Monitoring Boeckella lake, Antarctica Peninsula, from 1986 to 2023, using remote sensing

Carina Petsch; Adrián Angel Silva Busso; Katia Kellem da Rosa; Rosemary Vieira

doi:10.30827/cuadgeo.v64i1.31037

Autores/as

Carina Petsch Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) https://orcid.org/0000-0002-1079-0080
Adrián Angel Silva Busso Universidad de Buenos Aires: Buenos Aires https://orcid.org/0000-0001-9251-1569
Katia Kellem da Rosa Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) https://orcid.org/0000-0003-0977-9658
Rosemary Vieira Universidade Federal Fluminense (UFF) https://orcid.org/0000-0003-0312-2890

DOI:

https://doi.org/10.30827/cuadgeo.v64i1.31037

Palabras clave:

permafrost, thermokarst, NDWI

Resumen

La Península Antártica (AP) ha experimentado un rápido calentamiento en los últimos años, lo que ha provocado la degradación del permafrost. En el norte de AP, en Hope Bay, el lago Boeckella ha experimentado eventos de drenaje rápidos y repentinos en las últimas décadas impulsados por procesos de termokarst. Esta investigación tiene como objetivo cuantificar la variabilidad intra e interanual del área del lago Boeckella Lake, AP, utilizando productos de teledetección de 1986 a 2023. Se utilizaron imágenes Landsat, Quickbird y Sentinel 2 entre 1986 y 2023, aplicando el NDWI para identificar el cuerpo de agua. La evolución del lago se divide entres períodos de tiempo según cambios bruscos de superficie. El primer período (1986-2003) marca la primera pérdida de volumen del lago el 4 de enero de 2001. El Segundo período (2003-2010) muestra otras pérdidas sucesivas de volume en 2005, 2007 y 2008. En 2010 se rompió la presa y El dique ya no fuere construido. En el último periodo (2010-2023) existe un systema multilacustre, con humedales de menor tamaño y transitorios. Su superficie minima en este período fue de 28578 m² en 2020, una pérdida del 30% de la superficie respecto a 1988. El área del lago Boeckella ha cambiado a lo largo de los años y las imágenes Landsat, QuickBird y Sentinel 2 combinadas con la técnica NDWI han podido demostrar la variación.

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Biografía del autor/a

Carina Petsch, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)

Possui graduação em Geografia (Bacharelado) pela Universidade Estadual de Maringá (2011), mestrado em Geografia pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2014) e doutorado em Geografia pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2018). Atuou como professora colaboradora da UNIOESTE, campus Francisco Beltrão, no período de 05/2018 a 03/2019. Tem experiência na área de Geociências, com ênfase em Geografia Física, atuando principalmente nos seguintes temas: Antártica, monitoramento de geleiras, Ensino Polar, Geomorfologia glacial, Sensoriamento Remoto e Cartografia escolar. Atua como pesquisadora no Laboratório de Geologia Ambiental (LAGEOLAM) da UFSM, Laboratório de Ensino e Pesquisas em Geografia e Humanidades (LEPGHU) e Centro Polar e Climático (CPC) da UFRGS. Atualmente é professora adjunta da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) atuando na área de Geografia Física, Ensino e Cartografia.

Adrián Angel Silva Busso, Universidad de Buenos Aires: Buenos Aires

Adrián Ángel Silva Busso é graduado em Ciências Geológicas pela Facultad de Ciencias
Exactas y Naturales - Universidad de Buenos Aires (09/12/1991). É especialista em hidrogeologia
pela Facultad de Ciencias Geológicas - Universidad Complutense de Madrid, España
(11/06/1993). Possui doutorado em Ciências Geológicas pela Facultad de Ciencias Exactas y
Naturales, Universidad de Buenos Aires (13/12/2000). Atualmente é Professor Titular (regular) na
Cátedra de Hidrología Continental, Departamento de Geografía, Facultad de Filosofía y Letras, na
Universidad de Buenos Aires. Também atua como Professor Adjunto (regular) na Cátedra de
Hidrogeología, Departamento Geología, FCEyN, na Universidad de Buenos Aires.

