Soll die Massenbilanz des antarktischen Eises bestimmt werden, so ist das grundlegend mit der Beobachtung dessen Geometrie, Kinematik und Dynamik verbunden. Basis dieser Arbeit sind Beobachtungen von Eisoberflächenhöhen und Fließgeschwindigkeiten im Einzugsbereich des Helen-Gletschers südlich der russischen Antarktisstation Mirnyj und im Einzugsbereich des Hays-Gletschers südöstlich der Station Molodëžnaja. 1962 wurde von Mirnyj ausgehend das sich über 100km in südliche Richtung erstreckende geodätisch-glaziologische Triangulationsnetz Mirnyj angelegt. 1972 erfolgte die Realisierung einer Traverse über das Einzugsgebiet des Hays-Gletschers. Beide Regionen wurden in den folgenden Jahren mehrfach wiederholt beobachtet. Eine erneute Wiederholungsmessung von Eisoberflächenhöhen und Fließgeschwindigkeiten konnte zwischen 2005 und 2009 realisiert werden. Diese Arbeit beleuchtet diese Aktivitäten und beschreibt die Ableitung langzeitiger Eismassenveränderungen über Zeiträume mehrerer Dekaden. Die historische Datengrundlage, die Realisierung eines einheitlichen Bezugssystems sowie die verwendeten Beobachtungsverfahren werden ausführlich erläutert. Der Vergleich von Eisoberflächenhöhen der 2000er Jahre und Höhen der 1960er bzw. 1970er Jahre führt zur Abschätzung langzeitiger Veränderungen der Eisoberflächenhöhe für beide Regionen.

A chemoselective catalyst is preferred in a chemical reaction where protecting groups otherwise are needed. The two lipases Candida antarctica lipase B and Rhizomucor miehei lipase showed large chemoselectivity ratios, defined as (kcat/KM)OH / (kcat/KM)SH, in a transacylation reaction with ethyl octanoate as acyl donor and hexanol or hexanethiol as acyl acceptor (paper I). The chemoselectivity ratio of the uncatalyzed reaction was 120 in favour of the alcohol. Compared to the uncatalyzed reaction, the chemoselectivity was 730 times higher for Candida antarctica lipase B and ten times higher for Rhizomucor miehei lipase. The KM towards the thiol was more than two orders of magnitude higher than the KM towards the corresponding alcohol. This was the dominating contribution to the high chemoselectivity displayed by the two lipases. In a novel approach, Candida antarctica lipase B was used as catalyst for enzymatic synthesis of thiol-functionalized polyesters in a one-pot reaction without using protecting groups (paper II). Poly(e-caprolactone) with a free thiol at one of the ends was synthesized in an enzymatic ring-opening polymerization initiated with mercaptoethanol or terminated with either 3-mercaptopropionic acid or g-thiobutyrolactone.

The Antarctic ice sheet is increasingly contributing to sea-level rise because of accelerated mass losses at its floating extensions -- its ice shelves. By floating while remaining attached to the grounded ice sheet, ice shelves buttress (i.e. restrain) the inland ice in such a way that ice-shelf losses lead to accelerated ice discharge in the ocean. This thesis investigates the stability of Antarctic ice shelves -- so crucial for the stability of the entire ice sheet -- using the Roi Baudouin Ice Shelf (RBIS), Dronning Maud Land, East Antarctica, as a case study. The RBIS has remained relatively stable over the last millennia and presents various kilometre-scale features (pinning point, ice-shelf channels and englacial lakes) with potential impact on its present and future stability.We first derive a horizontal velocity field, combining interferometry and speckle tracking with Synthetic Aperture Radar images from ERS 1/2 and ALOS-PALSAR, respectively. The resulting velocities and associated shear-strain rates represent the most detailed fields, currently available for the RBIS and clearly resolve small-scale features of the RBIS: significant slow-down and shearing are observed upstream of a small pinning point and ice converges at ice-shelf channels. We then combine our flow field with high-resolution elevations from TanDEM-X to infer the Basal Mass Balance (BMB) of the RBIS. This method relies on mass conservation in a Lagrangian frame and enables us to finely detect spatial variability in the BMB. We show that the BMB of the RBIS varies substantially on sub-kilometre scales. Our technique is promising and could easily be applied more widely.Additionally, the flow field is used to investigate how considering/ignoring small pinning points in observations (geometry and velocities) impacts data initialisation of poorly known parameters (e.g. basal friction, ice viscosity) and subsequent ice-sheet modelling with BISICLES. We find that overlooking the pinning point in the bathymetry leads to erroneous ice-shelf properties whereas accurately capturing the pinning point in velocities is of secondary importance. Finally, before concluding the thesis, we discuss the stability of the RBIS and its neighbouring ice shelves. Most studies agree that the ice shelf has remained stable over the last decades to millennia and would likely remain so in the absence of external forcing. We however point out to three potential triggers of instabilities: (i) large quantities of surface meltwater are formed in the grounding zone and subsequently stored on the ice shelf, thereby providing fuel for hydrofracturing; (ii) ice-shelf channels are found to significantly incise the ice inland and (iii) a bathymetric trough beneath the RBIS forms a potential gateway for warm water intrusions the ice-shelf cavity, which could destabilise the ice shelf from below. We close with a short essay on the importance of outreach, where we argue that public engagement as a scientist should be considered as being part of science and should be valued for its worth. This chapter gives us the opportunity to present outreach activities undertaken in the frame of this thesis. We conclude that, just like ice shelves control Antarctic ice losses, science communication determines transfers of scientific expertise to public knowledge. