed

The arctic region is undergoing the most rapid environmental change experienced on Earth, and the rate of change is expected to increase over the coming decades. Arctic coasts are particularly vulnerable because they lie at the interface between terrestrial systems dominated by permafrost and marine systems dominated by sea ice. An increased rise in sea level and degradation of sea-ice as predicted by the Intergovernmental Panel on Climate Change in its most recent report and as observed recently in the Arctic will likely result in greater rates of coastal retreat. An increase in coastal erosion would result in dramatic increases in the volume of sediment, organic carbon and contaminants to the Arctic Ocean. These in turn have the potential to create dramatic changes in the geochemistry and biodiversity of the nearshore zone and affect the Arctic Ocean carbon cycle. To calculate estimates of organic carbon input from coastal erosion to the Arctic Ocean, current methods rely on the length of the coastline in the form of non self-similar line datasets. This thesis however emphasizes that using shorelines drawn at different scales can induce changes in the amount of sediment released by 30% in some cases. It proposes a substitute method of computations of erosion based on areas instead of lengths (i.e. buffers instead of shoreline lengths) which can be easily implemented at the circum-Arctic scale. Using this method, variations in quantities of eroded sediment are, on average, 70% less affected by scale changes and are therefore a more reliable method of calculation. Current estimates of coastal erosion rates in the Arctic are scarce and long-term datasets are a handful, which complicates assessment and prognosis of coastal processes, in particular the occurrence of coastal hazards. This thesis aims at filling the gap by providing the first long-term dataset (1951-2006) of coastal erosion on the Bykovsky Peninsula, North-East Siberia. This study shows that the coastline, which is made of ice-rich permafrost, retreated at a mean annual rate of 0.59 m/yr between 1951and 2006. Rates were highly variable: 97.0 % of the rates observed were less than 2 m/yr and 81.6% were less than 1m/yr. However, no significant trend in erosion could be recorded despite the study of five temporal subperiods within 1951-2006. The juxtaposition of wind records could not help to explain erosion records either and this thesis emphasizes the local controls on erosion, in particular the cryostratigraphy, the proximity of the Peninsula to the Lena River Delta freshwater plume and the local topographical constraints on swell development. On ice-rich coastal stretches of the Artic, the interaction of coastal dynamics and permafrost leads to the occurrence of spectacular “C-shaped” depressions termed retrogressive thaw slumps which can reach lengths of up to 650 m. On Herschel Island and at King Point (Yukon Coastal Plain, northern Canada), topographical, sedimentological and biogeochemical surveys were conducted to investigate the present and past activity of these landforms. In particular, undisturbed tundra areas were compared with zones of former slump activity, now stabilized and re-vegetated. This thesis shows that stabilized areas are drier and less prone to plant growth than undisturbed areas and feature fundamentally different geotechnical properties. Radiocarbon dating and topographical surveys indicated until up to 300 BP a likely period of dramatic slump activity on Herschel Island, similar to the one currently observed, which led to the creation of these surfaces. This thesis hypothesizes the occurrence of a ~250 years cycle of slump activity on the Herschel Island shoreline based on the surveyed topography and cryostratigraphy and anticipates higher frequency of slump activity in the future. The variety of processes described in this thesis highlights the changing nature of the intensity and frequency of physical processes acting upon the arctic coast. It also challenges current perceptions of the threats to existing industry and community infrastructure in the Arctic. The increasing presence of humans on Artic coasts coupled with the expected development of shipping will drive an increase in economical and industrial activity on these coasts which remains to be addressed scientifically. / In der Arktis sind die derzeit stärksten Umweltänderungen weltweit zu beobachten, und es wird angenommen, dass sich deren Ausmaß sogar noch verstärken wird. Aufgrund ihrer Lage zwischen terrestrischen, von Permafrost geprägten Systemen und marinen, von Meereis geprägten Systemen, sind arktische Küstenregionen im Zuge dieses Wandels besonders sensibel. Ein verstärkter Meeresspiegelanstieg und der Rückgang des