Die Umweltveränderungen durch den Menschen sind auf unserer Erde allgegenwärtig. Entwaldung und Waldschädigung beeinflussen das System Erde entscheidend, denn Wälder bieten wichtige Ökosystemleistungen und sind Kernelement der Debatte um den Klimawandel, speziell hinsichtlich der globalen Kohlenstoffbilanz. Veränderungen der Waldbedeckung zu quantifizieren ist daher von herausragendem wissenschaftlichen Interesse. Ziel dieser Arbeit ist es, Waldbedeckungsveränderungen in den Westlichen Karpaten grenzübergreifend zu bestimmen, sowie Dynamiken der Biomasse von Nadelwäldern und deren Auswirkungen auf die oberirdische Kohlenstoffspeicherung abzuleiten. Die Karpatenwälder zeichnen sich durch ein hohes Maß an Biodiversität, einen großen Holzvorrat und als wichtiger Kohlenstoffspeicher für Europa aus. Jedoch sind diese Wälder auch geprägt von einer bewegten Geschichte der Landnutzung, hoher Luftverschmutzung und einer andauernden Waldabnahme. Mittels Methoden der Fernerkundung wurden Veränderungen in der Waldbedeckung für die Jahre 1985 bis 2010 abgeleitet. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere das frühere Forstmanagement sowie die starke Luftverschmutzung zu Zeiten des Kommunismus gemeinsam die erhebliche Schädigung von Nadelwäldern bedingen. Fichtendominierte Bestände offenbaren dabei eine geringere Widerstandsfähigkeit gegenüber biotischen sowie abiotischen Belastungen, z.B. Schädlingen und Extremwettersituationen. Seit 2005 verwandelten sich die Nadelwälder infolge eines weit verbreiteten Biomasseverlustes von einer Netto-Kohlenstoffsenke in eine Netto-Kohlenstoffquelle. Die Analysen betonen den Einfluss bestimmter Standortfaktoren wie Waldtyp, vorherrschende Baumart, topographische Gegebenheiten, Brennpunkte der Umweltverschmutzung, Mikroklima und deren Interaktion auf die Waldabnahme. Die Arbeit legt eine komplexe sozio-ökologische Geschichte dar und erbringt Schätzungen über die Veränderung des oberirdischen Kohlenstoffvorrates der Wälder der Westlichen Karpaten. / Human-induced environmental change is evident across the globe. Deforestation and forest degradation are among the most critical impacts of humanity on the Earth system, as forests provide crucial ecosystem services, and are a key element in the global climate change discussion, specifically considering the global carbon balance. Therefore, monitoring and quantifying forest changes are of prime scientific interest. The main goals of this thesis were to monitor forest change across country borders in the Western Carpathians, and to assess coniferous forest biomass dynamics and their impact on aboveground forest carbon storage. Generally, Carpathian forests provide outstanding biodiversity levels, high growing stocks, and an important European carbon sink. However, the Western Carpathian forests are exceptional, with a turbulent land-use history, high airborne pollution loads, and ongoing forest decline. Forest change between 1985 and 2010 was quantified using remote sensing techniques. Results show that the synergistic effect of unsustainable forest management in the past and high pollution levels during communist times significantly damaged coniferous forests. Spruce-dominated stands exhibit lower resistance against biotic and abiotic impacts, and are more susceptible to pests and extreme weather events. Widespread biomass loss since 2005 has converted coniferous forests from a net carbon sink into a net carbon source. Cross-border analysis emphasized the role of site characteristics such as forest type, predominant species, topographic conditions, pollution hotspots, microclimate, and their interactions for forest decline. Summarizing, this thesis tells a complex socio-ecological story and provides estimates of aboveground carbon stock changes in Western Carpathian forests.

