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Exploring VNIR/SWIR Hyperspectral Imaging of Varved Lake Sediments: Methods and Applications in Paleoclimatology and Paleoecology

English title Exploring VNIR/SWIR Hyperspectral Imaging of Varved Lake Sediments: Methods and Applications in Paleoclimatology and Paleoecology
Applicant Grosjean Martin
Number 172586
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Oeschger-Zentrum für Klimaforschung Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Other disciplines of Environmental Sciences
Start/End 01.07.2017 - 30.06.2021
Approved amount 522'969.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Other disciplines of Environmental Sciences
Other disciplines of Earth Sciences
Hydrology, Limnology, Glaciology
Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy

Keywords (7)

Hypoxia; hyperspectral imaging; limnogeology; climate change; varves ; paleoclimatology; Holocene

Lay Summary (German)

Lead
Die globale Klimaerwärmung und Intensivierung von Nährstoffkreisläufen führt weltweit zu einer dramatischen Verbreitung von anoxischen Bedingungen in Flüssen, Seen und Ozeanen. Dies hat ernsthafte Konsequenzen auf Wasserqualität und Biodiversität. Wenig ist bekannt, wann und weshalb über längere Zeitspannen anoxische Bedingungen in Seen entstanden und wieder verschwunden sind. Das Hauptproblem besteht darin, dass Messmethoden für entsprechende Indikatoren (zBsp Pigmente) sehr aufwändig sind. Neuartige hyperspektrale Bildanalyseverfahren im visiblen und nahen Infrarot Bereich (VNIR 400 - 1000 nm) eröffnen neue Perspektiven zur quantitativen Analyse von diagnostischen Photopigmenten in Seesedimenten.
Lay summary

Das Projekt verfolgt die Weiterentwicklung der hyperspektralen Bildverarbeitung im VNIR Bereich (400 - 1000 nm) und deren Anwendungen auf Sedimente aus unterschiedlichen Seetypen. Bei der Methodenentwicklung steht die Identifikation und Kalibrierung verschiedener diagnostischer Substanzen (Pigmente, Mineralien) in der komplexen Sedimentmatrix im Vordergrund. Besonders interessant sind Karotenoide und Chlorine als Indikatoren für die Produktivität verschiedener oxischer und anoxischer Algengruppen, die Trennung von Chlorophyll und den Abbauprodukten als Indikatoren der Diagenese, sowie verschiedene Mineralien, die in unterschiedlichen physikalischen und chemischen Bedingungen im See gebildet werden. So lassen sich in sehr hoher räumlicher (40 µm Pixelgrösse) und zeitlicher Auflösung (20-50 Datenpunkte pro Jahr) Redoxbedingungen, Primärproduktion sowie Bodenerosion etc. über tausende von Jahren in Seesedimenten rekonstruieren. Ausserdem wird versucht, den Fingerabdruck von atmosphärischen Phänomenen auf der meteorologischen Skala (Paleo-Wetter) in Seesedimenten zu identifizieren.

Im Projekt untersuchen wir jährlich laminierte Seen im schweizerischen Mittelland (Moossee, Burgäschisee), in den Alpen (Cadagnosee) und in der Masurischen Seenplatte (Polen). Diese Seen erlauben uns einen Blick über die letzten 18‘000 Jahre. Wir testen die Methodik ebenfalls für Sedimente aus den subantarktischen Inseln und aus dem Viktoriasee in Ostafrika.
Direct link to Lay Summary Last update: 24.05.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
134945 Calibrating and validating scanning VIS Reflectance Spectroscopy data (380 - 730 nm) from minerogenic and biochemical varves: improving climate reconstructions from lake sediments 01.12.2011 Project funding (Div. I-III)
182084 Exploring prehistoric vegetational and agricultural dynamics using annually laminated sediment records from Central and Southern Europe (ECSE) 01.02.2019 Project funding (Div. I-III)
183566 20,000 years of evolution and ecosystem dynamics in the world’s largest tropical lake reconstructed from sediment cores, fossils and ancient DNA 01.03.2019 Sinergia

Abstract

The Anthropocene has seen unprecedented environmental change, and fundamental ecosystem services are increasingly at stake. This is particularly true for climate change and biogeochemical cycles. Interactions of both resulted, for instance, in global spread of anoxia in freshwater systems. However, a sound scientific assessment of such changes must rely on a long-term perspective. This information can be provided, for instance, by high-resolution quantitative diagnostic proxy records from varved lake sediments.Recently, the applicant and his team have developed novel imaging methods (hyperspectral imaging in the visible/near-infrared range VNIR-HSI) for the biogeochemical analysis of lake sediments. We have established the “proof of concept” that VNIR-HSI data can be used (i) to quantify distributions and time-series of pigments that are diagnostic for aquatic productivity ({Chl a and chlorins}) and meromixis (bacteriopheophytin a) and, (ii) to reconstruct annually resolved season-specific quantitative climate variables. This novel technology provides information at ultra-high resolution (45 µm); it is cost effective and very rapid. This work has been cited among the most innovative and promising future developments in the field.Thus, the proposed research will develop along two thrusts (2 PhD projects):1. Next level methodology: we propose (i) to extend laboratory-scale HSI of lake sediments to SWIR (1000-2500 nm), which allows to detect important mineral groups (calcite, feldspars, clays, Fe-oxides) in biogenic varves and assess key-processes within the lake and the catchment (marl and metal-oxide precipitation, redox conditions, erosion/land cover); (ii) to improve data acquisition in the 450-500 nm range (identification of carotenoids) and, (iii) separate Chl a and chlorins in the HSI-VNIR absorption band 650-700 nm.2. Applications: The recently developed HSI-VNIR methodology (proof of concept) will be applied in three fields: (i) Productivity/Meromixis: we will establish the first annually resolved Holocene/Lateglacial long records of HSI-inferred aquatic productivity and meromixis from varved lake sediments in Switzerland and Poland and assess the driving processes by comparison with independent paleoclimate/paleoecolocical data. (ii) Paleoclimatology: using combined VNIR/SWIR/µXRF data we will explore how meteorological-scale phenomena and related limnological processes (fall algal blooms, multiple marl precipitation, phenology of anoxia etc.) are recorded in biogenic varves of NE Poland, and whether this could be used for ‘Paleoweather ’ reconstructions. (iii) We assess SWIR-lithogenic components in Holocene records from subantarctic islands (approved project ACE, Swiss Polar Institute).
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