Katia Kellem da Rosa, Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

Doutora pelo Programa de Pós-Graduação em Geologia Marinha, UFRGS. Possui graduação em Licenciatura e Bacharelado em Geografia pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2006), mestrado em Geologia Marinha (UFRGS) (2009). Professora no Departamento de Geografia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, UFRGS. Professora Permanente no Pós-Graduação em Geografia da UFRGS. Possui produtividade em Pesquisa CNPq Nível 2. Coordenadora do Laboratório de Geomorfologia e Sedimentologia glacial e atua como diretora substituta do Centro Polar e Climático na UFRGS. Membro do Centro Estadual de Pesquisas em Sensoriamento Remoto e Meteorologia. Membro editorial da Revista Pesquisas em Geociências UFRGS. Trabalha em projetos de pesquisa no Centro de Pesquisas Polar e Climático da UFRGS, e Laboratório do Processos Sedimentares e Ambientais da UFF, Laboratório de Cartografia na Geografia em Santa Maria, integrados ao Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia da Criosfera. Tem experiência na área de Geociências e Geografia Física, atuando principalmente nos seguintes temas ou áreas: mudanças climáticas e sociedade, monitoramento da ablação frontal e da altitude de linha de neve de geleiras, Sensoriamento Remoto da neve e do gelo, Modelos Digitais de Elevação, processamento digital de imagens, Antártica, migrações climáticas, ambientes de montanha, Geomorfologia, Sedimentologia, Glaciologia, hidrogeografia, paleoclimatologia, mudanças climáticas.

Rosemary Vieira, Universidade Federal Fluminense (UFF)

Possui graduação em Geografia pela Universidade Federal Fluminense (1987), mestrado em Geografia - Universidade do Chile (2002), doutorado em Geociências pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (2006 - Capes 7) e Estágio de Doutoramento - Universidade do Chile (2005). Pós-Doutorado no Centro Polar e Climático, IGEO-UFRGS. Atualmente é Professora Associada III da Universidade Federal Fluminense (UFF) - Departamento de Geografia/Instituto de Geociências, sendo credenciada para orientação nos programas de pós-graduação em Geografia: PósGeo/UFF - Niterói (Capes 6), como Professora Permanente, PósGeo/UFF - Campos dos Goytacazes e PósGeo/UFRGS (Capes 6), como Professora Colaboradora. É Pesquisadora do Programa Antártico Brasileiro. Coordenadora do Laboratório do Processos Sedimentares e Ambientais (LAPSA), integrado ao Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia da Criosfera. Bolsista de Produtividade do CNPq Nível 2 (2021-2023). Atuação na área de Geociências: Geologia e Geomorfologia Glacial, Sedimentologia, Paleoclimatologia e Mudanças Climáticas. Registro CREA - 220056185-7. Orcid. 0000-0003.0312-2890

Citas

Andreassen, L., Nagy, T., Kjøllmoen, B., & Leigh, J. (2022). An inventory of Norway’s glaciers and ice-marginal lakes from 2018–19 Sentinel-2 data. Journal of Glaciology, 68(272), 1085-1106. doi:10.1017/jog.2022.20

Bockheim J., Vieira G., Ramos, M., López-Martínez, J., Serrano, E., Guglielmin, M., Wilhelm, K., Nieuwendam, A. (2013). Climate warming and permafrost dynamics in the Antarctic Peninsula region, Global and Planetary Change, 100, 215-223, doi: 10.1016/j.gloplacha.2012.10.018.

Bozkurt D, Bromwich DH, Carrasco J, Hines KM, Maureira JC, Rondanelli R (2020) Recent near-surface temperature trends in the Antarctic Peninsula from observed, reanalysis and regional climate model data. Adv Atmos Sci 37:477–493. Doi: 10.1007/s00376-020-9183-x

Cannone, N., Guglielmin, M., Convey, P. et al. (2016) Vascular plant changes in extreme environments: effects of multiple drivers. Climatic Change 134, 651–665. Doi: 10.1007/s10584-015-1551-7