About 24 % of the land surface in the northern hemisphere are underlayed by permafrost in various states. Permafrost aggradation occurs under special environmental conditions with overall low annual precipitation rates and very low mean annual temperatures. Because the general permafrost occurrence is mainly driven by large-scale climatic conditions, the distribution of permafrost deposits can be considered as an important climate indicator. The region with the most extensive continuous permafrost is Siberia. In northeast Siberia, the ice- and organic-rich permafrost deposits of the Ice Complex are widely distributed. These deposits consist mostly of silty to fine-grained sandy sediments that were accumulated during the Late Pleistocene in an extensive plain on the then subaerial Laptev Sea shelf. One important precondition for the Ice Complex sedimentation was, that the Laptev Sea shelf was not glaciated during the Late Pleistocene, resulting in a mostly continuous accumulation of permafrost sediments for at least this period. This shelf landscape became inundated and eroded in large parts by the Holocene marine transgression after the Last Glacial Maximum. Remnants of this landscape are preserved only in the present day coastal areas.<br><br> Because the Ice Complex deposits contain a wide variety of palaeo-environmental proxies, it is an excellent palaeo-climate archive for the Late Quaternary in the region. Furthermore, the ice-rich Ice Complex deposits are sensible to climatic change, i.e. climate warming. Because of the large-scale climatic changes at the transition from the Pleistocene to the Holocene, the Ice Complex was subject to extensive thermokarst processes since the Early Holocene.<br><br> Permafrost deposits are not only an environmental indicator, but also an important climate factor. Tundra wetlands, which have developed in environments with aggrading permafrost, are considered a net sink for carbon, as organic matter is stored in peat or is syn-sedimentary frozen with permafrost aggradation. Contrary, the Holocene thermokarst development resulted in permafrost degradation and thus the release of formerly stored organic carbon. Modern tundra wetlands are also considered an important source for the climate-driving gas methane, originating mainly from microbial activity in the seasonal active layer.<br><br> Most scenarios for future global climate development predict a strong warming trend especially in the Arctic. Consequently, for the understanding of how permafrost deposits will react and contribute to such scenarios, it is necessary to investigate and evaluate ice-rich permafrost deposits like the widespread Ice Complex as climate indicator and climate factor during the Late Quaternary. Such investigations are a pre-condition for the precise modelling of future developments in permafrost distribution and the influence of permafrost degradation on global climate.<br><br> The focus of this work, which was conducted within the frame of the multi-disciplinary joint German-Russian research projects "Laptev Sea 2000" (1998-2002) and "Dynamics of Permafrost" (2003-2005), was twofold. First, the possibilities of using remote sensing and terrain modelling techniques for the observation of periglacial landscapes in Northeast Siberia in their present state was evaluated and applied to key sites in the Laptev Sea coastal lowlands. The key sites were situated in the eastern Laptev Sea (Bykovsky Peninsula and Khorogor Valley) and the western Laptev Sea (Cape Mamontovy Klyk region). For this task, techniques using CORONA satellite imagery, Landsat-7 satellite imagery, and digital elevation models were developed for the mapping of periglacial structures, which are especially indicative of permafrost degradation. The major goals were to quantify the extent of permafrost degradation structures and their distribution in the investigated key areas, and to establish techniques, which can be used also for the investigation of other regions with thermokarst occurrence. Geographical information systems were employed for the mapping, the spatial analysis, and the enhancement of classification results by rule-based stratification. The results from the key sites show, that thermokarst, and related processes and structures, completely re-shaped the former accumulation plain to a strongly degraded landscape, which is characterised by extensive deep depressions and erosional remnants of the Late Pleistocene surface. As a results of this rapid process, which in large parts happened within a short period during the Early Holocene, the hydrological and sedimentological regime was completely changed on a large scale. These events resulted also in a release of large amounts of organic carbon. Thermokarst is now the major component in the modern periglacial landscapes in terms of spatial extent, but also in its influence on hydrology, sedimentation and the development of vegetation assemblages. Second, the possibilities of using remote sensing and terrain modelling as a supplementary tool for palaeo-environmental reconstructions in the investigated regions were explored. For this task additionally a comprehensive cryolithological field database was developed for the Bykovsky Peninsula and the Khorogor Valley, which contains previously published data from boreholes, outcrops sections, subsurface samples, and subsurface samples, as well as additional own field data. The period covered by this database is mainly the Late Pleistocene and the Holocene, but