Ghent University Academic Bibliography

Advanced

Monitoring and analyzing the ground thermal regime in the Russian Altay Mountains

Ruben Van De Kerchove UGent (2012)
abstract
Globaal warmt onze aarde op aan een snelheid, ongezien sinds het ontstaan van de moderne mens. Regionaal zijn er echter uitgesproken verschillen waar te nemen in de snelheid en ernst van deze klimaatsverandering. Zo vertonen continentale gebergtes als het Altay-gebergte, gelegen in de grensregio tussen Rusland, China, Kazachstan en Mongolië, met een gemiddelde temperatuursstijging van 0.30°C per 10 jaar tijdens de laatste 50 jaar, een veel sterkere opwarming dan het aardse gemiddelde. Als gevolg van deze opwarming zijn de gebergtegletsjers in het Altay-gebergte sterk in grootte afgenomen. Daarnaast vertoont ook de temperatuur van de bovenste lagen van de permafrost een sterke toename, wat leidt tot een ontdooiing van deze permanent bevroren bodem. Het zijn deze veranderingen die een dramatische impact kunnen hebben in het semi-ariede Altay-gebergte waar de lokale bevolking sterk afhankelijk is van het smeltwater van deze eeuwige sneeuw en ijs. Specifiek voor het Altay-gebergte zou een klimaatsopwarming, en het bijbehorend ontdooien van de permafrost, tevens een dramatische impact hebben op het talrijke archeologische erfgoed in de regio. Het ganse Altay-gebergte kan namelijk beschouwd worden als één van de belangrijkste archeologische vindplaatsen ter wereld. Zo vormt het al duizenden jaren een belangrijk overgangsgebied tussen de Mongoolse en Kazachse steppe wat maakt dat doorheen de regio tal van archeologische monumenten, daterend van het Eneolithicum (3de millenium v. Chr.) tot de Etnografische periode (19de eeuw n.Chr.), verspreid liggen. Waarschijnlijk de meest bekende onder de verschillende culturen die het Altay-gebergte bevolkten zijn de Scythen, een nomadisch volk dat gedurende het eerste millenium v. Chr. doorheen het ganse euraziatische steppe-gebied zwierf. Hun bekendheid hebben ze te danken aan het opgraven van enkele bevroren Scythische graven in de loop van de 20ste eeuw, met perfect bewaarde gemummificieerde lijken, opgetuigde paarden, leer, hout, textiel en wapens als belangrijke getuigen van de Scytische samenleving. De bevroren toestand van deze Scythische graven werd veroorzaakt door een combinatie van het continentale klimaat (wat permafrost mogelijk maakt) en een extra afkoelend effect als gevolg van hun oppervlak bestaande uit grove keien. Een opwarmend klimaat en bijhorende opwarming van de bodem vormen bijgevolg een groot gevaar voor de waardevolle inhoud van de nog bevroren graven die onherroepelijk dreigt verloren te gaan. Daarnaast zou het verdwijnen van de permafrost eveneens dramatische gevolgen kunnen hebben op de stabiliteit van de geplande gas-pijplijn die China van Russisch gas moet voorzien. Om het effect van een opwarmend klimaat op de bodemtemperatuur echter te kunnen voorspellen is het nodig om de actuele toestand van de bodem en de relatie tussen bodemtemperatuur en verschillende site-kenmerken tot in detail te kennen. Dergelijke kennis is echter afwezig in het dunbevolkte en onherbergzame Altay-gebergte en vormt het hoofddoel van dit proefschrift Om voorgaand doel te bewerkstelligen wordt in dit proefschrift gebruik gemaakt van een combinatie van veldgegevens en data verkregen door middel van satellietbeelden. Deze gegevens zijn complementair in die zin dat velddata (i.e. temperatuurmetingen) gedetailleerde info verschaffen op micro-niveau, terwijl data verkregen uit satellietdata een synoptisch karakter hebben (i.e. spatiaal en temporaal continu zijn). De kern van het onderzoek bestaat uit 3 deelobjectieven die zijn uitgewerkt over 5 hoofdstukken (3 t.e.m. 7). Een eerste doelstelling bestudeert de ruimtelijke en temporele variatie in oppervlakte-temperatuur gemeten met behulp van satellietbeelden, meer bepaald aan de hand van MODIS temperatuur tijdseries. Hierbij wordt temporele variatie vastgesteld door middel van Fourier analyse waarbij ruimtelijke variatie in bekomen amplitudes en fase-verschillen de grote variatie in oppervlakte-temperatuur aantonen. Door middel van meervoudige lineare regressies wordt hierna de invloed van diverse site-kenmerken op deze amplitudes en fases onderzocht. De tweede doelstelling is sterk vergelijkbaar met de eerste, met dit verschil dat oppervlakte temperatuur gemeten wordt met behulp van temperatuur data-loggers die temperaturen registreerden gedurende twee jaar op diverse locaties in verschillende valleien van het Russische Altay gebergte. Deze data heeft het voordeel ten opzichte van temperaturen bepaald door middel van satellietbeelden dat tevens het effect van verschillen in vegetatie-en sneeuwkarakteristieken kan worden onderzocht. Met behulp van deze data wordt ten eerste de invloed van diverse site-kenmerken op deze temperaturen nagegaan (spatiale analyse). Ten tweede wordt deze data ook gebruikt om de bodemtemperaturen doorheen het studiegebied te bepalen door middel van drie statische predictie-modellen die onderling worden vergeleken. Tenslotte wordt er in de derde doelstelling dieper ingegaan op het extra afkoelend effect veroorzaakt door de Scytische grafheuvels die zich in het studiegebied bevinden. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van temperaturen gemeten in vier archeologische sites, en vergeleken met temperaturen geregistreerd vlak naast de grafheuvels. Temperaturen werden bestudeerd op drie niveaus: (i) oppervlakte temperaturen; (ii) grond-temperaturen en (iii) temperaturen in drie dimensies. Resultaten tonen de grote variatie in temperaturen in het studiegebied en hun relatie met diverse site-kenmerken. Ten eerste worden bodemtemperaturen (gaande van de oppervlakte tot in de diepte) bepaald door het sterke continentale klimaat met strenge winters en relatief warme zomers. Als gevolg hiervan zijn bodemtemperaturen in het Altay-gebergte in vergelijking met bodem-temperaturen op gelijke breedte-ligging in meer maritieme omstandigheden, relatief koeler en warmer in respectievelijk de winter en zomer. Het geringe sneeuwdek verbonden aan het continentale klimaat zorgt daarenboven eveneens voor een extra afkoeling aangezien de dikte van dit sneeuwdek over het algemeen onvoldoende is om de bodem te isoleren van atmosferische invloed. Aan de andere kant, betekent dit geringe sneeuwdek ook een geringe hoeveelheid aan smeltwater wat impliceert dat ariede plantensoorten (steppe vegetatie) kenmerkend zijn voor de regio. Deze schrale vegetatie zorgt voor en zeer sterke opwarming van de bodem gedurende de zomer wat zowel blijkt uit de MODIS als data-logger oppervlakte-temperaturen. Dergelijke steppe-vegetatie is typisch voor de intermontane steppe gebieden en zuid-gerichte hellingen die door hun topografische positie gekenmerkt zijn door enorme jaarlijkse temperatuursschommelingen (respectievelijk als gevolg van de temperatuursinversies en extra insolatie). Hierdoor zijn deze gebieden extreem gevoelig voor een veranderend klimaat. Gelijkaardig effecten werden vastgesteld bij de Scythische grafheuvels die door hun convectieve processen een sterke afkoeling vertonen in de winter maar eveneens extreem gevoelig zijn voor veranderende omstandigheden. Dit in tegenstelling tot noord-gerichte hellingen en vochtige riviervalleien die door hun respectievelijk rijkere vegetatie (naaldwouden) en hoger vochtgehalte mildere temperaturen vertonen die bovendien resistenter zijn bij een mogelijke temperatuursstijging. Al deze data en analyses verduidelijken de ruimtelijke en temporele complexiteit in bodemtemperaturen en vormen kennis die gebruikt kan worden bij verdere studies omtrent bijvoorbeeld klimaatsverandering, remote sensing, archeologie, ...
Please use this url to cite or link to this publication:
author
promoter
UGent
organization
year
type
dissertation (monograph)
subject
pages
XXVII, 166 + CD-Rom pages
publisher
Ghent University. Faculty of Sciences
place of publication
Ghent, Belgium
defense location
Gent : Het Pand (zaal rector Vermeylen)
defense date
2012-06-28 16:00
ISBN
9789461970565
language
English
UGent publication?
yes
classification
D1
additional info
dissertation consists of copyrighted material
copyright statement
I have transferred the copyright for this publication to the publisher
id
2950224
handle
http://hdl.handle.net/1854/LU-2950224
date created
2012-06-29 18:51:59
date last changed
2012-07-02 09:04:33
@phdthesis{2950224,
  abstract     = {Globaal warmt onze aarde op aan een snelheid, ongezien sinds het ontstaan van de moderne mens. Regionaal zijn er echter uitgesproken verschillen waar te nemen in de snelheid en ernst van deze klimaatsverandering. Zo vertonen continentale gebergtes als het Altay-gebergte, gelegen in de grensregio tussen Rusland, China, Kazachstan en Mongoli{\"e}, met een gemiddelde temperatuursstijging van 0.30{\textdegree}C per 10 jaar tijdens de laatste 50 jaar, een veel sterkere opwarming dan het aardse gemiddelde. 