Cape, M.R., Vernet, M., Skvarca, P., Marinsek, S., Scambos, M., Domack, E. (2015) Foehn winds link climate-driven warming to ice shelf evolution in Antarctica. J Geophys Res Atmos 120(11):37–11057. Doi: 10.1002/2015JD023465

Carrivick, JL, Tweed FS., Sutherland, J.L., and Mallalieu, J. (2020) Toward Numerical Modeling of Interactions Between Ice-Marginal Proglacial Lakes and Glaciers. Front. Earth Sci. 8:577068. doi: 10.3389/feart.2020.577068

Chen, F., Zhang, M., Guo, H., Allen, S., Kargel, J. S., Haritashya, U. K., and Watson, C. S. (2021). Annual 30 m dataset for glacial lakes in High Mountain Asia from 2008 to 2017, Earth Syst. Sci. Data, 13, 741–766, doi:10.5194/essd-13-741-2021

Chen, F., Zhang, M., Tian, B., Li, Z. (2017). Extraction of Glacial Lake Outlines in Tibet Plateau Using Landsat 8 Imagery and Google Earth Engine. IEEE J Sel Top in Appl 10: 4002-4009. doi: 10.1109/JSTARS.2017.2705718

Cook, A. J., Holland, P. R., Meredith, M. P., Murray, T., Luckman, A., & Vaughan, D. G. (2016). Ocean forcing of glacier retreat in the western Antarctic Peninsula. Science. Doi: aae0017

Coulombe, S., Fortier, D., Bouchard, F., Paquette, M., Charbonneau, S., Lacelle, D., Laurion, I., and Pienitz, R. (2022). Contrasted geomorphological and limnological properties of thermokarst lakes formed in buried glacier ice and ice-wedge polygon terrain, The Cryosphere, 16, 2837–2857, doi: 10.5194/tc-16-2837-2022.

Dou, X.; Fan, X.; Wang, X.; Yunus, A.P.; Xiong, J.; Tang, R.; Lovati, M.; van Westen, C.; Xu, Q. (2023) Spatio-Temporal Evolution of Glacial Lakes in the Tibetan Plateau over the Past 30 Years. Remote Sens. 15, 416. Doi:10.3390/rs15020416

Ermolin, E. (2009) Permafrost y hielos subterrâneos en el sector norte de la Peninsula Antarctica. In: Adrían Angel Busso - 1a ed. - Buenos Aires: Fundación de Historia Natural Félix de Azara.

Ermolin, E. Y., Silva Busso, A. A. (2006). Mapa y caracterización geocriológica del área de la Base Esperanza, Península Antártica Tercer Congreso de la Ciencia Cartográfica y X Semana Nacional de la Cartografía, Ciudad Autónoma de Buenos Aires, 26 -29 de Junio del 2006.

Ermolin, E., Silva Busso, A. (2007): Desarrollo de termokarst y aguas subterráneas en Bahía Esperanza, Península Antártica. Actas del VIº Simposio Argentino y IIIº Latinoamericano sobre Investigaciones Antárticas, DNA-IAA, Bs. As. Resumen expandido, GEORE 808, 4 p.

Freitas, P., Vieira, G., Canário, J., Folhas, D., & Vincent, W. F. (2019). Identification of a Threshold Minimum Area for Reflectance Retrieval from Thermokarst Lakes and Ponds Using Full-Pixel Data from Sentinel-2. Remote Sensing, 11(6), 657. Doi: 10.3390/rs11060657

González-Herrero, S., Barriopedro, D., Trigo, R. M. et al. (2022) Climate warming amplified the 2020 record-breaking heatwave in the Antarctic Peninsula. Commun Earth Environ 3, 122. Doi: 10.1038/s43247-022-00450-5

Guglielmin, M. (2012). Advances in permafrost and periglacial research in Antarctica: A review. Geomorphology 155–156, 1-6, doi: 10.1016/j.geomorph.2011.12.008.

Izaguirre, I., Allende, L. & Romina Schiaffino, M. (2021) Phytoplankton in Antarctic lakes: biodiversity and main ecological features. Hydrobiologia 848, 177–207. Doi: 10.1007/s10750-020-04306-x

Izaguirre, I., Almada, P. (2001) Cambios en las características limnológicas y en biomasa fitoplanctónica del lago Boeckella (Bahía Esperanza) asociados al brusco descenso en su nivel hidrométrico. Contrib Inst Antar Argentino 533:1–6.