also the basal deposits of the sedimentary sequence, interpreted as Pliocene to Early Pleistocene, are contained. Remote sensing was applied for the observation of periglacial strucures, which then were successfully related to distinct landscape development stages or time intervals in the investigation area. Terrain modelling was used for providing a general context of the landscape development. Finally, a scheme was developed describing mainly the Late Quaternary landscape evolution in this area. A major finding was the possibility of connecting periglacial surface structures to distinct landscape development stages, and thus use them as additional palaeo-environmental indicator together with other proxies for area-related palaeo-environmental reconstructions. In the landscape evolution scheme, i.e. of the genesis of the Late Pleistocene Ice Complex and the Holocene thermokarst development, some new aspects are presented in terms of sediment source and general sedimentation conditions. This findings apply also for other sites in the Laptev Sea region. / Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen der multidisziplinären Deutsch-Russischen Verbundprojekte "Laptev See 2000" (1998-2002) und "Dynamik des Permafrost" (2003-2005) erstellt.<br> Etwa 24 % der Landoberfläche der Erde sind von Permafrost unterlagert. Die ausgedehntesten Permafrostgebiete befinden sich heute in Sibirien. In Nordostsibirien, das während der letzten Eiszeit nicht von Inlandeismassen bedeckt bedeckt war, lagerten sich während dieser Zeit mächtige eisreiche Permafrostsedimente ab. Die durch den nacheiszeitlichen Meeresspiegelanstieg um ca. 120 Meter nur noch in den heutigen Küstengebieten erhaltenen Ablagerungen sind zum Teil hervorragende Paläoklimaarchive, die verschiedenste fossile organische Überreste der Eiszeitlichen Fauna und Flora konserviert haben. Aber auch die Sedimente und das enthalten Grundeis enthalten Klimainformationen z.B. die aus Mineralogie, Ablagerungsmilieu oder geochemischer und isotopenchemischer Zusammensetzung gewonnen werden können.<br><br> Der hohe Eisgehalt in den Sedimenten führte mit Beginn der holozänen Warmzeit zur Bildung von Thermokarst und Thermo-Erosion, d.h. zu starken Zersetzungserscheinungen durch Auftauen und Erosion. Thermokarst beschreibt das Schmelzen des Grundeises und die gleichzeitig stattfindende tiefe Absenkung der betroffenen Landoberfläche. Thermokarst geht mit der Bildung von Thermokarstseen einher, deren Wasserkörper ein zusätzlicher Wärmespeicher ist und das Auftauen des darunter liegenden Permafrost verstärken kann. In Sibirien, aber auch anderen Regionen der Arktis, sind weite Gebiete von Thermokarst betroffen. Der Einfluss dieser klimabedingten großräumigen Landschaftsveränderungen in Permafrostgebieten auf den lokalen, regionalen und auch globalen Stoff- und Energiehaushalt ist bisher nur wenig untersucht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung und Evolution von periglazialen Landschaften im nordsibirischen Laptevsee-Gebiet, die seit dem Beginn des Holozän von solchen klimatisch bedingten Veränderungen betroffen sind, und liefert damit ein Puzzleteil zum einen für die Rekonstruktion der Landschaft und Landschaftsentwicklung als auch Vorraussetzungen für das Verständnis der großräumig wirkenden geologischen und geomorphologischen Veränderungsprozesse. Die generellen Schwerpunkte, für die die vorliegende Arbeit Informationen liefert, sind die Charakterisierung von periglazialen Relief- und Oberflächentypen und die Bestimmung ihrer räumlichen Verbreitung, die Identifizierung und Quantifizierung einzelner geologischer und geomorphologischer Prozesse in diesen Landschaften, und die Rekonstruktion der Entwicklung periglazialer Landschaften im Spätquartär für Schlüsselgebiete im Küstengebiet der nordsibirischen Laptevsee.<br><br> Um diese generellen Schwerpunkte zu erreichen, werden verschiedene Einzelziele in der Arbeit verfolgt:<br><br> Die Entwicklung and Anwendung von Satellitenfernerkundungstechniken zur Analyse periglazialer Landschaften in Nordsibirien. Dazu werden hochauflösende Corona-Satellitendaten und multispektrale Landsat-7 Satellitendaten verwendet.<br> Die Untersuchung von Satellitenbildern, mit dem Schwerpunkt auf Oberflächen, die von der Zersetzung des eisreichen Permafrosts betroffen sind<br> Die Entwicklung von hochauflösenden digitalen Geländemodellen für die geomorphologische Analyse in zwei Schlüsselgebieten<br> Die räumliche Untersuchung der gewonnenen Daten mit Hilfe von geographischen Informationssystemen, mit einem Schwerpunkt auf Form, Verteilung und Außmaß von holozänem Thermokarst<br> Das Sammeln und Auswerten von Felddaten, mit Schwerpunkt auf Oberflächeneigenschaften periglazialer Landschaften und der Zusammensetzung der Permafrostablagerungen<br> Die Anwendung der gewonnenen Daten zur Unterstützung, Verbesserung und Ausweitung der lokal gewonnenen Felddaten und Paläoumweltrekonstruktionen, sowie die datengestützte Entwicklung von Vorstellungen zur Landschaftsgenese<br><br> Weite, Permafrost-dominierte Küstentiefländer der heutigen Laptevsee in Nordost-Sibirien sind durch die spätpleistozänen Ablagerungen des Eiskomplex aufgebaut. Diese zumeist schluffig bis mittelsandigen Ablagerungen sind durch einen sehr großen Eisgehalt in Form von verteiltem Grundeis und großer syngenetischer Eiskeile, sowie einem relativ hohen Anteil an organischen Resten gekennzeichnet. Mit Beginn der holozänen Klimaerwärmung kam es zur weitläufigen Bildung von Thermokarst.