Als gevolg van deze opwarming zijn de gebergtegletsjers in het Altay-gebergte sterk in grootte afgenomen. Daarnaast vertoont ook de temperatuur van de bovenste lagen van de permafrost een sterke toename, wat leidt tot een ontdooiing van deze permanent bevroren bodem. Het zijn deze veranderingen die een dramatische impact kunnen hebben in het semi-ariede Altay-gebergte waar de lokale bevolking sterk afhankelijk is van het smeltwater van deze eeuwige sneeuw en ijs.
Specifiek voor het Altay-gebergte zou een klimaatsopwarming, en het bijbehorend ontdooien van de permafrost, tevens een dramatische impact hebben op het talrijke archeologische erfgoed in de regio. Het ganse Altay-gebergte kan namelijk beschouwd worden als {\'e}{\'e}n van de belangrijkste archeologische vindplaatsen ter wereld. Zo vormt het al duizenden jaren een belangrijk overgangsgebied tussen de Mongoolse en Kazachse steppe wat maakt dat doorheen de regio tal van archeologische monumenten, daterend van het Eneolithicum (3de millenium v. Chr.) tot de Etnografische periode (19de eeuw n.Chr.), verspreid liggen. Waarschijnlijk de meest bekende onder de verschillende culturen die het Altay-gebergte bevolkten zijn de Scythen, een nomadisch volk dat gedurende het eerste millenium v. Chr. doorheen het ganse euraziatische steppe-gebied zwierf. Hun bekendheid hebben ze te danken aan het opgraven van enkele bevroren Scythische graven in de loop van de 20ste eeuw, met perfect bewaarde gemummificieerde lijken, opgetuigde paarden, leer, hout, textiel en wapens als belangrijke getuigen van de Scytische samenleving. De bevroren toestand van deze Scythische graven werd veroorzaakt door een combinatie van het continentale klimaat (wat permafrost mogelijk maakt) en een extra afkoelend effect als gevolg van hun oppervlak bestaande uit grove keien.
Een opwarmend klimaat en bijhorende opwarming van de bodem vormen bijgevolg een groot gevaar voor de waardevolle inhoud van de nog bevroren graven die onherroepelijk dreigt verloren te gaan. Daarnaast zou het verdwijnen van de permafrost eveneens dramatische gevolgen kunnen hebben op de stabiliteit van de geplande gas-pijplijn die China van Russisch gas moet voorzien.
Om het effect van een opwarmend klimaat op de bodemtemperatuur echter te kunnen voorspellen is het nodig om de actuele toestand van de bodem en de relatie tussen bodemtemperatuur en verschillende site-kenmerken tot in detail te kennen. Dergelijke kennis is echter afwezig in het dunbevolkte en onherbergzame Altay-gebergte en vormt het hoofddoel van dit proefschrift
Om voorgaand doel te bewerkstelligen wordt in dit proefschrift gebruik gemaakt van een combinatie van veldgegevens en data verkregen door middel van satellietbeelden. Deze gegevens zijn complementair in die zin dat velddata (i.e. temperatuurmetingen) gedetailleerde info verschaffen op micro-niveau, terwijl data verkregen uit satellietdata een synoptisch karakter hebben (i.e. spatiaal en temporaal continu zijn).
De kern van het onderzoek bestaat uit 3 deelobjectieven die zijn uitgewerkt over 5 hoofdstukken (3 t.e.m. 7). Een eerste doelstelling bestudeert de ruimtelijke en temporele variatie in oppervlakte-temperatuur gemeten met behulp van satellietbeelden, meer bepaald aan de hand van MODIS temperatuur tijdseries. Hierbij wordt temporele variatie vastgesteld door middel van Fourier analyse waarbij ruimtelijke variatie in bekomen amplitudes en fase-verschillen de grote variatie in oppervlakte-temperatuur aantonen. Door middel van meervoudige lineare regressies wordt hierna de invloed van diverse site-kenmerken op deze amplitudes en fases onderzocht. 