Meereises, wie vom letzten Bericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) vorhergesagt und in letzter Zeit in der Arktis beobachtet, werden zu erhöhten Küstenrückzugsraten führen. Ein Anstieg der Küstenerosion würde zu einer drastischen Erhöhung von Sedimentfracht, organischem Kohlenstoff und von Schadstoffen im Arktischen Ozean führen. Durch diese wiederum drohen dramatische Änderungen in der Geochemie und Biodiversität der küstennahen Zone sowie Veränderungen im Kohlenstoffkreislauf des Arktischen Ozeans. Modelle zur Berechnung des Eintrags organischen Kohlenstoffs in den Arktischen Ozean infolge von Küstenerosion basieren auf der Länge der Küstenlinie in Form von „non self-similar“ Datensätzen. Die vorliegende Arbeit zeigt jedoch, dass die Nutzung von Küstenlinien unterschiedlicher Maßstäbe Abweichungen in der berechneten Sedimentfracht von bis zu 30 % zur Folge haben kann. Es wird daher eine alternative Methode zur Berechnung von Erosionsraten vorgeschlagen, die auf Flächen, nicht auf Längenangaben basiert (z.B. Pufferzonen anstelle von Küstenlinien) und die auf einfache Art und Weise für die Zirkum-Arktis angewandt werden kann. Durch diese Methode ist die Variation der berechneten Erosionsmengen um durchschnittlich 70 % weniger von Maßstabsänderungen betroffen. Damit kann eine deutlich höhere Zuverlässigkeit in den Prognosen erreicht werden. Aktuelle Abschätzungen von Küstenerosionsraten in der Arktis sind spärlich und es gibt nur sehr wenige Langzeitdatensätze, so dass Einschätzungen und Prognosen zu Prozessen im Küstenbereich, insbesondere von dessen Gefährdung, schwierig sind. Die vorliegende Arbeit soll dazu beigetragen, diese Lücke zu schließen, indem der erste Langzeitdatensatz (1951-2006) zu Küstenerosionsraten auf der Bykovsky Halbinsel in Nordost-Sibirien bereitgestellt wird. Die Arbeit zeigt, dass die Küstenlinie auf der Bykovsky Halbinsel, die durch eisreichen Permafrost geprägt ist, im Zeitraum 1951-2006 um durchschnittlich 0,59 m pro Jahr zurückging. Die Rückzugsraten waren dabei äußerst variabel: 97 % aller ermittelten Raten betrugen weniger als 2 m und 81,6 % weniger als 1 m pro Jahr. Ein signifikanter Trend in den Erosionsraten konnte dabei jedoch trotz Analyse von fünf verschiedenen zeitlichen Epochen nicht festgestellt werden. Auch die Gegenüberstellung von Winddatensätzen kann die Erosionsraten nicht erklären. Deshalb stellt diese Arbeit die Bedeutung lokaler Kontrollmechanismen wie Kryostratigraphie, die Nähe der Bykovsky Halbinsel zum Lena-Delta und seinen Süßwasservorkommen sowie die lokale Topographie und deren Einfluss auf Wellengang und Wellenbildung heraus. Innerhalb eisreicher arktischer Küstenabschnitte führt die Interaktion zwischen Küstendynamik und Permafrost zur Ausprägung eindrucksvoller, „C-förmiger“ Depressionen, sogenannten regressiven auftaubedingten Rutschungen, die Längen von bis zu 650 m erreichen können. Auf Herschel Island und am King Point (Yukon Küste, Nordkanada) wurden topographische, sedimentologische und biogeochemische Aufnahmen durchgeführt, um die rezente und vergangene Dynamik dieser Landschaftsformen nachvollziehen zu können. Insbesondere wurden ungestörte Tundrenareale mit ehemals aktiven Rutschungszonen, die heute stabil und wiederbewachsen sind, verglichen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass diese ehemaligen, heute stabilisierten Rutschungszonen trockenere und für Pflanzenwachstum weniger geeignete Standorte darstellen als ungestörte Bereiche und überdies fundamental andere geotechnische Eigenschaften aufweisen. Radiocarbon-Datierungen und topographische Aufnahmen weisen darauf hin, dass es auf Herschel Island und am King Point bis vor 300 Jahren eine Periode ausgeprägter, auftaubedingter Rutschungsaktivitäten ähnlich denen, die derzeit auf der Insel beobachtet werden können, gegeben haben muss, die zur Ausbildung dieser Oberflächenstrukturen geführt haben. Diese Arbeit stellt auf Grundlage der untersuchten Topographie und Kryostratigraphie die Hypothese auf, dass an der Küstenlinie von Herschel Island ein etwa 250-jähriger Zyklus von Rutschungsaktivitäten existiert und antizipiert eine höhere Frequenz im Auftreten dieser Rutschungsaktivitäten für die Zukunft. Die Vielfalt an Faktoren, die in dieser Arbeit beschrieben wurden, hebt die veränderte Intensität und Frequenz der auf arktische Küsten einwirkenden physikalischen Prozesse hervor. Dadurch werden auch aktuelle Auffassungen zur Bedrohung bestehender Industrie und Infrastruktur in der Arktis hinterfragt. Im Zusammenhang mit dem erwarteten Ausbau der Schifffahrt treibt der zunehmende anthropogene Einfluss die ökonomische und industrielle Entwicklung in arktischen Küstenregionen an, die Gegenstand einer wissenschaftlichen Betrachtung sein sollten.