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le mercure (Hg) est un métal émis dans l’atmosphère par des sources naturelles et anthropiques. Il est préoccupant à l’échelle mondiale de par sa propagation atmosphérique sur de longues distances, loin des sources d’émissions, sa persistance dans l’environnement, son potentiel de bioaccumulation dans les chaînes alimentaires aquatiques et ses effets néfastes sur la santé humaine. Les modèles atmosphériques, utilisés pour retracer son cheminement depuis les sources d’émissions jusqu’aux dépôts au sein des écosystèmes, sont entachés de fortes incertitudes en raison notamment de notre compréhension partielle des processus atmosphériques (réactions d’oxydo-réduction, dépôts, réémissions) et du manque de données d’observations à l’échelle planétaire. L’objectif de ces travaux de thèse est d’améliorer notre compréhension du cycle atmosphérique du Hg en trois sites reculés de l’Hémisphère Sud : l’île d’Amsterdam (AMS) en plein océan Indien, Concordia (DC) sur la calotte glaciaire antarctique et Dumont d’Urville (DDU) sur la côte Est du continent. Les données acquises à AMS démontrent une réactivité atmosphérique limitée du Hg dans cette région du globe. L’île étant faiblement et rarement influencée par des masses d’air continentales polluées, il s’agit d’un site clé pour la surveillance, sur le long terme, du bruit de fond atmosphérique aux moyennes latitudes de l’Hémisphère Sud. Les données acquises en Antarctique démontrent l’existence de processus inédits en termes de réactivité dans l’atmosphère et à l’interface air-neige. Les processus observés sur la calotte glaciaire influent par ailleurs sur le cycle du Hg à l’échelle continentale du fait des forts vents catabatiques. Ces avancées scientifiques permettront, à terme, de contraindre et d’améliorer les modèles atmosphériques globaux. / Mercury (Hg) is a metal emitted by both natural and anthropogenic sources. It is of global concern owing to its long-range atmospheric transport, its persistence in the environment, its ability to bioaccumulate in ecosystems, and its negative effects on human health. Large uncertainties associated with atmospheric models – that trace the link from emissions to deposition of Hg onto environmental surfaces – arise as a result of our incomplete understanding of atmospheric processes (oxidation pathways, deposition, and re-emission) and of the scarcity of monitoring data at a global scale. The aim of this PhD work is to improve our understanding of the atmospheric Hg cycling at three remote sites of the Southern Hemisphere: Amsterdam Island (AMS) in the Indian Ocean, Concordia (DC) on the East Antarctic ice sheet, and Dumont d’Urville (DDU) on the East Antarctic coast. Data acquired at AMS suggest a limited atmospheric reactivity of Hg in this part of the globe. The advection of polluted continental air masses being scarce, AMS is a key site for the long-term monitoring of the atmospheric background in the Southern Hemisphere mid-latitudes. Data acquired in Antarctica highlight the occurrence of unprecedented processes in the atmosphere and at the air-snow interface. Due to katabatic winds flowing out from the East Antarctic ice sheet down the steep vertical drops along the coast, processes observed at DC influence the cycle of atmospheric Hg on a continental scale. These scientific breakthroughs will ultimately lead to improved global transport and deposition models.

Chapter 1: Antarctic fishes are extremely cold adapted. Despite their inability to upregulate heat shock proteins, recent studies have demonstrated a capacity for heat response in these animals. A cDNA microarray study looked at the Notothenioid fish Trematomus bernacchii and revealed heat sensitivities for hundreds of genes, two of which code for members of the CCAAT/Enhancer-binding protein (C/EBP) family of transcription factors. These molecular switches are best known for their roles in apoptosis, inflammation and cell cycle arrest. This dissertation further elucidates the role of C/EBP-delta in the Antarctic fishes T. bernacchii and Pagothenia borchgrevinki. Chapter 2: C/EBP-delta is constitutively expressed in unstressed, field-acclimated (ca. -1.86°C) animals in a highly tissue-specific manner. White muscle tissue contains the highest C/EBP-delta concentration, which is further increased in response to sublethal heat stress at 2.0 or 4.0°C. This response is mostly acute and transitory, but a lesser upregulation was observed in fishes held for one month at 4.0°C. Chapter 3: The heat-induced nuclear translocation of C/EBP-delta--as determined by immunohistochemistry--appears to be time, tissue and species specific with spleen, heart and retinae being particularly responsive in certain situations. Chapter 4: Protein concentrations of proliferating cell nuclear antigen are tissue specific and variably heat responsive. Surprisingly, levels appear to be positively correlated with C/EBP-delta. Chapter 5: Flow cytometry revealed increasingly high temperatures reduce the proportion of G1 cells while increasing the abundance of apoptotic cells. Chapter 6: These findings are discussed in the context of global climate change and the cellular stress response.