Forest-cover in the tropics is changing rapidly due to indiscriminate removal of timber from many localities. The main focus of the study is to develop an operational tool for monitoring biomass and carbon pool of tropical forest ecosystems. The method was applied to a test site of Bangladesh. The research used Landsat ETM+, Landsat TM and IRS pan images of 2001, 1992 and 1999 respectively. Geometrically corrected Landsat ETM+ imagery was obtained from USGS and adjusted to the field using GPS. Historical images were corrected using image-to-image registration. Atmospheric correction was done by modified dark object subtraction method. Stratified sampling design based on the remote sensing image was applied for assessing the above-ground biomass and carbon content of the study area. Field sampling was done during 2002-2003. Dbh and height of all the trees inside the sample plots were measured. Field measurement was finally converted to carbon content using allometric relations. Three different methods: stratification, regression and k-nearest neighbors were tested for combining remote sensing image information and field-based terrestrial carbon pool. Additional field sampling was conducted during 2003-2004 for testing the accuracy. Finally regression method was selected. The amount of carbon released and sequestrated from the ecosystem was estimated. The application of the developed method would be quite useful for understating the terrestrial carbon dynamics and global climate change.

Im Rahmen der Arbeit wurden Lidar- und Wolkenradarmessungen von troposphärischen Schichtwolken durchgeführt und ausgewertet, um den Zusammenhang zwischen Vertikalwinden und Eisbildung in diesen Wolken zu untersuchen. Der Eis- und Flüssigwassergehalt von Schichtwolken wurde mit einer Kombination aus Raman-Lidar und Wolkenradar untersucht. Die vertikalen Windbewegungen an der Wolkenunterkante wurden mit einem Doppler-Lidar aufgezeichnet. Durch die Auswertung vorangegangener Messkampagnen konnte die Vertikalwindstatistik in mittelhohen Schichtwolken zwischen den Standorten Leipzig und Praia (Kap Verde) verglichen werden. Messverfahren für die Vertikalwindmessung mit Doppler-Lidar wurden im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelt. In Zusammenarbeit mit dem Deutschen Wetterdienst wurde außerdem die Kombination von Doppler-Lidar, Wolkenradar und Wind-Profiler getestet. Die Eisbildungseffizienz in der Troposphäre wurde im Temperaturbereich zwischen 0 und -40°C für den Standort Leipzig untersucht und sowohl mit vorangegangenen Lidarmessungen, als auch mit aktuellen Satellitenmessungen verglichen. Zum ersten Mal wurde außerdem die statistische Verteilung von Vertikalwinden an der Basis von Mischphasenwolken dargestellt. Es wurde festgestellt, dass sich bei einer Temperatur von (-9 +/- 3)°C bereits in 50% der Schichtwolken über Leipzig Eis bildet. Zwischen -15 und 0°C wurden Verhältnisse zwischen Eis- und Flüssigwasserpfad zwischen 0,1 und 0,0001 abgeschätzt. Im Rahmen der Messgenauigkeit wurden zwischen den Standorten Leipzig und Praia keine Unterschiede in der Vertikalwindstatistik festgestellt.

