The Longyearelva River-to-Ocean System; Monitoring an anthropogenic arctic fluvial system in changing climate over short and long timescales

Abstract

Påvirkningen av klimaendringer på episodiske og dynamiske miljøer, slik som Longyeardalen «kilde-til-avsetning»-systemet, er lite dokumentert. Arktis responderer to til seks ganger raskere på klimaendringer enn resten av verden. Dette understreker viktigheten av langtidsovervåkning, for en forbedret forståelse av hvordan klimaendringer påvirker Arktis. Denne studien tar sikte på å undersøke den langsiktige geomorfologiske utviklingen av det arktiske Longyear-deltaet, med hensyn til elv-til-hav interaksjoner. Studien er en del av et langsiktig overvåkingsprosjekt (RiS ID 11641). Hydrologi, sedimenttransport, og erosjon i Longyeardalen ble undersøkt sammen med en tvillingstudie av Pallesen (2022), som fokuserte på sedimentkilder og -transport i systemet. En stor samling av fjernmålingsdata, sammen med hydrologisk og geomorfologisk overvåking og kartlegging, ble brukt til å undersøke målet med studien, samt kvantifisere endringer oppdaget i deltaet.

Resultatene viser årlige trender, samt trender innad i sesongen, i vannføringen og transporten av suspenderte sedimenter. En hypotese var at det hydrologiske systemet var dominert av skiftende kontroller gjennom smeltesesongen. Begynnelsen av sesongen var dominert av snøsmelting, antydet av lav vannføring og sedimenttransport. Midten i sesongen var dominert av bresmelting, antydet av høye daglige svingninger og høy korrelasjon mellom vannføring og sedimenttransport. Slutten av sesongen var dominert av tining av permafrost, antydet av høy sedimenttransport og lav vannføring. Temperatur ble vist å være den viktigste kontrollerende variabelen for begynnelsen og midten av smeltesesongen.

Langs Longyeardalens kystlinje var tre seksjoner identifisert; 1) en erosjonskystlinje vest for Longyear-deltaet, 2) en fluktuerende kystlinje langs Longyear-deltaet, og 3) en avsetningskystlinje øst for deltaet. Deltamorfologien er et resultat av sedimenttilførsel, fjorddybde og de påvirkende transportmekanismene. To konseptuelle modeller for deltautvikling er presentert. Den første viser deltautbygning over de siste 10 ka år, etter siste istid. Den andre illustrerer hvordan asymmetrisk utbygning av Longyear-deltaet med erosjons- og avsetningsområder skjedde som et resultat av transport langs kysten (longshore transport). De to hovedfaktorene som påvirker deltafrontposisjonen er isostatisk landheving og utbygning på grunn av sedimentasjon i delta- og kystsonen.

Korttidsanalyser viser en rask netto erosjon av strandlinjen vest for deltaet, og rask netto utbygning øst for deltaet. Strandlinjen ved deltaet har i stor grad vært varierende og svært dynamisk de siste 30 årene. Langtidsanalyser viser ingen netto erosjon. Den korteste utbygningen var vest for deltaet, og en stor utbygning i øst. Den høyeste netto utbygningen som er dokumentert var opptil 167 m i deltafronten over de siste 85 årene. Den langsiktige prograderingen er et kombinert resultat av naturlig tilvekst og menneskeskapt påvirkning. Mest sannsynlig vil områder som allerede er utsatt for erosjon eller avsetning fortsette å gjennomgå den samme utviklingen i fremtiden.

Arktis forventes å bli varmere med økt nedbør og redusert havis. De langsiktige konsekvensene av klimaendringer er vanskelige å forutse, selv om de sannsynligvis vil påvirke hele «kilde-til-avsetning»-systemet. Det anbefales å fortsatte med overvåking av systemet for en ytterligere forståelse av den glasifluviale nedbørssystemets effekt på elv-til-hav interaksjoner, samt tette kunnskapshull.

The influence of climate change on episodic and dynamic environments, such as the Longyeardalen source-to-sink system, is little documented. The Arctic responds two to six times faster to climate change than the rest of the world, underlining the importance of creating long-term data series to improve the scientific understanding of how climate change impacts the Arctic. This study aims to investigate the long-term geomorphological development of the arctic Longyear delta with respect to river-to-ocean interactions. The study is a part of a long-term monitoring project (RiS ID 11641). The hydrology, sediment transport, and erosion in Longyeardalen were investigated along with a twin master study by Pallesen (2022), who focused on the source and transport in the source-to-sink system. A large collection of remote sensing data, together with hydrological and geomorphological monitoring and mapping, were applied to investigate the aim and quantify the changes detected in the delta.

Results show seasonal and inter-seasonal trends in the discharge and the transport of suspended sediment. In Longyearelva it was hypothesized that the hydrological system was dominated by shifting controls through the melting season. The beginning of the season was dominated by snowmelt, suggested by low discharge and sediment transport. The middle of the season was dominated by glacier melt, suggested by high diurnal fluctuations and correlation between the discharge and sediment transport. The end of the season was dominated by thawing permafrost, suggested by high sediment transport and low discharge. The temperature was found to be the main controlling variable for the beginning and middle of the melting season.

Along the Longyeardalen coastline three sections were identified; 1) an erosional coastline west of the Longyear delta, 2) a fluctuating coastline along the Longyear delta, and 3) a depositional coastline east of the delta. The delta morphology is a result of the sediment transported, the depth of the fjord, and the transport mechanisms acting upon it. Two conceptual models of delta development are presented. The first showing delta progradation over the last 10 ka years, after the past glacial. The second illustrates how the progradation of the Longyear delta became asymmetrical with a large erosional and depositional zone because of longshore transport. The two main factors that alter the delta front position were found to be isostatic uplift and progradation due to sedimentation in the delta and coastal zone.

Short-term analysis shows rapid net erosion of the shoreline west of the delta and rapid net progradation east of the delta. The shoreline by the delta has been largely fluctuating and highly dynamic for the last 30 years. Long-term analysis shows no net erosion. The smallest progradation occurred west of the delta, with an overall large progradation in the east. The highest net progradation documented was up to 167 m in the delta front over the last 85 years. The long-term progradation is a result of combined natural accretion and anthropogenic interference. Areas that are already prone to erosion or deposition will likely continue to experience the same development in the future.

The Arctic is projected to become warmer with increased precipitation and reduced sea ice. The long-term consequences of climate change are difficult to foresee, although they will likely affect the entire source-to-sink system. Continued monitoring of the system is therefore highly recommended for a further understanding of the glacifluvial catchment system's effect on the river-to-ocean interactions and closing knowledge gaps.