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Die Antarktis ist eine Schlüsselregion für die Entwicklung des Klimageschehens auf der Erde. Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) helfen dabei, die damit verbundenen geodynamischen Prozesse besser zu verstehen, indem mit wiederholten oder kontinuierlichen Messungen präzise Deformationsraten der festen Erde abgeleitet werden. Neben der Bestimmung von plattentektonischen Bewegungen zählt in den Polargebieten insbesondere die Erfassung des glazial-isostatischen Ausgleichs (GIA) zu den wichtigsten Anwendungsbereichen von GNSS. GIA beschreibt die Reaktion der festen Erde auf sich verändernde Eisauflasten und äußert sich in einer an der Erdoberfläche messbaren Deformation, welche größtenteils durch Umverteilungen des zähflüssigen Mantelmaterials innerhalb der Erde verursacht wird. Die mittels Satellitengravimetrie bestimmten Eismassenbilanzen, welche etwa bei Klimamodellierungen verwendet werden können, weisen große Fehlereinflüsse durch die Unsicherheiten der GIA-bedingten Massenumverlagerungen auf. Deshalb sind die GNSS-Ergebnisse für die Validierung der GIA-Modelle und darauf basierende Untersuchungen von großer Bedeutung. In der hier vorliegenden Arbeit wurde eine konsistente Prozessierung von allen verfügbaren, in der Antarktis auf Fels gemessenen GNSS-Daten durchgeführt. Die Daten wurden im Rahmen der internationalen Kooperation GIANT-REGAIN (Geodynamics In ANTarctica based on REprocessing GNSS dAta INitiative) zur Verfügung gestellt und die Ergebnisse dieser Arbeit stellen zugleich einen Beitrag dazu dar. Ein großes Problem der bisherigen GNSS-Untersuchungen der Antarktis war der beschränkte Umfang, sei es in Folge einer regionalen Analyse oder durch eine eingeschränkte Auswahl an GNSS-Stationen bei Auswertungen im kontinentalen oder globalen Maßstab. Einige wichtige Regionen wurden zudem nur sehr selten berücksichtigt, etwa die durch extreme Eismassenverluste gekennzeichnete Amundsensee-Region. Die verschiedenen GNSS-Untersuchungen verwendeten unterschiedliche Auswertestrategien, Eingangsmodelle und Referenzrahmen, weshalb sich die Raten nicht direkt miteinander vergleichen lassen. Eine Validierung der GIA-Modelle ist daher in den meisten Fällen nur eingeschränkt möglich. Mit der hier durchgeführten gemeinsamen Prozessierung von mehr als 250 GNSS-Stationen für den Zeitraum von 1995 bis 2017 konnten die bisherigen Limitierungen umgangen werden. Für fast alle Stationen ließen sich Deformationsraten bestimmen, welche einer einheitlichen Auswertung entstammen und sich daher direkt vergleichen und interpretieren lassen. Neben der Prozessierung der GNSS-Daten lag ein Fokus auch auf den dazugehörigen Metadaten. Deren korrekte oder unzureichende Erfassung kann einen signifikanten Einfluss auf die abgeleiteten Deformationsraten haben. Durch den Aufbau eines Datenmanagementsystems mit mehreren graphischen Schnittstellen wurde die Datenverwaltung deutlich effizienter gestaltet. Außerdem ließen sich damit viele Fehler detektieren und größtenteils beheben. Weitere Untersuchungsschwerpunkte waren die Optimierung der Realisierung des geodätischen Datums durch Anpassung der Datumsstationsauswahl, die Detektion von Ausreißern und Sprüngen in den Zeitreihen für eine zuverlässige Trendschätzung sowie die Behandlung offensichtlicher Probleme einiger Stationen. Zu den auffälligsten Problemen zählen die Auswirkungen von fehlerhaften Metadaten und von Eisablagerungen innerhalb der Antenne. In diesem Zusammenhang zeigte sich auch, dass automatisierte Verfahren zur Detektion von Ausreißern und Sprüngen sowie robuste Verfahren gegenüber diesen Anomalien für viele Stationen sehr gute Resultate liefern. Es gibt aber auch mehrere Stationen mit einer besonderen Charakteristik, für die eine manuelle Nachbearbeitung dringend anzuraten ist. Insbesondere die Eisablagerungen in den Antennen, welche bisher noch nicht genauer untersucht wurden, können von diesen Verfahren nicht adäquat berücksichtigt werden. Weiterhin wurden im Rahmen einer sorgfältigen Genauigkeitsabschätzung realistische Maße für die Unsicherheiten der GNSS-Deformationsraten abgeleitet. Die mit GNSS ermittelten Deformationsraten der Antarktis wurden im geodynamischen Kontext betrachtet. In der Ostantarktis fallen die vertikalen Deformationsraten sehr gering aus und umfassen nur wenige Millimeter pro Jahr, wobei das Vorzeichen häufig wechselt. Dagegen sind die vertikalen Deformationsraten in der Westantarktis deutlich größer und können mehrere Millimeter pro Jahr betragen. Eine Sonderstellung nehmen dabei die extremen Hebungsraten der Amundsensee-Region ein, welche in dieser Arbeit ausführlicher untersucht wurde. Die dort ermittelten GNSS-Raten von bis zu 62mm/a und die um den Effekt rezenter Eismassenänderungen reduzierten