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Forest-cover in the tropics is changing rapidly due to indiscriminate removal of timber from many localities. The main focus of the study is to develop an operational tool for monitoring biomass and carbon pool of tropical forest ecosystems. The method was applied to a test site of Bangladesh. The research used Landsat ETM+, Landsat TM and IRS pan images of 2001, 1992 and 1999 respectively. Geometrically corrected Landsat ETM+ imagery was obtained from USGS and adjusted to the field using GPS. Historical images were corrected using image-to-image registration. Atmospheric correction was done by modified dark object subtraction method. Stratified sampling design based on the remote sensing image was applied for assessing the above-ground biomass and carbon content of the study area. Field sampling was done during 2002-2003. Dbh and height of all the trees inside the sample plots were measured. Field measurement was finally converted to carbon content using allometric relations. Three different methods: stratification, regression and k-nearest neighbors were tested for combining remote sensing image information and field-based terrestrial carbon pool. Additional field sampling was conducted during 2003-2004 for testing the accuracy. Finally regression method was selected. The amount of carbon released and sequestrated from the ecosystem was estimated. The application of the developed method would be quite useful for understating the terrestrial carbon dynamics and global climate change.

Im Rahmen von UPNS4D+ wird von mir der Teilbereich der automatisierten untertägigen Detektion von Gangerzlagerstätten und seltenen Erden bearbeitet. Dies erfolgt mittels eines Multisensoransatzes, der aus einer Hyperspektralkamera, einer RGB-Kamera und einem Laserscanner besteht. Die Grundlagen für die Kombination von hyperspektraler Bildverarbeitung und einer RGB-Kamera sind in der Industrie im Bereich von automatisierten Sortieranlagen zu finden. Im Bereich der Fernerkundung ist der Einsatz hyperspektraler Bilder für die Detektion geologischer Merkmale seit einigen Jahrzehnten üblich. Hier kann im Rahmen meiner Forschung gezeigt werden, dass mittels hyperspektraler Bilder Pyrit unter Tage detektiert werden kann. / In my research I work on a system which detects automatically the ore and rare earth element in a mine. This is part of UPNS4D+. For the detection I use a multi sensor system which consists of a hyperspectral camera, a RGB camera and a Laser scanner. Basics of this combination can be found in the industry. The combination of a RGB camera and a hyperspectral camera enables an automatic sorting of for example waste materials. Landsat satellites in the 1970 uses spectral information in order to detect the geology of the surface. I have tested the hyperspectral imaging in the Reiche Zeche and I can now show that Pyrite can be detected.

In den Hochgebirgen Asiens bedecken Gletscher eine Fläche von ungefähr 115,000 km² und ergeben damit, neben Grönland und der Antarktis, eine der größten Eisakkumulationen der Erde. Die Sensibilität der Gletscher gegenüber Klimaschwankungen macht sie zu wertvollen paläoklimatischen Archiven in Hochgebirgen, aber gleichzeitig auch anfällig gegenüber rezenter und zukünftiger globaler Erwärmung. Dies kann vor allem in dicht besiedelten Gebieten Süd-, Ost- und Zentralasiens zu großen Problem führen, in denen Gletscher- und Schnee-Schmelzwässer eine wichtige Ressource für Landwirtschaft und Stromerzeugung darstellen. Eine erfolgreiche Prognose des Gletscherverhaltens in Reaktion auf den Klimawandel und die Minderung der sozioökonomischen Auswirkungen erfordert fundierte Kenntnisse der klimatischen Steuerungsfaktoren und der Dynamik asiatischer Gletscher. Aufgrund ihrer Abgeschiedenheit und dem erschwerten Zugang gibt es nur wenige glaziologische Geländestudien, die zudem räumlich und zeitlich sehr begrenzt sind. Daher fehlen bisher grundlegende Informationen über die Mehrzahl asiatischer Gletscher. In dieser Arbeit benutze ich verschiedene Methoden, um die Dynamik asiatischer Gletscher auf mehreren Zeitskalen zu untersuchen. Erstens teste ich eine Methode zur präzisen satelliten-gestützten Messung von Gletscheroberflächen-Geschwindigkeiten. Darauf aufbauend habe ich eine umfassende regionale Erhebung der Fliessgeschwindigkeiten und Frontdynamik asiatischer Gletscher für die Jahre 2000 bis 2008 durchgeführt. Der gewonnene Datensatz erlaubt einmalige Einblicke in die topographischen und klimatischen Steuerungsfaktoren der Gletscherfließgeschwindigkeiten in den Gebirgsregionen Hochasiens. Insbesondere dokumentieren die Daten rezent ungleiches