Remote Sensing Analysis of Recent Coastal Change and Controlling Factors in Tuktoyaktuk Peninsula (Beaufort Sea Coast, Canada)

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Costa, Bernardo Miguel Batista da
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/52111
Resumo: The average rate of coastal change in the Arctic Ocean is -0.5 m/yr, despite significant local and regional variations, with large areas well above -3 m/yr. Recent data suggest an acceleration of coastal retreat in specific areas due to an increasingly shorter sea ice season, higher storminess, warmer ocean waters and sea-level rise. Moreover, climate warming is inducing the subaerial degradation of permafrost and increasing land to sea sediment transportation. This work consists of the characterization and analysis of the main controlling factors influencing recent coastline change in the Tuktoyaktuk Peninsula, Northwest Territories, Canada. The specific objectives are: I. mapping Tuktoyaktuk Peninsula’s coastline at different time-steps using remote sensing imagery, II. quantifying the recent coastal change rates, III., characterizing the coastal morphology, IV. identifying the main controlling factors of the coastal change rates. A very high-resolution Pleiades survey from 2020, aerial photos from 1985 and the ArcticDEM were used. Results have shown an average coastline change rate of -1.06 m/yr between 1985 and 2020. While this number is higher than the Arctic average rate, it neglects to show the significance of extreme cases occurring in specific areas. Tundra cliffs are the main coastal setting, occupying c. 56% of the Tuktoyaktuk Peninsula coast and foreshore beaches represent 51%. The results display an influence of coastal geomorphology on change rates. The coastal retreat had higher values in backshore tundra flats (-1.74 m/yr), whereas aggradation concentrates in barrier beaches and sandspits (-0.81 m/yr). The presence of ice-wedge polygons contributes to increasing cliff retreat. Foreshore assessment may be crucial, as beaches present a hindering impact on coastal retreat (-0.76 m/yr), whereas foreshore tundra flats promote it (-1.74 m/yr). There are 48 areas with retreat rates higher than -4 m/yr, most being submersion cases. This dissertation identifies the interconnection between coastal geomorphology and change rates, raising attention to the distinct impacts of erosion and submersion processes.
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spelling Remote Sensing Analysis of Recent Coastal Change and Controlling Factors in Tuktoyaktuk Peninsula (Beaufort Sea Coast, Canada)Arctic Coastal ChangeErosionSubmersionRemote SensingCoastal MorphologyGeografiaOrdenamento do TerritórioThe average rate of coastal change in the Arctic Ocean is -0.5 m/yr, despite significant local and regional variations, with large areas well above -3 m/yr. Recent data suggest an acceleration of coastal retreat in specific areas due to an increasingly shorter sea ice season, higher storminess, warmer ocean waters and sea-level rise. Moreover, climate warming is inducing the subaerial degradation of permafrost and increasing land to sea sediment transportation. This work consists of the characterization and analysis of the main controlling factors influencing recent coastline change in the Tuktoyaktuk Peninsula, Northwest Territories, Canada. The specific objectives are: I. mapping Tuktoyaktuk Peninsula’s coastline at different time-steps using remote sensing imagery, II. quantifying the recent coastal change rates, III., characterizing the coastal morphology, IV. identifying the main controlling factors of the coastal change rates. A very high-resolution Pleiades survey from 2020, aerial photos from 1985 and the ArcticDEM were used. Results have shown an average coastline change rate of -1.06 m/yr between 1985 and 2020. While this number is higher than the Arctic average rate, it neglects to show the significance of extreme cases occurring in specific areas. Tundra cliffs are the main coastal setting, occupying c. 56% of the Tuktoyaktuk Peninsula coast and foreshore beaches represent 51%. The results display an influence of coastal geomorphology on change rates. The coastal retreat had higher values in backshore tundra flats (-1.74 m/yr), whereas aggradation concentrates in barrier beaches and sandspits (-0.81 m/yr). The presence of ice-wedge polygons contributes to increasing cliff retreat. Foreshore assessment may be crucial, as beaches present a hindering impact on coastal retreat (-0.76 m/yr), whereas foreshore tundra flats promote it (-1.74 m/yr). There are 48 areas with retreat rates higher than -4 m/yr, most being submersion cases. This dissertation identifies the interconnection between