Raten von bis zu 45mm/a stellen weltweit die größten bisher gemessenen Hebungsraten aufgrund glazial induzierter Deformationen dar. Mit zunehmendem Abstand zu den großen Gletschern dieser Region werden die Raten schnell kleiner, woraus große Gradienten resultieren. Fast alle GIA-Modelle unterschätzen die aus GNSS abgeleiteten Hebungsraten um fast eine Größenordnung im Bereich der Gletscher der Amundsensee-Region. Die Ursache liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit in der Kombination aus einer besonderen Rheologie (geringe Mächtigkeit der Lithosphäre und geringe Viskosität der Asthenosphäre) und großen Eismassenverlusten in den letzten Jahrzehnten begründet. Dadurch dominieren jüngere Ereignisse der Vereisungsgeschichte die rezenten Raten, weshalb die klassische Trennung von sofortigen (elastischen) und über Jahrtausende anhaltenden Deformationen in diesem Fall nicht zu funktionieren scheint. Ein geringer Einfluss von tektonischen Prozessen und besonders Vulkanismus kann nicht ausgeschlossen werden, signifikante Anteile sind aber sehr unwahrscheinlich. Die horizontalen Deformationsraten der Antarktis spiegeln hauptsächlich die plattentektonische Bewegung wider. Nach Abzug der anteiligen Bewegung der Antarktischen Platte (starres Modell) fallen die horizontalen Raten sehr gering aus, was auch auf die Relativgeschwindigkeiten zutrifft. Deshalb kann die Antarktische Lithosphärenplatte insgesamt als sehr stabil betrachtet werden. Nur zwischen der Antarktischen Halbinsel und den Südlichen Shetlandinseln sowie in der Amundsensee-Region sind größere horizontale Raten vorzufinden, welche durch die Existenz einer separaten Lithosphärenplatte (Shetland-Platte) bzw. im Bereich der Amundsensee durch GIA verursacht werden. / Antarctica is a key region for the development of the climate on Earth. Global Navigation Satellite Systems (GNSS) help to better understand the associated geodynamic processes by deriving precise deformation rates of the solid Earth using repeated or continuous measurements. Besides the determination of plate tectonic movements, the determination of glacial isostatic adjustment (GIA) is one of the most important applications of GNSS in polar regions. GIA describes the response of the solid Earth to changing ice-loads. It manifests itself in a deformation measurable at the Earth's surface, which is mainly caused by redistributions of the viscous mantle material within the Earth. The ice-mass balances determined by satellite gravimetry, which serves as an input variable for climate modelling, are largely affected by errors due to the uncertainties of the GIA-induced mass redistributions. Therefore, GNSS results are very important for the validation of GIA models and studies based on them. In this thesis a consistent processing of all GNSS data was performed which were measured on bedrock in Antarctica. The data were made available within the international cooperation GIANT-REGAIN (Geodynamics In ANTarctica based on REprocessing GNSS dAta INitiative). In turn, the results of this work are a contribution to this project as well. A major problem of previous GNSS studies in Antarctica has been the limited coverage, resulting from either a regional analysis or a limited selection of GNSS sites for investigations on a continental or global scale. Moreover, some important regions were only very rarely considered, such as the Amundsen Sea embayment which is characterized by an extreme ice-mass loss. Various GNSS studies accomplished so far used different processing strategies, input models and reference frames, so that inferred rates cannot be compared directly. Therefore, in most cases a validation of the GIA models is only possible to a limited extent. Now, with the joint processing of more than 250 GNSS sites for the period from 1995 to 2017 the previous limitations could be circumvented. Deformation rates could be determined for almost all sites, which are derived from a homogeneous analysis and are, therefore, directly comparable and interpretable. Besides the processing of GNSS data another focus lies on the treatment of associated metadata. Their correct or insufficient acquisition can have a significant influence on the derived deformation rates. By setting up a data management system including various graphical interfaces the data handling has been made significantly more efficient. In addition, many errors were detected and could be corrected to a great extent. Further aspects of the investigations include the optimization of the geodetic datum definition by adjusting the fiducial site selection, the detection of outliers and jumps in the time series for a reliable trend estimation, and the handling of obvious problems of some sites. Erroneous metadata and ice deposits within the antenna are among