Izaguirre, I., Pizarro, H., Allende, L. et al. Responses of a Maritime Antarctic lake to a catastrophic draining event under a climate change scenario. Polar Biol 35, 231–239 (2012).

Jones, B. M., Arp, C. D., Grosse, G., Nitze, I., Lara, M. J., Whitman, M. S., Farquharson, L. M., Kanevskiy, M., Parsekian, A. D., Breen, A. L., Ohara, N., Rangel, R. C., and Hinkel, K. M. (2020) Identifying historic and future potential lake drainage events on the western Arctic Coastal Plain of northern Alaska. Permafrost Periglac., 31, 110–127, doi: 10.1002/ppp.2038.

Krumwiede, B.S.; Kamp, U.; Leonard, G.J.; Kargel, J.S.; Dashtseren, A.; Walther, M. (2014) Recent Glacier Changes in the Mongolian Altai Mountains: Case Studies from Munkh Khairkhan and Tavan Bogd. In Global Land Ice Measurements from Space; Kargel, J., Leonard, G., Bishop, M., Kääb, A.B.R., Eds.; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, p. 481–508.

Lee, J.R., Raymond, B., Bracegirdle, T.J., Chadès, I., Fuller, R.A., Shaw, J.D. & Terauds, A. 2017. Climate change drives expansion of Antarctic ice-free habitat. Nature, 547, 49–54, 10.1038/nature22996. Nature 547: 49–54.

Lesi, M., Nie, Y., Shugar, D. H., Wang, J., Deng, Q., Chen, H., and Fan, J. (2022) Landsat- and Sentinel-derived glacial lake dataset in the China–Pakistan Economic Corridor from 1990 to 2020, Earth Syst. Sci. Data, 14, 5489–5512, doi: 10.5194/essd-14-5489-2022

Liu, A., Chen, Y., & Cheng, X. (2023). Monitoring Thermokarst Lake Drainage Dynamics in Northeast Siberian Coastal Tundra. Remote Sensing, 15(18), 4396. Doi: 10.3390/rs15184396

Luo, J., Fujun N., Zhanju, L., Minghao, L., Guoan, Y., and Zeyong, G. 2022. “Abrupt Increase in Thermokarst Lakes on the Central Tibetan Plateau Over the Last 50 Years.” Catena 217: 106497. Doi: 10.1016/j.catena.2022.106497.

Martín-Serrano, A., Montes, M., Nozal, F., del Valle, R. A. (2005) Geomorfología de la costa austral de Bahía Esperanza (Península Antártica). Geogaceta, 38, 95-98.

Moussavi, M., Pope, A., Halberstadt, A.R.W., Trusel, L.D., Cioffi, L., Abdalati, W. (2020) Antarctic Supraglacial Lake Detection Using Landsat 8 and Sentinel-2 Imagery: Towards Continental Generation of Lake Volumes. Remote Sensing. 12(1):134. Doi: 10.3390/rs12010134

Mulvaney, R., Abram, N. J., Hindmarsh, R. C., Arrowsmith, C., Fleet, L., Triest, J., Sime, L. C., Alemany, O., Foord, S. (2012). Recent Antarctic Peninsula warming relative to Holo-cene climate and ice-shelf history. Nature, 489(7414), 141-144. doi: 10.1038/nature11391

Nozal, F., Martín-Serrano, A. y Montes, M. (2019). 5-Geomorfología. En: Geología y Geomorfología de Bahía Esperanza. (Montes, M., Nozal, F. y del Valle, R. eds.). Serie Cartográfica Geocientífica Antártica; 1:10.000, 1ª edición. Acompañado de mapas. Madrid-Instituto Geológico y Minero de España; Buenos Aires-Instituto Antártico Argentino, 95-142.