coastal geomorphology and change rates, raising attention to the distinct impacts of erosion and submersion processes.O permafrost tem sido um reservatório natural de carbono durante milhares de anos. Contudo, nas últimas décadas o permafrost está a degradar-se e a ser erodido a um ritmo acelerado nas costas do Oceano Ártico. Os fluxos de carbono do permafrost para a atmosfera ou para os oceanos é ainda pouco conhecido (Couture et al., 2018; Olefeldt et al., 2016). Como o carbono é um importante componente no sistema climático global, o estudo das dinâmicas costeiras em áreas de permafrost é de grande relevância, potenciando uma melhoria dos modelos e projeções climáticas. A taxa média de mudança das linhas de costa do Oceano Ártico é de -0,5 m/a, embora existam significativas variações locais e regionais, com áreas que apresentam valores acima de -3 m/a (Lantuit et al., 2012). A análise de dados mais recentes indica para uma aceleração das taxas de recuo da linha de costa devido a fatores como a subida do nível médio das águas do mar, o recuo anual das massas de gelo marinho, a maior agitação marítima e o aumento da temperatura do Oceano Ártico (O’Rourke, 2017). Além disso, as alterações climáticas estão a provocar a crescente degradação do permafrost e a aumentar o transporte de sedimentos da terra para o mar. A costa do Mar de Beaufort é considerada como uma das áreas de maior vulnerabilidade costeira à subida do nível médio das águas do mar no Ártico e no Canada (Manson et al., 2019; O’Rourke, 2017) Esta dissertação visa analisar e caracterizar os principais fatores que controlam e influenciam as dinâmicas costeiras na Península de Tuktoyaktuk (Mar de Beaufort, Territórios do Noroeste, Canada). Focando-se no uso de técnicas e imagens de deteção remota, contribui para o mapeamento da linha de costa em 1985 e 2020. Também pretende caracterizar a morfologia costeira, calcular as taxas de mudança costeira entre 1985 em 2020 e identificar os principais fatores que as controlam. Para vetorizar manualmente a linha de costa de 2020, foi utilizada uma série de 7 imagens de muito alta resolução (0,5 m) do satélite CNES/Pléiades. A linha de costa de 1985 foi obtida a partir de fotografias aéreas monocromáticas da Biblioteca Nacional de Fotografias Aéreas do Natural Resources Canada. Estas imagens foram ortorectificadas e georreferenciadas utilizando o software ENVI. Ambas as linhas de costa foram utilizadas para calcular as taxas de mudança costeira entre 1985 e 2020. As taxas foram calculadas utilizando o Digital Shoreline Analysis System v.5.0 para o ArcGIS Desktop e classificadas por End Point Rate (EPR), indicando as taxas de mudança costeira em metros por ano (Himmelstoss et al., 2018). A classificação da morfologia costeira baseou-se nos critérios de Pelletier & Medioli (2014), Couture et. al. (2015) e Irrgang et. al. (2018), adaptados às condições da Península de Tuktoyaktuk. Esta classificação foi realizada através da fotointerpretação das imagens Pléiades e da utilização do modelo de digital superfície ArcticDEM com resolução de 2 m (United States National Geospatial-Intelligence Agency e National Science Foundation). Esta classificação foi realizada separadamente para a praia-alta (backshore) e praia-baixa (foreshore), com o objetivo de melhor analisar as suas diferentes influências (Couture et al., 2015). A primeira foi definida como uma superfície emersa atingida pelas ondas em episódios de extremo hidrodinamismo, localizada entre o limite interno do sistema (ex: arriba ou vegetação de tundra) e a praia baixa. A praia baixa é a área situada entre o ponto mais elevado atingido pela corrente de afluxo em maré alta e o ponto mais baixo do refluxo em maré baixa (Trindade, 2010). A praia-alta foi dividida em três classes: arribas na tundra, áreas rasas de tundra e praias-barreira. Para uma análise mais pormenorizada, as arribas foram ainda classificadas em função da sua altura e da existência de redes densas de polígonos de cunhas de gelo. Por outro lado, as áreas rasas de tundra foram diferenciadas de acordo com a presença de áreas húmidas na faixa entremarés e considerando o grau de complexidade da linha de costa. A praia-baixa foi dividida em praias, áreas rasas de tundra e arribas vivas. As imagens Pléiades foram também utilizadas para mapear áreas de deposição de troncos de madeira, que indicam a extensão de eventos passados de storm surge. As taxas de mudança costeira foram avaliadas de acordo com a morfologia costeira, de modo a avaliar o controlo da segunda sobre a primeira. Esta análise foi realizada considerando também as áreas afetadas por storm surge. A Península de Tuktoyaktuk é dominada pela presença de arribas não consolidadas, habitualmente com praias (as