the most problematic effects. In this context, it was also shown that automated methods for the detection of outliers and jumps as well as robust methods to mitigate or eliminate these anomalies provide very good results for many sites. However, there still exist several sites with special characteristics where manual revisions are strongly recommended for. Especially the ice deposits within the antennas, which have not been investigated in detail yet, cannot be adequately considered by these methods. Furthermore, realistic measures for the uncertainties of the GNSS deformation rates were derived by a careful accuracy estimation. The deformation rates determined with GNSS in Antarctica were analysed in a geodynamic context. In East Antarctica, the vertical deformation rates are very small with only a few millimeters per year and a frequently changing sign. In contrast, the vertical deformation rates in West Antarctica are much higher and can reach several millimeters per year. The extreme uplift rates in the area of the Amundsen Sea embayment play a special role and were investigated in more detail within this thesis. There, the GNSS rates reach values of up to 62mm/a and, reduced by the effect of recent ice-mass changes, of up to 45mm/a. They represent the largest measured uplift rates due to glacially induced deformations worldwide. With increasing distance to the large glaciers of this region, the rates decrease rapidly, resulting in large gradients. Nearly all GIA models underestimate the GNSS-derived uplift rates by almost an order of magnitude in that area. This is most likely due to the combination of a special rheology (small thickness of the lithosphere and low viscosity of the asthenosphere) and an extreme ice-mass loss during the last decades. As a result, more recent events in the ice-load history dominate the present-day rates, which is why the classical separation of immediate (elastic) deformations and those that persist over millennia does not seem to work in this case. A minor effect of tectonic processes and especially volcanism cannot be excluded but has most likely no significant influence. The horizontal deformation rates in Antarctica mainly reflect plate tectonic motion. After deducting the proportional motion of the Antarctic Plate, the horizontal rates are very small, which also applies to the relative velocities. Therefore, the Antarctic Plate can be considered as very stable overall. Only between the Antarctic Peninsula and the South Shetland Islands as well as in the Amundsen Sea embayment larger horizontal rates can be found, which are caused by a separate lithospheric microplate (Shetland Plate) or by the considerable GIA effect in the Amundsen Sea embayment, respectively.

Die neuen Schwerefeld-Satellitenmissionen CHAMP (Challenging Minisatellite Payload), GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) und GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) können wesentlich zur Erforschung und Beobachtung des Systems Erde beitragen. Die Antarktis als ein Schlüsselglied im globalen Klimasystem bietet dabei besondere Herausforderungen. GRACE hat hier das Potential, zeitliche Massenänderungen (unter anderem der Eismasse) zu beobachten. Methoden zur Auswertung der Missionsdaten befinden sich gegenwärtig in einem intensiven Entwicklungsprozess, zu dem die vorliegende Arbeit beitragen soll. Inhaltlicher Schwerpunkt ist die Nutzung von GRACE zur Ermittlung zeitlicher Massenvariationen in der Antarktis. Die Analysen erfolgen in erster Linie aus der Position eines Nutzers von Standard-Missionsprodukten, betreffen aber grundsätzlich den gesamten Auswerteprozess. Nach einer Einführung werden zunächst die Hintergründe der Arbeit ausgeführt (Kapitel 2), speziell die theoretischen Grundlagen zu Massen- und Schwerefeldvariationen, Phänomene geophysikalischer Massenvariationen und die neuen Schwerefeldmissionen mit ihrem Potential zur Beobachtung solcher Massenvariationen. Ein Hauptteil der Arbeit behandelt die Frage, welche Signale und Fehler in den Schwerefeldlösungen der Missionen enthalten sind (Kapitel 3). Zunächst werden dazu gegenwärtige Prozessierungskonzepte zur Erstellung von CHAMP- und GRACE-Schwerefeldlösungen skizziert und die GRACE-Monatslösungen des GeoForschungsZentrums Potsdam als ein Standard-GRACE-Produkt vorgestellt. Es folgen verschiedene Analysen zur Fehlerstruktur der Schwerefeldlösungen, wobei insbesondere die Fehlerstruktur von GRACE-Monatslösungen anhand ihres Zeitverhaltens empirisch untersucht werden. Als eine Ursache empirisch festgestellter, aber durch Fehlermodelle nicht vollständig beschriebener Fehlerstrukturen werden schließlich Alias-Effekte von unmodellierten zeitlichen Variationen auf die geschätzten räumlichen Variationen qualitativ und quantitativ beschrieben