Oliva, M., Navarro, F., Hrbáček, F., Hernández, A., Nývlt, D., Pereira, P., Ruiz-Fernández, J., & Trigo, R. (2017). Recent regional climate cooling on the Antarctic Peninsula and associated impacts on the Cryosphere. Science of The Total Environment, 580, 210-223. Doi: 10.1016/j.scitotenv.2016.12.030

Oliva, M., & Ruiz-Fernández, J. (2015). Coupling patterns between para-glacial and perma-frost degradation responses in Antarctica. Earth Surface Processes and Landforms, 40(9), 1227-1238. doi: 10.1002/esp.371

Pereira, T.T.C. (2012). Solos de Hope Bay, Península Antártica. Tese de doutoramento – Universidade Federal de Viçosa.

Pizarro, H., Allende, L., Bonaventura, S.M. Littoral epilithon of lentic waterbodies at Hope Bay, Antarctic Peninsula: biomass variables in relation to environmental conditions. Hydrobiologia 529, p. 237-250. 2004. Doi: 10.1007/s10750-004-6419-1.

Qin, Y., Lu, P., Han, J., Wang, Q., Li, Z., Wu, J., & Li, R. (2023). Responses of thermokarst lake dynamics to permafrost degradation on the central Tibetan Plateau. CATENA, 231, 107309. Doi: 10.1016/j.catena.2023.107309

Revich, B. A., Eliseev, D.O., Shaposhnikov, D. A. (2022) Risks for Public Health and Social Infrastructure in Russian Arctic under Climate Change and Permafrost Degradation. Atmosphere, 13, 532. Doi: 10.3390/atmos13040532

Rinzin, S., Zhang, G., Wangchuk, S. (2021). Glacial Lake Area Change and Potential Outburst Flood Hazard Assessment in the Bhutan Himalaya. Frontiers in Earth Science, 9, 775195. Doi: /10.3389/feart.2021.775195

Sarwar, M., Mahmood, S. (2024). Exploring potential glacial lakes using geo-spatial techniques in Eastern Hindu Kush Region, Pakistan. Natural Hazards Research, 4(1), 56-61. Doi: 10.1016/j.nhres.2023.07.003

Schaefer, C.E.G.R, Costa Pereira, T.T., Ker, J.C., Carreiro Almeida, I.C., Bello Simas, F.N., Soares de Oliveira, F., Corrêa, G.R. and Vieira, G. (2015), Soils and Landforms at Hope Bay, Antarctic Peninsula: Formation, Classification, Distribution, and Relationships. Soil Science Society of America Journal, 79: 175-184. Doi:10.2136/sssaj2014.06.0266

Shugar, D.H., Burr, A., Haritashya, U.K. et al. (2020) Rapid worldwide growth of glacial lakes since 1990. Nat. Clim. Chang. 10, 939–945. Doi: /10.1038/s41558-020-0855-4

Siegert, M., Atkinson, A., Banwell, A., Brandon, M., Convey, P., Davies, B., Downie, R., Edwards, T., Hubbard, B., Marshall, G., Rogelj, J., Rumble, J., Stroeve, J., & Vaughan, D. (2019). The Antarctic Peninsula Under a 1.5°C Global Warming Scenario. Frontiers in Environmental Science, 7, 465700 doi: 10.3389/fenvs.2019.00102

Silva Busso A., Fresina M., Velasco I. y Rey C., 2009. La Península Antártica: Un Nuevo Horizonte para las Ciencias Hídricas. En el Área Norte de la Península Antártica. Vásquez Mazzini ed. INA, DNA-IAA, Fundación de Historia Natural Félix de Azara, Buenos Aires, Argentina. Pag: 17-30LIBRO/BOOK

Sotille, M. E., Bremer, U. F., Vieira, G., Velho, L. F., Petsch, C., & Simões, J. C. (2020). Evaluation of UAV and satellite-derived NDVI to map Maritime Antarctic vegetation. Applied Geography, 125, 102322. Doi: 10.1016/j.apgeog.2020.102322

Swanson, D. K. (2019) Thermokarst and precipitation drive changes in the area of lakes and ponds in the National Parks of northwestern Alaska, 1984–2018, Arctic, Antarctic, and Alpine Research, 51:1, 265-279, doi: 10.1080/15230430.2019.1629222