Despite general concern that the massive deposits of methane stored under permafrost underground and undersea could be released into the atmosphere due to rising temperatures attributed to global climate change, little is known about the methanogenic microorganisms in permafrost sediments, their role in methane emissions, and their phylogeny. The aim of this thesis was to increase knowledge of uncultivated methanogenic microorganisms in submarine and terrestrial permafrost deposits, their community composition, the role they play with regard to methane emissions, and their phylogeny. It is assumed that methanogenic communities in warmer submarine permafrost may serve as a model to anticipate the response of methanogenic communities in colder terrestrial permafrost to rising temperatures. The compositions of methanogenic communities were examined in terrestrial and submarine permafrost sediment samples. The submarine permafrost studied in this research was 10°C warmer than the terrestrial permafrost. By polymerase chain reaction (PCR), DNA was extracted from each of the samples and analyzed by molecular microbiological methods such as PCR-DGGE, RT-PCR, and cloning. Furthermore, these samples were used for in vitro experiment and FISH. The submarine permafrost analysis of the isotope composition of CH4 suggested a relationship between methane content and in situ active methanogenesis. Furthermore, active methanogenesis was proven using 13C-isotope measurements of methane in submarine permafrost sediment with a high TOC value and a high methane concentration. In the molecular-microbiological studies uncultivated lines of Methanosarcina, Methanomicrobiales, Methanobacteriacea and the Groups 1.3 and Marine Benthic from Crenarchaeota were found in all submarine and terrestrial permafrost samples. Methanosarcina was the dominant group of the Archaea in all submarine and terrestrial permafrost samples. The archaeal community composition, in particular, the methanogenic community composition showed diversity with changes in temperatures. Furthermore, cell count of methanogens in submarine permafrost was 10 times higher than in terrestrial permafrost. In vitro experiments showed that methanogens adapt quickly and well to higher temperatures. If temperatures rise due to climate change, an increase in methanogenic activity can be expected as long as organic material is sufficiently available and qualitatively adequate. / Trotz allgemeiner Bedenken, dass auf Grund des Temperaturanstieges im Zusammenhang mit der globalen Klimaerwärmung große Mengen des in terrestrischen und submarinen Permafrostsedimenten gespeicherten Methans freigesetzt werden könnte, ist bisher wenig über die in diesen Böden lebenden methanogenen Mikroorganismen, ihre Phylogenese und sowie ihre Bedeutung hinsichtlich der Methanemissionen bekannt. Das Ziel dieser Doktorarbeit war die Erweiterung der bisherigen Kenntnisse über unkultivierte methanogene Mikroorganismen in submarinen und terrestrischen Sedimentablagerungen, die Zusammensetzung ihrer Lebensgemeinschaft, ihrer Phylogenese und ihrer Bedeutung bei der Emission von Methan. Es wird vermutet, dass methanogene Gemeinschaften submarines Permafrostes zur Erstellung von Modellen genutzt werden können, um Aussagen bezüglich potenzieller Reaktionen methanogener Gemeinschaften des kälteren terrestrischen Permafrostes auf steigende Temperaturen, zu ermöglichen. Die Zusammensetzung der methanogenen Gemeinschaft wurde in terrestrischen und submarinen Permafrostproben untersucht. Der im Rahmen dieser Forschungsarbeit untersuchte submarine Permafrost wies eine im Vergleich zum terrestrischen Permafrost um circa 10°C höhere Temperatur auf. Mittels Polymerasenkettenreaktion (PCR) wurde von jeder der Proben DNA extrahiert und mittels weiterer molekular-mikrobiologischen Methoden wie DGGE, RT-PCR und Klonierung analysiert. Des Weiteren wurden die Proben für in vitro Experimente und Zellzählungen (DAPI und FISH) verwendet. Die Analyse der Isotopenzusammensetzung von CH4 in submarinen Permafrostsedimenten ließ einen Zusammenhang zwischen Methangehalt und aktiver in situ Methanogenese vermuten. Überdies konnte aktive Methanogenese, mittels 13C-Isotopenmessungen von Methan in submarinem Permafrostsediment mit hohem TOC-Wert und hoher Methankonzentration, bewiesen werden. Im Rahmen der molekular-mikrobiologischen Untersuchungen wurden in allen submarinen und terrestrischen Permafrostproben unkultivierte Linien von Methanosarcina, Methanomicrobiales, Methanobacteriacea und den Gruppen 1.3 und Marine Benthic von Crenarchaeota gefunden. Methanosarcina war in allen submarinen und terrestrischen Permafrostproben die dominierende Gruppe der Archaeen. Die Zusammensetzung der archaealen Gemeinschaft, insbesondere die Zusammensetzung der methanogenen Gemeinschaft, variierte zwischen den submarinen und terrestrischen Proben. Des Weiteren fand sich bei der Zellzählung der Methanogenen im submarinen Permafrost eine 10-fach höhere Zellzahl als im terrestrischen Permafrost. Die in vitro Experimente zeigten, dass Methanogene sich schnell und gut an höhere Temperaturen anpassen können. Im Falle weiter steigender Temperaturen auf Grund der Klimaveränderungen, kann – bei ausreichender Verfügbarkeit und Qualität organischen Materials – mit einer Zunahme der methanogenen Aktivität gerechnet werden.

Electrical resistivity tomography (ERT) is a commonly used geophysical method to investigate permafrost in the mountain environment, but few studies have employed this method in a permafrost affected peatland. For this thesis, 5 ERT profiles were measured over 17 palsas and peat-plateaus in a palsa peatland environment in Tavvavuoma, northern Sweden, where the primary aim was to investigate the depth to the base of permafrost under the mounds. These depths are also used to estimate the excess ice fraction (EIF), which is indicative of the proportion of segregation ice in the frozen core under the mounds. The internal structure of palsas and the spatial distribution of permafrost was also investigated from the inverted resistivity models. Permafrost thickness was found to range from 5 – 17 m, with the thickest permafrost in the west end of the study area. EIF values range between 0,04 to 0,58, with the lowest values in the same end as the deepest permafrost, where also low mound elevations are found. The deep permafrost combined with low mound elevations are suggested to be attributed to the presence of coarse grained (glaciofluvial) sediments where ice segregation formation is limited, thus small amounts of frost heave. Deep permafrost is possibly underlying at least two thermokarst depressions/fens in the area, which is suggested to obstruct their drainage. The height of the mounds was surprisingly found to decrease with permafrost thickness, a relationship that is likely to be an effect of the varied underlying sediment cover. This thesis demonstrates the applicability of ERT in peatland permafrost research, but also considers the limitations of the method. / Elektrisk resistivitetstomografi (ERT) är en geofysisk metod som har använts flitigt vid undersökningar av alpin permafrost, men få studier har hittills tillämpat denna teknik vid undersökningar av permafrost i myrmarker. Under detta examensarbete på masternivå mättes 5 ERT-profiler över 17 palsar samt torvplatåer i ett palsmyrkomplex med sporadisk permafrost i Tavvavuoma, norra Sverige, med det primära målet att undersöka permafrostens mäktighet under dessa. De beräknade permafrostdjupen används även för att uppskatta isöverskottsfraktionen (EIF), vilket ger en indikation på andelen segregationsis i den frusna kärnan under respektive pals/torvplatå. Palsarnas interna struktur och den rumsliga utbredningen av permafrost i myren diskuteras också kvalitativt utifrån resistivitetsmodellerna. Permafrostmäktigheten under palsar och torvplatåer bestämdes till mellan 5 – 17 meter, med den djupaste permafrosten i den västra delen av studieområdet. Isöverskottsfraktionen varierar mellan 0,04 – 0,58, med de lägsta värdena i samma del av studieområdet som den djupaste permafrosten fanns, här är även palshöjderna låga. Den djupa permafrosten i kombination med låga palshöjder föreslås tillskrivas förekomst av grovkorniga (glaciofluviala) sediment i denna del av studieområdet, där bildningen av segregationsis begränsas. I och med detta begränsas mängden frosthävning, med låga palshöjder som resultat. Djup permafrost kan finnas under minst två thermokarstsänkor i området, vilket kan hindra dränering av dessa. Ett oväntat resultat var att palshöjd minskar med ökat permafrostdjup bland de studerade objekten, vilket bäst kan förklaras med det varierade sedimentunderlaget, som ger mycket olika förutsättningar för segregationsisbildning. Denna masteruppsats visar på tillämpligheten av ERT i myrmarker med permafrost, men beaktar även metodens begränsningar för denna tillämpning.

Permafrost-affected ecosystems including peat wetlands are among the most obvious regions in which current microbial controls on organic matter decomposition are likely to change as a result of global warming. Wet tundra ecosystems in particular are ideal sites for increased methane production because of the waterlogged, anoxic conditions that prevail in seasonally increasing thawed layers. The following doctoral research project focused on investigating the abundance and distribution of the methane-cycling microbial communities in four different polygons on Herschel Island and the Yukon Coast. Despite the relevance of the Canadian Western Arctic in the global methane budget, the permafrost microbial communities there have thus far remained insufficiently characterized. Through the study of methanogenic and methanotrophic microbial communities involved in the decomposition of permafrost organic matter and their potential reaction to rising environmental temperatures, the overarching goal of the ensuing thesis is to fill the current gap in understanding the fate of the organic carbon currently stored in Artic environments and its implications regarding the methane cycle in permafrost environments. To attain this goal, a multiproxy approach including community fingerprinting analysis, cloning, quantitative PCR and next generation sequencing was used to describe the bacterial and archaeal community present in the active layer of four polygons and to scrutinize the diversity and distribution of methane-cycling microorganisms at different depths. These methods were combined with soil properties analyses in order to identify the main physico-chemical variables shaping these communities. In addition a climate warming simulation experiment was carried-out on intact active layer cores retrieved from Herschel Island in order to investigate the changes in the methane-cycling communities associated with an increase in soil temperature and to help better predict future methane-fluxes from polygonal wet tundra environments in the context of climate change. Results showed that the microbial community found in the water-saturated and carbon-rich polygons on Herschel Island and the Yukon Coast was diverse and showed a similar distribution with depth in all four polygons sampled. Specifically, the methanogenic community identified resembled the communities found in other similar Arctic study sites and showed comparable potential methane production rates, whereas the methane oxidizing bacterial community differed from what has been found so far, being dominated by type-II rather than type-I methanotrophs. After being subjected to strong increases in soil temperature, the active-layer microbial community demonstrated the ability to quickly adapt and as a result shifts in community composition could be observed. These results contribute to the understanding of carbon dynamics in Arctic permafrost regions and allow an assessment of the potential impact of climate change on methane-cycling microbial communities. This thesis constitutes the first in-depth study of methane-cycling communities in the Canadian Western Arctic, striving to advance our understanding of these communities in degrading permafrost environments by establishing an important new observatory in the Circum-Arctic. / Permafrost beeinflusste Ökosysteme gehören zu den Regionen, in denen als Folge der globalen Erwärmung eine Veränderung des mikrobiell-kontrollierten Abbaus von