und diskutiert. Ein zweiter Hauptteil untersucht geophysikalische Rückschlüsse aus GRACE-Schwerefeldlösungen mit Anwendung auf die Schätzung antarktischer Eismassensignale (Kapitel 4). Methoden zur Schätzung von Massensignalen aus den Schwerefeldlösungen werden systematisch zusammengestellt und teilweise weiterentwickelt. Die praktische Anwendung dieser Methoden zur Schätzung von Eismassenänderungen des Antarktischen Eisschildes und seiner großen Eiseinzugsgebiete wird erklärt. Ein Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung der unterschiedlichen Mechanismen, die zu Fehlern der geschätzten Massensignale führen, sowie auf der Abschätzung dieser Fehler. Im Lichte der gewonnenen Einsichten in die methodischen Unsicherheiten der angewandten Analysetechniken erfolgt schließlich die Präsentation und Diskussion der Ergebnisse, einschließlich eines Vergleichs mit bisher veröffentlichten Massenbilanzresultaten. Möglichkeiten zu methodischen Verbesserungen, die in den vorangegangenen Untersuchungen deutlich werden, aber über den Rahmen der Arbeit hinausgehen, werden in einem eigenen Kapitel (Kapitel 5) diskutiert. Dies betrifft sowohl solche Verbesserungen, die bereits auf der Basis der gegenwärtigen GRACE-Monatslösungen möglich sind, als auch Verbesserungen in der Generierung dieser Monatslösungen oder, allgemeiner, in der GRACE-Prozessierung. Die Kombination der GRACE-Daten mit komplementären Beobachtungen und Modellen spielt in den unterschiedlichen Stadien der GRACE-Datenanalyse eine Schlüsselrolle. In Bezug auf die Trennung antarktischer Massensignale werden Kombinationsstrategien nochmals gesondert diskutiert. Schließlich werden die Hauptergebnisse der Arbeit nochmals zusammengefasst und eingeordnet (Kapitel 6). / The new gravity field satellite missions CHAMP (Challenging Minisatellite Payload), GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) and GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) can provide essential contributions to the study and the monitoring of the Earth system. Hereby, Antarctica as a key element of the climate system offers particular challenges. GRACE has the potential to observe temporal variations of masses such as ice masses, in particular. Methods to analyse the mission data are currently in a process of intensive development. The present work aims to contribute to this process. The focus is on the use of GRACE to determine temporal mass variations in Antarctica. The analyses are carried out from the viewpoint of a standard product user. Nonetheless, they concern the entire process of GRACE data analysis. After an introduction, the background of the work is explained, in particular the theoretical fundamentals of mass and gravity field variations, the phenomena of geophysical mass variations and the new gravity field missions with their potential to observe these variations (chapter 2). One main part of the work (chapter 3) treats the question which signals and errors are contained in the missions' gravity field solutions (chapter 3). Current CHAMP and GRACE processing approaches are outlined. The GRACE monthly solutions by GeoForschungsZentrum Potsdam are introduced. Subsequently, different analyses about error structures of gravity field mission solutions are presented. In particular, an empirical analysis of time-variations of the GRACE monthly solutions reveals error structures which are not completely described by error models. As one cause of this discrepancy, alias effects of unmodelled temporal variations on the spatial patterns of the solutions are discussed qualitatively and quantitatively. Another main part of the work (chapter 4) investigates geophysical inferences from the GRACE monthly solutions, with Antarctica taken as a case study. Methods to estimate mass signals are systematised and partly enhanced. The practical applications of these methods for the estimation of Antarctic ice mass changes is explained. The different error mechanisms are investigated in detail, and corresponding errors are assessed. The results about Antarctic ice mass changes are then presented, compared to previous results and discussed in the light of the remaining methodological uncertainties. The studies reveal directions for methodological improvements, and so, related ideas are discussed in a separate chapter (chapter 5). They concern both the analysis of current GRACE monthly solutions and the generation of these solutions, or, more generally, the GRACE processing. The combination of GRACE data with complementary observations and models plays a key role in the different levels of GRACE data analysis. Combination strategies are, hence, once more discussed with regard to Antarctic mass signals. Finally, the main results of the work are summarised and discussed in a broader context.

