FrostInSAR: Upscaling the investigation of periglacial landforms in the Norwegian Arctic using Synthetic Aperture Radar Interferometry

I polare og fjell områder fører det kalde klimaet til temperatursvingninger rundt 0 °C. Bakken fryser og tiner, noe som forårsaker heving og senking av terrengets overflate på grunn av overgang mellom vann og is. I bratt terreng beveger steiner og sedimenter nedoverbakke på grunn av gravitasjon. Disse prosessene påvirker bakkens stabilitet som kan utgjøre en fare for befolkning og infrastruktur. Klimatiske, geologiske og topografiske faktorer fører til ulik romlig fordeling og tidsmessig variasjon av prosesser drevet av frost og gravitasjon, som bestemmer egenskapene til bakkedynamikken. Imidlertid er samspillet mellom miljøvariablene og bakkeegenskapene komplekse og utfordrende å studere. Tilgjengeligheten av omfattende og hyppige satellittbilder gir et verdifullt verktøy for å utvide observasjonen av avsidesliggende polare og fjell områder. FrostInSAR prosjektet benytter seg av åpen tilgang til bilder fra Copernicus Sentinel-1 Syntetisk Apertur Radar (SAR) satellitter for å analysere utvalgte studieområder i Nord-Norge og Svalbard. SAR Interferometri (InSAR) teknikken muliggjør målinger av overflatebevegelser med centimeter til millimeter nøyaktighet, ved å sammenligne bilder tatt på ulike tidspunkter. De analyserte endringene sammenliknes så med temperaturmålinger og feltbaserte kart. Mellom 2017 og 2021 har Ph.D. kandidat Line Rouyet laget InSAR-kart og tidsserier av bakkensendringer og relaterte resultatene til miljøfaktorer for å bedre forstå romlige og temporale årsaker til bakkens dynamikk i områder med sesongmessig eller flerårig frossen bakken (permafrost). Ph.D. prosjektet fokuserte på studieområder i Troms og Finnmark (Nord-Norge) og på Spitsbergen (Svalbard). Resultater fra FrostInSAR-prosjektet viser at InSAR er i stand til å dokumentere bevegelige landformer preget av hastigheter fra millimeter til meter i løpet av en sesong eller et år. InSAR bidrar også til økt forståelse av prosessene som forårsaker bakkens bevegelser, samt relasjon til miljøfaktorer, som temperatur og jordsammensetning. Ph.D. avhandlingen fremhever potensialet for fremtidig utnyttelse av InSAR teknologi for å bedre forstå prosessene som former landskap i områder med kaldt klima, for å identifisere farlige landformer på regional skala og for å overvåke utviklingen av arktiske miljø påvirket av klimaendringer.

FrostInSAR demonstrated the ability of InSAR to document the kinematic properties of the periglacial ground dynamics, both related to the ground freeze-thaw cycles in permafrost lowlands and the gradual downslope creeping landforms in mountainous environments. The research suggests novel ways to develop dedicated InSAR products relevant for the assessment of geohazards and the systematic observation of ground dynamics in the context of climate change. Future research in this scope is expected these coming years, especially within the framework of the Norwegian and European Ground Motion Mapping Services, the Svalbard Integrated Arctic Observing System (SIOS) and the European Space Agency Climate Change Initiative (CCI) Permafrost.

In perennial frozen ground (permafrost), the upper layer (active layer) is subject to seasonal freeze/thaw. This induces ground heave/subsidence that can affect the stability of infrastructure and slopes. In a context of climate change, the Nordic Arctic is affected by warming and permafrost degradation and is a key region in research in periglacial environments. FrostInSAR is a Ph.D. project that aims to study the potential of satellite remote sensing to upscale traditional point-scale measurements in periglacial landscape dynamics in the Arctic. By combining ground deformation derived from Synthetic Aperture Radar Interferometry (InSAR) with field observations and in-situ measurements, the project aims to measure, explain and predict the state and evolution of ground deformation related to freeze/thaw processes. This will contribute to enable adapted responses from stakeholders to deal with infrastructure and slope instability and to face the potential consequences of climate change. The Ph.D. research includes the implementation of signal processing algorithms to suit new SAR data and applications, and the development of explanatory and predictive models relating InSAR deformation to environmental variables. Sentinel-1a/b will provide valuable data to overcome some limitations of the technology related to phase ambiguity and coherence loss thanks to its short repeat pass and frequency. In addition, Radarsat-2 and TerraSAR-X data will contribute to get better spatial resolution. The project is designed to include study sites in Northern Norway and Svalbard in areas with perennial frozen ground (permafrost) or seasonally frozen ground. The project includes partners from Norut, the University Centre in Svalbard (UNIS), The Arctic University of Norway (UiT), The University of Oulu (UOulu), the ESA GlobPermafrost project via the coordinating partner ZAMG, the Austrian Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik and The Chinese University of Hong Kong (CUHK).