Verhalten der Gletscher im Karakorum und im Himalaja, welches ich auf die konkurrierenden klimatischen Einflüsse der Westwinddrift im Winter und des Indischen Monsuns im Sommer zurückführe. Zweitens untersuche ich, ob klimatisch bedingte Ost-West Unterschiede im Gletscherverhalten auch auf längeren Zeitskalen eine Rolle spielen und gegebenenfalls für dokumentierte regional asynchrone Gletschervorstöße relevant sind. Dazu habe ich mittels kosmogener Nuklide Oberflächenalter von erratischen Blöcken auf Moränen ermittelt und eine glaziale Chronologie für das obere Tons Tal, in den Quellgebieten des Ganges, erstellt. Dieses Gebiet befindet sich in der Übergangszone von monsunaler zu Westwind beeinflusster Feuchtigkeitszufuhr und ist damit ideal gelegen, um die Auswirkungen dieser beiden atmosphärischen Zirkulationssysteme auf Gletschervorstöße zu untersuchen. Die ermittelte glaziale Chronologie dokumentiert mehrere Gletscherschwankungen während des Endstadiums der letzten Pleistozänen Vereisung und während des Holzäns. Diese weisen darauf hin, dass Gletscherschwankungen im westlichen Himalaja weitestgehend synchron waren und auf graduelle glaziale-interglaziale Temperaturveränderungen, überlagert von monsunalen Niederschlagsschwankungen höherer Frequenz, zurück zu führen sind. In einem dritten Schritt kombiniere ich Satelliten-Klimadaten mit Eisfluss-Abschätzungen und topographischen Analysen, um den Einfluss der Gletscher Hochasiens auf die Reliefentwicklung im Hochgebirge zu untersuchen. Die Ergebnisse dokumentieren ausgeprägte meridionale Unterschiede im Grad und im Stil der Vergletscherung und glazialen Erosion in Abhängigkeit von topographischen und klimatischen Faktoren. Gegensätzlich zu bisherigen Annahmen deuten die Daten darauf hin, dass das monsunale Klima im zentralen Himalaja die glaziale Erosion schwächt und durch den Erhalt einer steilen orographischen Barriere das Tibet Plateau vor lateraler Zerschneidung bewahrt. Die Ergebnisse dieser Arbeit dokumentieren, wie klimatische und topographische Gradienten die Gletscherdynamik in den Hochgebirgen Asiens auf Zeitskalen von 10^0 bis 10^6 Jahren beeinflussen. Die Reaktionszeit der Gletscher auf Klimaveränderungen sind eng an Eigenschaften wie Schuttbedeckung und Neigung gekoppelt, welche ihrerseits von den topographischen Verhältnissen bedingt sind. Derartige Einflussfaktoren müssen bei paläoklimatischen Rekonstruktion und Vorhersagen über die Entwicklung asiatischer Gletscher berücksichtigt werden. Desweiteren gehen die regionalen topographischen Unterschiede der vergletscherten Gebiete Asiens teilweise auf klimatische Gradienten und den langfristigen Einfluss der Gletscher auf die topographische Entwicklung des Gebirgssystems zurück. / In the high mountains of Asia, glaciers cover an area of approximately 115,000 km² and constitute one of the largest continental ice accumulations outside Greenland and Antarctica. Their sensitivity to climate change makes them valuable palaeoclimate archives, but also vulnerable to current and predicted Global Warming. This is a pressing problem as snow and glacial melt waters are important sources for agriculture and power supply of densely populated regions in south, east, and central Asia. Successful prediction of the glacial response to climate change in Asia and mitigation of the socioeconomic impacts requires profound knowledge of the climatic controls and the dynamics of Asian glaciers. However, due to their remoteness and difficult accessibility, ground-based studies are rare, as well as temporally and spatially limited. We therefore lack basic information on the vast majority of these glaciers. In this thesis, I employ different methods to assess the dynamics of Asian glaciers on multiple time scales. First, I tested a method for precise satellite-based measurement of glacier-surface velocities and conducted a comprehensive and regional survey of glacial flow and terminus dynamics of Asian glaciers between 2000 and 2008. This novel and unprecedented dataset provides unique insights into the contrasting topographic and climatic controls of glacial flow velocities across the Asian highlands. The data document disparate recent glacial behavior between the Karakoram and the Himalaya, which I attribute to the competing influence of the mid-latitude westerlies during winter and the Indian monsoon during summer. Second, I tested whether such climate-related longitudinal differences in glacial behavior also prevail on longer time scales, and potentially account for observed regionally asynchronous glacial advances. I used cosmogenic nuclide surface exposure dating of erratic boulders on moraines to obtain a glacial