organischem Material zu erwarten ist. Besonders in den Ökosystemen der feuchten Tundralandschaften kommt es zu einer verstärkten Methanpoduktion unter wassergesättigten und anoxischen Bedingungen, die durch immer tiefere saisonale Auftauschichten begünstigt werden. Die vorliegende Doktorarbeit kontenzentrierte sich auf die Untersuchung der Abundanz und Verteilung der am Methankreislauf beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften in vier unterschiedlichen Polygonen auf der Insel Herschel und an der Yukon Küste in Kanada. Trotz des relevanten Beitrags der kanadischen West-Arktis am globalen Methanhaushalt, sind die dortigen mikrobiellen Gemeinschaften im Permafrost bisher nur unzureichend untersucht worden. Die zentrale Zielstellung der vorliegenden Arbeit besteht darin, die derzeitige Lücke im Verständnis der Kohlenstoffdynamik in der Arktis im Zuge von Klimaveränderungen und deren Bedeutung für den Methankreislauf in Permafrost-Ökosystemen zu schließen. Dies erfolgt durch Untersuchungen der am Abbau der organischen Substanz im Permafrost beteiligten methonogenen und methanothrophen mikrobiellen Gemeinschaften und ihrer möglichen Reaktionen auf steigende Umgebungstemperaturen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein Multiproxy-Ansatz gewählt, der die Analyse der Gemeinschaften mittels genetischen Fingerprintmethoden, Klonierung, quantitativer PCR und moderner Hochdurchsatzsequenzierung („Next Generation Sequencing“) beinhaltet, um die in der Auftauschicht der vier untersuchten Polygone vorhandenen Bakterien- und Archaeen-Gemeinschaften zu charakterisieren sowie die Diversität und Verteilung der am Methankreislauf beteiligten Mikroorganismen in unterschiedlicher Tiefe eingehend zu analysieren. Diese Studien wurden mit physikalisch-chemischen Habitatuntersuchungen kombiniert, da diese die mikrobiellen Lebensgemeinschaften maßgeblich beeinflussen. Zusätzlich wurde ein Laborexperiment zur Simulation der Klimaerwärmung an intakten Bodenmonolithen von der Insel Herschel durchgeführt, um die Veränderungen der am Methankreislauf beteiligten Gemeinschaften aufgrund steigender Bodentemperaturen zu untersuchen, sowie sicherere Voraussagen bezüglich der Methanfreisetzung in polygonalen Permafrostgebieten im Zusammenhang mit dem Klimawandel treffen zu können.

Permafrost is an important component in Arctic environments and has been hypothesized to be diminishing due to global warming. A growing concern is that large quantities of stored organic carbon will be mobilized and released to the atmosphere as the potent greenhouse gas methane if the ground thaws. This could result in a massive positive feedback on the global climate change. To quantify this effect, the permafrost extent as well as carbon storages must be mapped. In this study, a Basal Temperature of Snow (BTS) survey is conducted in the Tarfala Valley in Northern Sweden and a model of the current permafrost extent in the region is produced. Additionally, the model explores how the permafrost extent will change under three climate change scenarios at +1°C, +2°C and +4°C. According to a statistical analysis, elevation is the only significant variable for permafrost occurrence in the Tarfala Valley. Currently, continuous permafrost (&gt;0.8 probability) is present at elevations exceeding 1523 m a.s.l. and sporadic or patchy permafrost (&lt;0.5 probability) dominates below 1108 m a.s.l. The permafrost in Northern Sweden is near the boundary of favorable conditions for permafrost, and the greatest decline in permafrost extent occurs during the initial warming. In the +1°C scenario, which will be reached in 20 years if current warming rate is sustained, 97.6% of the continuous permafrost in the Abisko and Tarfala area degrades. The areal extent of the zone with the lowest probability of permafrost occurrence increases from 59% to 90% in the same scenario. Under continued warming to +4°C compared to current ground temperatures, 98% of the study area will be covered by sporadic or patchy occurrences of permafrost. / Permafrost är en viktig komponent i arktiska miljöer och befaras minska i utbredning på