Relazione tra cambiamento climatico, permafrost ed ecosistema negli ambienti alpini e artici

The mapping and monitoring of permafrost, active layer thickness (ALT), and methane flux distribution in the Arctic and European Alps have become critical areas of research due to the increasing impacts of climate change. This thesis focuses on spatial modeling and validation of permafrost, active layer and methane flux distributions using high-resolution remote sensing data combined with ground observations. The study aims to evaluate the accuracy of generated maps by comparing them with existing datasets and field measurements. The first objective of the study addresses the spatial mapping of permafrost zones and ALT in the Stelvio Pass region of the Italian Alps. Ground observations collected in 2018, a year characterized by record-high temperatures, provided essential baseline data for this analysis. The PERMACLIM model, integrated with high-resolution PlanetScope imagery, was utilized to account for snow cover variability, particularly during unexpected summer snow events. This approach improved the estimation of daily ground thermal regimes, which were subsequently used as inputs for ALT modeling. Results indicate that ALT in the study area has reached depths of up to 7.5 m. This methodology demonstrates significant potential for accurately mapping ALT and permafrost extent in alpine environments. The second objective examines seasonal variations in methane fluxes across dominant vegetation communities in the Arctic region of Alaska. Ground-based measurements were conducted from July to November 2024 at the Toolik Field Station. Environmental parameters, including soil temperature, soil moisture, air temperature, and photosynthetically active radiation (PAR), were recorded alongside methane flux measurements. Seasonal trends revealed an increase in methane emissions during the onset of freezing conditions, when the ground begins to freeze both from the surface and subsurface. Key factors influencing methane fluxes in tussock and wet plots include water saturation, unfrozen soil thickness, and elevated temperatures. Additionally, methane transport through the aerenchyma of tussock vegetation, bypassing oxidative soil layers, was identified as a contributing mechanism, although this effect was not quantified in the study. In summary, this thesis presents advanced spatial modeling techniques that enhance the mapping of permafrost and ALT through the integration of high-resolution satellite data. Secondly, recognising the seasonal trend and factors affecting methane flux emissions in Arctic. The findings contribute to the broader scientific understanding of climate change impacts on cryospheric systems, particularly the feedback mechanisms associated with carbon cycling in warming environments.

La mappatura e il monitoraggio del permafrost, dello spessore dello strato attivo (ALT) e della distribuzione del flusso di metano nell'Artico e nelle Alpi europee sono diventati aree critiche di ricerca a causa dei crescenti impatti del cambiamento climatico. Questa tesi si concentra sulla modellazione spaziale e sulla convalida delle distribuzioni del permafrost, dello strato attivo e del flusso di metano utilizzando dati di telerilevamento ad alta risoluzione combinati con osservazioni a terra. Lo studio mira a valutare l'accuratezza delle mappe generate confrontandole con set di dati esistenti e misurazioni sul campo. Il primo obiettivo dello studio riguarda la mappatura spaziale delle zone di permafrost e ALT nella regione del Passo dello Stelvio nelle Alpi italiane. Le osservazioni a terra raccolte nel 2018, un anno caratterizzato da temperature record, hanno fornito dati di base essenziali per questa analisi. Il modello PERMACLIM, integrato con immagini PlanetScope ad alta risoluzione, è stato utilizzato per tenere conto della variabilità della copertura nevosa, in particolare durante eventi di neve estiva inaspettati. Questo approccio ha migliorato la stima dei regimi termici giornalieri del suolo, che sono stati successivamente utilizzati come input per la modellazione ALT. I risultati indicano che l'ALT nell'area di studio ha raggiunto profondità fino a 7,5 m. Questa metodologia dimostra un potenziale significativo per la mappatura accurata dell'ALT e dell'estensione del permafrost negli ambienti alpini. Il secondo obiettivo esamina le variazioni stagionali nei flussi di metano nelle comunità di vegetazione dominanti nella regione artica dell'Alaska. Le misurazioni basate sul terreno sono state condotte da luglio a novembre 2024 presso la Toolik Field Station. I parametri ambientali, tra cui temperatura del suolo, umidità del suolo, temperatura dell'aria e radiazione fotosinteticamente attiva (PAR), sono stati registrati insieme alle misurazioni del flusso di metano. Le tendenze stagionali hanno rivelato un aumento delle emissioni di metano durante l'inizio delle condizioni di congelamento, quando il terreno inizia a congelare sia dalla superficie che dal sottosuolo. I fattori chiave che influenzano i flussi di metano nei cespugli e nelle aree umide includono la saturazione idrica, lo spessore del suolo non ghiacciato e le temperature elevate. Inoltre, il trasporto di metano attraverso l'aerenchima della vegetazione a cespuglio, bypassando gli strati di suolo ossidativo, è stato identificato come un meccanismo contributivo, sebbene questo effetto non sia stato quantificato nello studio. In sintesi, questa tesi presenta tecniche avanzate di modellazione spaziale che migliorano la mappatura del permafrost e dell'ALT attraverso l'integrazione di dati satellitari ad alta risoluzione. In secondo luogo, riconoscendo la tendenza stagionale e i fattori che influenzano le emissioni di flusso di metano nell'Artico. I risultati contribuiscono alla più ampia comprensione scientifica degli impatti del cambiamento climatico sui sistemi criosferici, in particolare i meccanismi di feedback associati al ciclo del carbonio negli ambienti riscaldati.