Abstract Details of Earth's shallow subsurface—a key component of the critical zone (CZ)—are largely obscured because making direct observations with sufficient density to capture natural characteristic spatial variability in physical properties is difficult. Yet this inaccessible region of the CZ is fundamental to processes that support ecosystems, society, and the environment. Geophysical methods provide a means for remotely examining CZ form and function over length scales that span centimeters to kilometers. Here we present a review highlighting the application of geophysical methods to CZ science research questions. In particular, we consider the application of geophysical methods to map the geometry of structural features such as regolith thickness, lithological boundaries, permafrost extent, snow thickness, or shallow root zones. Combined with knowledge of structure, we discuss how geophysical observations are used to understand CZ processes. Fluxes between snow, surface water, and groundwater affect weathering, groundwater resources, and chemical and nutrient exports to rivers. The exchange of gas between soil and the atmosphere have been studied using geophysical methods in wetland areas. Indirect geophysical methods are a natural and necessary complement to direct observations obtained by drilling or field mapping. Direct measurements should be used to calibrate geophysical estimates, which can then be used to extrapolate interpretations over larger areas or to monitor changing processes over time. Advances in geophysical instrumentation and computational approaches for integrating different types of data have great potential to fill gaps in our understanding of the shallow subsurface portion of the CZ and should be integrated where possible in future CZ research.

Abstract. Permafrost-affected ecosystems of the Arctic–boreal zone in northwestern North America are undergoing profound transformation due to rapid climate change. NASA's Arctic Boreal Vulnerability Experiment (ABoVE) is investigating characteristics that make these ecosystems vulnerable or resilient to this change. ABoVE employs airborne synthetic aperture radar (SAR) as a powerful tool to characterize tundra, taiga, peatlands, and fens. Here, we present an annotated guide to the L-band and P-band airborne SAR data acquired during the 2017, 2018, 2019, and 2022 ABoVE airborne campaigns. We summarize the ∼80 SAR flight lines and how they fit into the ABoVE experimental design (Miller et al., 2023; https://doi.org/10.3334/ORNLDAAC/2150). The Supplement provides hyperlinks to extensive maps, tables, and every flight plan as well as individual flight lines. We illustrate the interdisciplinary nature of airborne SAR data with examples of preliminary results from ABoVE studies including boreal forest canopy structure from TomoSAR data over Delta Junction, AK, and the Boreal Ecosystem Research and Monitoring Sites (BERMS) area in northern Saskatchewan and active layer thickness and soil moisture data product validation. This paper is presented as a guide to enable interested readers to fully explore the ABoVE L- and P-band airborne SAR data (https://uavsar.jpl.nasa.gov/cgi-bin/data.pl).

Abstract Because of the remote nature of permafrost, it is difficult to collect data over large geographic regions using ground surveys. Remote sensing enables us to study permafrost at high resolution and over large areas. The Arctic‐Boreal Vulnerability Experiment's Permafrost Dynamics Observatory (PDO) contains data about permafrost subsidence, active layer thickness (ALT), soil water content, and water table depth, derived from airborne radar measurements at 66 image swaths in 2017. With nearly 58,000,000 pixels available for analysis, this data set enables new discoveries and can corroborate findings from previous studies across the Arctic‐Boreal region. We analyze the distributions of these variables and use a space‐for‐time substitution to enable interpretation of the effects of climate trends. Higher soil volumetric water content (VWC) is associated with lower ALT and subsidence, suggesting that Arctic soil may become drier as the climate warms. Soil VWC is bimodal, with saturated soil occurring more commonly in burned areas, while unburned areas are more commonly unsaturated. All permafrost variables show statistically significant differences from one land cover type to another; in particular, cropland has thicker active layers and developed land has lower seasonal subsidence than most other land cover types, potentially related to disturbance and permafrost thaw. While vegetation browning is not strongly associated with any of the measured permafrost variables, more greening is associated with less subsidence and ALT and with higher bulk soil VWC.