arribas de tundra representam 56% do backshore e as praias existem em 51% do foreshore). Sendo esta uma caracterização generalizada, é necessário também expressar a influência que as áreas rasas de tundra e praias-barreira exercem na dinâmica costeira. A Península de Tuktoyaktuk tem uma taxa média de mudança costeira de -1,06 m/a entre 1985 e 2020, situando-se entre os valores de -0.75 m/a estimados por Solomon (2005) para a Península de Tuktoyaktuk (faixa costeira da Baía de Kugmalit) e os valores avaliados de -1.12 por Lantuit et. al. (2012) para a costa canadiana do Mar de Beaufort. A Península de Tuktoyaktuk tem uma maior área costeira perdida por ano (48 ha) do que o território vizinho de Yukon (10 ha) (Irrgang et al., 2018). As taxas de recuo variaram entre -30,9 m/a e 11,2 m/a no período estudado. Estes valores devem-se a sectores específicos que apresentam alterações costeiras extremas, tendo sido identificadas 48 áreas com taxas de recuo superiores a 4 m/a. Catorze destes casos deveram-se a processos erosivos, três foram casos de rutura de lagos termocársticos, sendo que os restantes se deveram à submersão costeira (65%), ocorrendo maioritariamente em áreas rasas de tundra. Os casos de acumulação concentram-se na unidade de Praias-Barreira e em áreas protegidas da ondulação predominante de noroeste. Quando morfologia é analisada em função das taxas de mudança costeira, as áreas rasas de tundra representam os valores mais elevados de recuo costeiro, uma vez que não protegem contra a subida do mar e contra as tempestades. No extremo oposto, a existência de praias nas áreas de foreshore revelaram um efeito atenuante no recuo costeiro (-0,76 m/a). A análise da presença de redes densas de cunhas de gelo em áreas de arribas demostrou que estas contribuem para o aumento das taxas de recuo costeiro. A avaliação da geomorfologia costeira permitiu dividir a Península de Tuktoyaktuk em quatro grandes unidades: Porto de Tuktoyaktuk – Baía de Hutchinson; Baía de Hutchinson – Ponta de Atkinson; Baía de McKinley; Baía de Seal a Cabo Dalhousie (de sudoeste para nordeste). As duas unidades mais ocidentais apresentam um maior recuo costeiro, enquanto a baía de McKinley é o setor mais estável (valores). Os resultados confirmam a influência da geomorfologia na mudança costeira e evidenciam a necessidade de esta ser incluída para uma melhor avaliação dos impactos da mudança costeira. Fatores locais como as características do permafrost e a existência de gelo no solo, precisam de ser estudados in situ e em áreas detalhadas para clarificar os seus efeitos. Outra abordagem relevante é o estudo dos fatores externos (tempestades marítimas, subida das águas do mar) na dinâmica da mudança costeira. O trabalho demonstrou que na Península de Tuktoyaktuk, muitas áreas são mais suscetíveis à submersão do que à erosão. Assim, quando se analisa a dinâmica costeira, em particular através de metodologias de classificação automática de imagens de satélite, é necessário ter cuidado para distinguir de forma clara os dois fenómenos. É especialmente relevante o diferente impacto que a submersão ou a erosão vão ter para os cálculos de balanço sedimentar e, consequentemente, na avaliação dos fluxos de carbono do permafrost para o oceano. Considerando a difícil acessibilidade das regiões costeiras do Ártico, a utilização de dados e técnicas de deteção remota é um método relevante para o estudo destas regiões. Especificamente, a resolução espacial das imagens CNES-Pléiades foi uma componente decisiva na precisão desta dissertação, indicando uma inequívoca pertinência da utilização de imagens de deteção remota de muito alta resolução. Esta dissertação permitiu abordar os controlos entre a morfologia costeira e as taxas de mudança costeira. Tal como outros estudos contemporâneos da dinâmica costeira do permafrost, teve de escolher os seus critérios de linha de costa e ter em conta todas as diferentes áreas complexas dentro da Península de Tuktoyaktuk. À medida que os dados de alta resolução espácio-temporal como os orto mosaicos obtidos por veículos aéreos não tripulados e novas constelações de satélites se tornam mais acessíveis, a capacidade de interligar a morfologia costeira e as taxas de mudança costeira no Ártico será melhorada.Vieira, Gonçalo Brito Guapo TelesRepositório da Universidade de LisboaCosta, Bernardo Miguel Batista da2022-03-31T11:02:16Z2022-03-032022-03-03T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/52111TID:202970965enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:57:11Zoai:repositorio.ul.pt:10451/52111Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T22:03:15.805943Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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