Lake Vostok, der größte der über 70 subglazialen Seen in der Antarktis, ist derzeit einer der Forschungsschwerpunkte der geowissenschaftlichen Polarforschung. Der See erstreckt sich unter einer 4 000 m dicken Eisschicht auf über 250 km Länge mit einer Wassertiefe von bis zu 1 000 m. Ziel der hier vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der Gezeiten auf den Wasserstand des Sees, die eine bisher nicht betrachtete Komponente in der Zirkulation im See darstellen. Auf Grund seiner Ausdehnung ist das Gezeitenpotential an verschiedenen Punkten auf dem See nicht gleich, sondern weist differentielle Unterschiede auf. Unter der Annahme, dass sich die Seeoberfläche entlang einer Äquipotentialfläche ausrichtet, ergeben sich Gleichgewichtsgezeiten des Sees mit Amplituden von bis zu 4,6 mm für die größte ganztägige Tide K1 und 1,8 mm für die größte halbtägige Tide M2. Differenzen des Luftdruckes zwischen Nord- und Südteil des Sees rufen zusätzlich einen differentiellen inversen Barometer-Effekt hervor. Der inverse Barometer-Effekt besitzt im wesentlichen die spektralen Eigenschaften eines roten Rauschens. Die Variationen erreichen bis zu +/- 20 mm. Zum messtechnischen Nachweis derartiger Höhenänderungen an der Eisoberfläche über dem See wurden drei unterschiedliche Verfahren herangezogen. Differentielle GPS-Messungen zwischen einem Punkt auf aufliegendem Eis und einem zweiten in der südlichen Seemitte bestätigen die Modellvorstellungen und zeigen sowohl mit der Luftdruckdifferenz korrelierte Höhenänderungen als auch Höhenänderungen mit ganz- und halbtägigen Perioden. Die SAR-Interferometrie als flächenhaft arbeitende Methode zur Bestimmung von Höhenänderungen lässt den räumlichen Verlauf der Deformation erkennen. Dabei zeigt sich, dass sich die Aufsetzzone auf dem etwa 50 km breiten See bis in die Seemitte ersteckt. Erdgezeitenregistrierungen, die im Jahr 1969 in der Station Vostok durchgeführt wurden, zeigen zwar Auffälligkeiten wie etwa einen stark erhöhten Luftdruckregressionskoeffzienten und einen Phasenvorlauf der K1-Tide, diese können jedoch nicht eindeutig als Resultat von Höhenänderungen der Seeoberfläche identifiziert werden. Auf Grund der Lage der Station Vostok nahe dem Ufer des Sees ist die Deformation dort schon stark gedämpft. Die zu erwartenden Effekte liegen daher unterhalb der Auflösung der damaligen Messungen. Damit sind die theoretischen Grundvorstellungen über die Reaktion des subglazialen Sees auf Gezeiten- und Luftdruckanregungen herausgearbeitet, sowie diese Effekte mit zwei unabhängigen und komplementären Messverfahren nachgewiesen. / Lake Vostok, the largest of more than 70 subglacial lakes in the Antarctic, is one of the prominent topics of recent geoscientific polar research. The lake extends beneath the 4,000 m thick ice sheet to a length of more than 250 km with a water depth of up to 1,000 m. This thesis aims to investigate the influence of tides on the lake level which has not been considered so far in the discussion of water circulation within the lake. Due to the extent of the lake the tidal potential at different positions on its surface is not equal but exhibits a differential effect. Under the assumption of the lake level to be parallel to an equipotential surface the equilibrium tides of the lake yield amplitudes of up to 4.6 mm for the largest diurnal tidal constituent K1 and 1.8 mm for the largest semi-diurnal wave M2. In addition, differences in air pressure between the northern and the southern part of the lake result in a differential inverse barometric effect. This effect shows red noise characteristics with variations of up to +/- 20 mm. Three different types of measurements were used to verify corresponding height changes of the ice surface above the lake. Differential GPS measurements between one station on grounded ice and one in the southern centre of the lake confirm the concept and show height changes correlated to air pressure differences as well as changes with diurnal and semi-diurnal periods. SAR interferometry as a spatial method to determine height changes reveals the areal extent of the deformation with a grounding zone extending to the centre of the about 50 km wide lake. Gravimetric earth tide data recorded at Vostok Station in 1969 show pecularities such as an increased regression with air pressure and a phase lead of the K1 tide. However, these effects cannot be explicitly attributed to height changes of the lake surface. Due to the position of the station near the edge of the lake the effect is highly attenuated and below the noise level of these measurements. This work introduces the concept of the response of the subglacial lake to the tidal potential and to air pressure forcings and presents evidence for the effect by two different techniques proving the validity of the model.