chronology for the upper Tons Valley, situated in the headwaters of the Ganges River. This area is located in the transition zone from monsoonal to westerly moisture supply and therefore ideal to examine the influence of these two atmospheric circulation regimes on glacial advances. The new glacial chronology documents multiple glacial oscillations during the last glacial termination and during the Holocene, suggesting largely synchronous glacial changes in the western Himalayan region that are related to gradual glacial-interglacial temperature oscillations with superimposed monsoonal precipitation changes of higher frequency. In a third step, I combine results from short-term satellite-based climate records and surface velocity-derived ice-flux estimates, with topographic analyses to deduce the erosional impact of glaciations on long-term landscape evolution in the Himalayan-Tibetan realm. The results provide evidence for the long-term effects of pronounced east-west differences in glaciation and glacial erosion, depending on climatic and topographic factors. Contrary to common belief the data suggest that monsoonal climate in the central Himalaya weakens glacial erosion at high elevations, helping to maintain a steep southern orographic barrier that protects the Tibetan Plateau from lateral destruction. The results of this thesis highlight how climatic and topographic gradients across the high mountains of Asia affect glacier dynamics on time scales ranging from 10^0 to 10^6 years. Glacial response times to climate changes are tightly linked to properties such as debris cover and surface slope, which are controlled by the topographic setting, and which need to be taken into account when reconstructing mountainous palaeoclimate from glacial histories or assessing the future evolution of Asian glaciers. Conversely, the regional topographic differences of glacial landscapes in Asia are partly controlled by climatic gradients and the long-term influence of glaciers on the topographic evolution of the orogenic system.

The Arctic is a particularly sensitive area with respect to climate change due to the high surface albedo of snow and ice and the extreme radiative conditions. Clouds and aerosols as parts of the Arctic atmosphere play an important role in the radiation budget, which is, as yet, poorly quantified and understood. The LIDAR (Light Detection And Ranging) measurements presented in this PhD thesis contribute with continuous altitude resolved aerosol profiles to the understanding of occurrence and characteristics of aerosol layers above Ny-Ålesund, Spitsbergen. The attention was turned to the analysis of periods with high aerosol load. As the Arctic spring troposphere exhibits maximum aerosol optical depths (AODs) each year, March and April of both the years 2007 and 2009 were analyzed. Furthermore, stratospheric aerosol layers of volcanic origin were analyzed for several months, subsequently to the eruptions of the Kasatochi and Sarychev volcanoes in summer 2008 and 2009, respectively. The Koldewey Aerosol Raman LIDAR (KARL) is an instrument for the active remote sensing of atmospheric parameters using pulsed laser radiation. It is operated at the AWIPEV research base and was fundamentally upgraded within the framework of this PhD project. It is now equipped with a new telescope mirror and new detection optics, which facilitate atmospheric profiling from 450m above sea level up to the mid-stratosphere. KARL provides highly resolved profiles of the scattering characteristics of aerosol and cloud particles (backscattering, extinction and depolarization) as well as water vapor profiles within the lower troposphere. Combination of KARL data with data from other instruments on site, namely radiosondes, sun photometer, Micro Pulse LIDAR, and tethersonde system, resulted in a comprehensive data set of scattering phenomena in the Arctic atmosphere. The two spring periods March and April 2007 and 2009 were at first analyzed based on meteorological parameters, like local temperature and relative humidity profiles as well as large scale pressure patterns and air mass origin regions. Here, it was not possible to find a clear correlation between enhanced AOD and air mass origin. However, in a comparison of two cloud free periods in March 2007 and April 2009, large AOD values in 2009 coincided with air mass transport through the central Arctic. This suggests the occurrence of aerosol transformation processes during the aerosol transport to Ny-Ålesund. Measurements on 4 April 2009 revealed maximum AOD values of up to 0.12 and aerosol size distributions changing with altitude. This and other performed case studies