grund av den globala uppvärmningen. En farhåga är att stora mängder bundet organiskt kol ska mobiliseras och släppas ut till atmosfären som den potenta växthusgasen metan om marken värms. Detta skulle kunna innebära stor positiv återkoppling på de globalt stigande temperaturerna. För att kvantifiera den effekten är det viktigt att kartlägga permafrostens utbredning såväl som mängde bundet kol i permafrostmarker. I den här studien utförs en undersökning av bastemperaturen av snötäcket (BTS) i Tarfaladalen i norra Sverige och en modellering av permafrostens nuvarande utbredning i regionen. Vidare modelleras hur permafrostens utbredning kommer att påverkas i framtiden under tre olika klimatförändringsscenarior vid +1°C, +2°C och +4°C. Enligt en statistisk analys är altitud den enda signifikanta variabeln för permafrostförekomst i Tarfaladalen. Vid nuvarande marktemperaturer är kontinuerlig permafrost (&gt;0.8 probabilitet) utbredd på höjder över 1523 m ö.h. och sporadisk permafrost (0.5 - 0 probabilitet) dominerar under 1108. Permafrosten i norra Sverige är nära gränsen för dess gynnsamma förhållanden och den huvudsakliga förlusten av permafrost sker redan vid en blygsam markuppvärmning. I scenariot +1°C, som inträffar redan om 20 år om nuvarande uppvärmningstakt fortsätter, degraderas 97.6% av den kontinuerliga permafrosten i Abisko och Tarfalaområdet. Utbredningen av sporadisk permafrost, det vill säga zonen med lägst sannolikhet för permafrostförekomst, ökar i det scenariot från 59% till 90%. Vid fortsatt uppvärmning till +4°C jämfört med nuvarande marktemperaturer så kommer 98% av det studerade området endast innehålla sporadiska förekomster av permafrost.

Snö och permafrost är två interagerande komponenter i Kryosfären. Studien undersöker snödjupets representativitet vid marktemperaturmätningar under snötäcket (BTS) för identifiering av permafrost i Tarfala, norra Sverige. Snödjupsmätningar har utfördes i två korsande 20 m transekter i nordsydlig (NS) samt östvästlig (ÖV) riktning utifrån en BTS-punkt. Totalt har 37 BTS (snödjup &gt; 80 cm) med tillhörande snödjupsmätningar registrerats och analyserats. Snödjupet varierar både lokalt kring mätpunkten och regionalt i mättransekter men är ändå ett representativt snödjup för en punkt. Representativa BTS, sett ur ett snödjupsperspektiv, bör registreras på platser med måttlig snödjupsvariation som på platser med homogent markunderlag, vindskyddade områden, lä bakom ryggar och sluttningar vinkelräta mot den dominerande vindriktningen. BTS provplatser bör också ta hänsyn till de mest förekommande klasserna av parametrarna altitud, sluttning och slutningsriktning för att erhålla representativa BTS. Detta baserat på jämförelse mellan två strategier för insamling av BTS genom permafrostmodellering mellan två dataset. Ett BTS dataset från 2011 jämfört med BTS insamlade mars 2013. / Snow and permafrost are two interacting components in the Cryosphere. This study is focusing on snow depth and its influence on bottom temperature of snow cover (BTS) in Tarfala, Northern Sweden. BTS indicate the absence or presence of permafrost if the snow depth &gt; 80 cm. Snow depth measurements were carried out with a resolution of 1 m in two 20 m crossing transects in NS and EW direction around the BTS point. A total of 37 BTS with accompanying snow depths was measured and analyzed. Snow depths varied around the BTS but are representative for the measured 20 m transects. Locations with moderate snow depth variations make out representative probe sites from a snow depth perspective, such as homogenous ground cover, wind protected areas, in the lee behind ridges and slopes perpendicular towards the dominating wind direction. Also to find representative BTS probe site two strategies for collecting BTS have been evaluated through permafrost modeling. One dataset recorded in 2011 focused on covering a big variety of altitude, slope and aspects. The second dataset registered in March 2013 aimed to cover the most frequent classes of the mentioned parameters. The latter strategy is also the preferably method based on the comparison between the two models.