Mit der Mission des Ice, Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) gelangte erstmals ein Laseraltimetersystem in einen erdgebundenen Orbit. Die vorliegende Arbeit verdeutlicht anhand von drei verschiedenen Anwendungen das Potenzial dieser Altimeterdaten zur Überwachung des Antarktischen und des Grönländischen Eisschilds. Beide Schilde bilden ein Schlüsselglied im globalen Klimasystem der Erde. In einem ersten Hauptabschnitt werden die ICESat-Altimeterdaten für das Gebiet des Lake Vostok, des größten Vertreters subglazialer Seen in der Antarktis, untersucht. Dieses Gebiet eignet sich durch die Höhenstabilität des über dem See liegenden Eisschilds insbesondere als Validierungsgebiet für Altimeterdaten. Diese werden hinsichtlich der zwischen den Lasern auftretenden Offsets umfassend analysiert. Die ermittelten Offsets variieren in einem Bereich zwischen -7.5 und +13.9 cm und erreichen damit die angestrebte Messgenauigkeit der Mission. Im Hinblick auf eine Bestimmung von zeitlich linearen Höhenänderungen der Eisschilde stellen sie den größten genauigkeits-limitierenden Faktor dar. Aus den um die Offsets korrigierten Altimeterdaten wird ein rasterförmiges Topographiemodell der Eisoberfläche erstellt. Dieses wird umfassend untersucht. Im Anschluss werden glaziologische Anwendungen vorgestellt, für welche das Topographiemodell eine zentrale Grundlage bildet. Unter anderem erfolgt in der Kombination mit Eisdicken- und Geoidinformationen der Nachweis, dass sich das Eis über dem See im hydrostatischen Gleichgewicht befindet. Im Zuge dieser Untersuchung wird aber auch deutlich, dass an einigen Stellen des Sees das Gleichgewicht verletzt wird. Mögliche Ursachen hierfür werden näher untersucht und eingehend diskutiert. Für den Grönländischen Eisschild erfolgt die Analyse der um die Laseroffsets korrigierten Altimeterdaten zur Ableitung zeitlich linearer Höhenänderungen. Die methodische Basis hierfür bildet eine Wiederholspuranalyse der Altimeterdaten. Zur Minimierung des Einflusses der lokalen Topographie und zur besseren Separation der saisonalen Höhenvariation werden die korrespondierenden Altimetermessungen entlang der Referenzspuren an ein drei-komponentiges mathematisches Modell durch Ausgleichung bestmöglich angepasst. Die für den ICESat-Missionszeitraum bestimmte mittlere Höhenrate des Eisschilds beträgt -13.0±0.5 cm/a. Die stärkste Höhenabnahme verzeichnet der Eisschild in den westlichen und südöstlichen küstennahen Randbereichen. Unter Verwendung der Eisdichte für die Volumen-Massen-Umrechnung entspricht dies einer Massenänderung von -209.5±35.6 Gt/a. Dies entspricht einem eustatischen Meeresspiegelanstieg von +0.6±0.1 mm/a. In einer dritten Anwendung werden die ICESat-Altimeterdaten über dem Amery-Schelfeises untersucht. Es wird eine Methodik vorgestellt, welche auf der Kreuzkorrelation von Höhenprofilen verschiedener Epochen beruht und zur Ableitung von Fließgeschwindigkeiten des Schelfeises dient. Der entwickelte Ansatz wird auf die ICESat-Referenzspur 49 angewendet. Sie verläuft entlang der zentralen Achse des Schelfeises. Im Bereich zwischen -71.6° und -70.1° Breite wächst die Fließgeschwindigkeit von +0.83±0.09 m/d auf +1.02±0.06 m/d an. Das Ergebnis steht im Einklang mit einem unabhängigen Geschwindigkeitsmodell, welches zur Validierung herangezogen wurde. / The Ice, Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) was the first Earth-orbiting laser altimeter mission in space. The following work is dedicated to the ICESat-altimetry data in order to demonstrate their full potential for the investigation of glaciological implications in polar regions. The primary science objective of the mission was to focus on the mass balances of the Greenland Ice Sheet and the Antarctic Ice Sheet. Both of them play a key role in the Earth's climate system. Firstly, the ICESat elevation profiles covering the Lake Vostok region are analysed in more detail. The Lake Vostok is the largest known subglacial lake in Antarctica to date. Due to a fast and strong degradation of the laser energy, the ICESat elevation measurements are affected by offsets. The estimated offsets between the laser operational periods vary between -7.5 und +13.9 cm. Therefore, they can't be neglected in the view of precise mass change determinations for ice sheets. In addition, a Digital Elevation Model (DEM) of the ice surface topography is generated on the basis of the adjusted elevation profiles. The DEM is analysed in more detail. Furthermore, the DEM forms the basis for the investigation of glaciological implications. In combination with an ice-thickness model and a regional geoid model the hydrostatic equilibrium condition is evaluated. It turns out, that the ice sheet covering the lake fulfils the hydrostatic equilibrium condition within ±1 m for large parts of the lake. Beside this, positive and negative deviations are found in the northern and southern part of the lake. Secondly, ice surface height changes and their temporal variations are inferred for the Greenland ice sheet. This investigation is based on a refined repeat-track analysis in order to exploit the full potential of ICESat's altimetry data. To reduce the influence of the local topography corresponding measurements along the track are fitted to a mathematical model, consisting of three components. For the entire ice sheet a mean surface height trend of -13.0±0.5 cm/yr is determined. The largest changes are identified at the coastal margins of the ice sheet. Using the ice surface height changes long-term volume- and mass-change rates are inferred. For this purpose the density of pure ice is used for the volume-mass-conversion. The overall long-term mass change rate amounts to -209.5±35.6 Gt/yr. This is equivalent to an eustatic sea level rise of +0.6±0.1 mm/yr. A third approach analyses ICESat elevation profiles over the Amery ice shelf. The method is based on a cross-correlation analysis of different ICESat repeat cycle in order to determine the ice flow velocity along the track. This method is applied to reference track 49. The investigation reveals that between 71.7° S and 70.1° S along the reference track, the ice-flow velocity increases from about +0.83±0.09 m/d to +1.02±0.06 m/d. These results are in general good agreement with velocities derived from an independent velocity field.