De tweede doelstelling is sterk vergelijkbaar met de eerste, met dit verschil dat oppervlakte temperatuur gemeten wordt met behulp van temperatuur data-loggers die temperaturen registreerden gedurende twee jaar op diverse locaties in verschillende valleien van het Russische Altay gebergte. Deze data heeft het voordeel ten opzichte van temperaturen bepaald door middel van satellietbeelden dat tevens het effect van verschillen in vegetatie-en sneeuwkarakteristieken kan worden onderzocht. Met behulp van deze data wordt ten eerste de invloed van diverse site-kenmerken op deze temperaturen nagegaan (spatiale analyse). Ten tweede wordt deze data ook gebruikt om de bodemtemperaturen doorheen het studiegebied te bepalen door middel van drie statische predictie-modellen die onderling worden vergeleken.
Tenslotte wordt er in de derde doelstelling dieper ingegaan op het extra afkoelend effect veroorzaakt door de Scytische grafheuvels die zich in het studiegebied bevinden.  Hiervoor wordt gebruik gemaakt van temperaturen gemeten in vier archeologische sites, en vergeleken met temperaturen geregistreerd vlak naast de grafheuvels. Temperaturen werden bestudeerd op drie niveaus: (i) oppervlakte temperaturen; (ii) grond-temperaturen en (iii) temperaturen in drie dimensies. 
Resultaten tonen de grote variatie in temperaturen in het studiegebied en hun relatie met diverse site-kenmerken. 
Ten eerste worden bodemtemperaturen (gaande van de oppervlakte tot in de diepte) bepaald door het sterke continentale klimaat met strenge winters en relatief warme zomers. Als gevolg hiervan zijn bodemtemperaturen in het Altay-gebergte in vergelijking met bodem-temperaturen op gelijke breedte-ligging in meer maritieme omstandigheden, relatief koeler en warmer in respectievelijk de winter en zomer. Het geringe sneeuwdek verbonden aan het continentale klimaat zorgt daarenboven eveneens voor een extra afkoeling aangezien de dikte van dit sneeuwdek over het algemeen onvoldoende is om de bodem te isoleren van atmosferische invloed. Aan de andere kant, betekent dit geringe sneeuwdek ook een geringe hoeveelheid aan smeltwater wat impliceert dat ariede plantensoorten (steppe vegetatie) kenmerkend zijn voor de regio. Deze schrale vegetatie zorgt voor en zeer sterke opwarming van de bodem gedurende de zomer wat zowel blijkt uit de MODIS als data-logger oppervlakte-temperaturen. Dergelijke steppe-vegetatie is typisch voor de intermontane steppe gebieden en zuid-gerichte hellingen die door hun topografische positie gekenmerkt zijn door enorme jaarlijkse temperatuursschommelingen (respectievelijk als gevolg van de temperatuursinversies en extra insolatie). Hierdoor zijn deze gebieden extreem gevoelig voor een veranderend klimaat. Gelijkaardig effecten werden vastgesteld bij de Scythische grafheuvels die door hun convectieve processen een sterke afkoeling vertonen in de winter maar eveneens extreem gevoelig zijn voor veranderende omstandigheden. Dit in tegenstelling tot noord-gerichte hellingen en vochtige riviervalleien die door hun respectievelijk rijkere vegetatie (naaldwouden) en hoger vochtgehalte mildere temperaturen vertonen die bovendien resistenter zijn bij een mogelijke temperatuursstijging.  
Al deze data en analyses verduidelijken de ruimtelijke en temporele complexiteit in bodemtemperaturen en vormen kennis die gebruikt kan worden bij verdere studies omtrent bijvoorbeeld klimaatsverandering, remote sensing, archeologie, ...},
  author       = {Van De Kerchove, Ruben},
  isbn         = {9789461970565},
  language     = {eng},
  pages        = {XXVII, 166 + CD-Rom},
  publisher    = {Ghent University. Faculty of Sciences},
  school       = {Ghent University},
  title        = {Monitoring and analyzing the ground thermal regime in the Russian Altay Mountains},
  year         = {2012},
}

Chicago
Van De Kerchove, Ruben. 2012. “Monitoring and Analyzing the Ground Thermal Regime in the Russian Altay Mountains”. Ghent, Belgium: Ghent University. Faculty of Sciences.
APA
Van De Kerchove, R. (2012). Monitoring and analyzing the ground thermal regime in the Russian Altay Mountains. Ghent University. Faculty of Sciences, Ghent, Belgium.
Vancouver
1.
Van De Kerchove R. Monitoring and analyzing the ground thermal regime in the Russian Altay Mountains. [Ghent, Belgium]: Ghent University. Faculty of Sciences; 2012.
MLA
Van De Kerchove, Ruben. “Monitoring and Analyzing the Ground Thermal Regime in the Russian Altay Mountains.” 2012 : n. pag. Print.