Turner, J., Marshall, G.J., Colwell, S., Phillips, T., Lu, H. (2020) Antarctic temperature variability and change from station data. Int J Climatol 40:2986–3007. Doi: 10.1002/joc.6378

Veremeeva, A., Nitze, I., Günther, F., Grosse, G., & Rivkina, E. (2021). Geomorphological and Climatic Drivers of Thermokarst Lake Area Increase Trend (1999–2018) in the Kolyma Lowland Yedoma Region, North-Eastern Siberia. Remote Sensing, 13(2), 178. doi: 10.3390/rs13020178

Vieira, R., Cardoso, P., Rosa, K. K. D., Petsch, C., & Lirio, J. M. (2024). Changes and collapse in lacustrine system in Antarctic Peninsula ice-free area: Boeckella and Buenos Aires lakes. Anais Da Academia Brasileira De Ciências, 96, e20240578. doi: 10.1590/0001-3765202420240578

Wang, X., Guo, X., Yang, C., Liu, Q., Wei, J., Zhang, Y., Liu, S., Zhang, Y., Jiang, Z., and Tang, Z. (2020). Glacial lake inventory of high-mountain Asia in 1990 and 2018 derived from Landsat images, Earth Syst. Sci. Data, 12, 2169–2182, doi: 10.5194/essd-12-2169-2020

Wang, L., Jolivel, M., Marzahn, P., Bernier, M., & Ludwig, R. (2018). Thermokarst pond dynamics in subarctic environment monitoring with radar remote sensing. Permafrost and Periglacial Processes, 29(4), 231-245. doi: 10.1002/ppp.1986

Wang, J., Chen, F., Zhang, M, Yu., B. (2022) “NAU-Net: A New Deep Learning Framework in Glacial Lake Detection,” in IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, vol. 19, pp. 1-5. Art no. 2000905, doi: 10.1109/LGRS.2022.3165045.

Wangchuk, S., Bolch, T. (2020). Mapping of glacial lakes using Sentinel-1 and Sentinel-2 data and a random forest classifier: Strengths and challenges, Science of Remote Sensing, 2, 100008. Doi: 10.1002/esp.3716

Wei, Z., Du, Z., Wang, L., Lin, J., Feng, Y., Xu, Q., & Xiao, C. (2021). Sentinel-Based Inventory of Thermokarst Lakes and Ponds Across Permafrost Landscapes on the Qinghai-Tibet Plateau. Earth and Space Science, 8(11), e2021EA001950. Doi: 10.1029/2021EA001950

Wille, J.D., Favier, V., Jourdain, N.C. et al. (2022) Intense atmospheric rivers can weaken ice shelf stability at the Antarctic Peninsula. Commun Earth Environ 3, 90. Doi: /10.1038/s43247-022-00422-9

Williamson, A. G., Banwell, A. F., Willis, I. C., and Arnold, N. S. (2018) Dual-satellite (Sentinel-2 and Landsat 8) remote sensing of supraglacial lakes in Greenland, The Cryosphere, 12, 3045–3065, doi: 10.5194/tc-12-3045-2018.

Zhang, M.; Chen, F.; Tian, B. (2018) Glacial Lake Detection from GaoFen-2 Multispectral Imagery Using an Integrated Nonlocal Active Contour Approach: A Case Study of the Altai Mountains, Northern Xinjiang Province. Water, 10, 455. Doi: 10.3390/w10040455

Zhang, M., Li, R., Pei, W., Zhou, Y., Li, G., & Yang, S. (2024). Permafrost Degradation Risk Evaluation in the Qinghai-Tibet Plateau Under Climate Change Based on Machine Learning Models. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 129(2), e2023JD039611. Doi: 10.1029/2023JD039611

Zhao, F.Y.; Long, D.; Li, X.D.; Huang, Q.; Han, P.F. (2022) Rapid glacier mass loss in the Southeastern Tibetan Plateau since the year 2000 from satellite observations. Remote Sens. Environ., 270, 112853. Doi: 10.1016/j.rse.2021.112853