suggest the differentiation between three aerosol event types and their origin: Vertically limited aerosol layers in dry air, highly variable hygroscopic boundary layer aerosols and enhanced aerosol load across wide portions of the troposphere. For the spring period 2007, the available KARL data were statistically analyzed using a characterization scheme, which is based on optical characteristics of the scattering particles. The scheme was validated using several case studies. Volcanic eruptions in the northern hemisphere in August 2008 and June 2009 arose the opportunity to analyze volcanic aerosol layers within the stratosphere. The rate of stratospheric AOD change was similar within both years with maximum values above 0.1 about three to five weeks after the respective eruption. In both years, the stratospheric AOD persisted at higher rates than usual until the measurements were stopped in late September due to technical reasons. In 2008, up to three aerosol layers were detected, the layer structure in 2009 was characterized by up to six distinct and thin layers which smeared out to one broad layer after about two months. The lowermost aerosol layer was continuously detected at the tropopause altitude. Three case studies were performed, all revealed rather large indices of refraction of m = (1.53–1.55) - 0.02i, suggesting the presence of an absorbing carbonaceous component. The particle radius, derived with inversion calculations, was also similar in both years with values ranging from 0.16 to 0.19 μm. However, in 2009, a second mode in the size distribution was detected at about 0.5 μm. The long term measurements with the Koldewey Aerosol Raman LIDAR in Ny-Ålesund provide the opportunity to study Arctic aerosols in the troposphere and the stratosphere not only in case studies but on longer time scales. In this PhD thesis, both, tropospheric aerosols in the Arctic spring and stratospheric aerosols following volcanic eruptions have been described qualitatively and quantitatively. Case studies and comparative studies with data of other instruments on site allowed for the analysis of microphysical aerosol characteristics and their temporal evolution. / Die Arktis ist ein bezüglich Klimaveränderungen besonders sensitives Gebiet, d.h. die globale Erwärmung wirkt sich aufgrund der saisonal hochvariablen Strahlungsbedingungen und der Bodenalbedo dort verstärkt aus.Wolken und Aerosole als Bestandteile der arktischen Atmosphäre spielen dabei eine besondere Rolle im Strahlungsgleichgewicht. Die vorliegende Promotionsarbeit leistet mit Hilfe von LIDAR-Messungen (Light Detection and Ranging) einen Beitrag zum Verständnis von Vorkommen und Eigenschaften von Aerosolschichten über Ny-Ålesund, Spitzbergen. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Analyse von Zeiträumen mit erhöhter Aerosolbelastung. Es wurde zum einen die arktische Troposphäre zweier Frühjahre (März und April der Jahre 2007 und 2009) untersucht, da im Frühjahr die Aerosol-optische Dicke (AOD) in der Arktis Maximalwerte erreicht. Zum anderen wurden stratosphärische Aerosolschichten vulkanischen Ursprungs analysiert, die in den Sommern 2008 und 2009 nach Ausbrüchen der Kasatochi und Sarychev Vulkane jeweils für mehrere Monate in der unteren Stratosphäre messbar waren. Das an der AWIPEV Forschungsstation betriebene Koldewey Aerosol Raman LIDAR (KARL), ein Instrument zur optischen Fernerkundung atmosphärischer Parameter mittels gepulster Laserstrahlung, wurde im Rahmen der Promotion grundlegend überarbeitet und mit einem neuen Teleskop sowie neuen Detektoroptiken versehen. Dies ermöglicht die Profilerfassung ab 450m über dem Meeresspiegel bis in die mittlere Stratosphäre. KARL liefert hochaufgelöste Messungen der Streueigenschaften von Aerosol- undWolkenteilchen (Rückstreuung, Extinktion und Depolarisation) sowieWasserdampfprofile in der unteren Troposphäre. Durch die Kombination von KARL Messungen mit Daten anderer Messgeräte an der AWIPEV Forschungsstation wie Radiosonden, Sonnenphotometer, Micro Pulse LIDAR und Fesselsonden wurde ein umfassender Datenbestand von Streuphänomenen in der arktischen Atmosphäre geschaffen. Die beiden genannten Frühjahreszeiträume März und April 2007 und 2009 wurden zunächst anhand meteorologischer Parameter, wie lokaler Temperatur- und Feuchteprofile sowie großskaliger Druckmuster und Luftmassenquellgebiete analysiert. Dabei konnte kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Quellgebieten und erhöhter AOD festgestellt werden. In einem Vergleich zweier wolkenfreier Perioden im März 2007 und April 2009 war jedoch die höhere Aerosolbelastung in 2009 mit dem Transport von Luftmassen durch die innere Arktis verbunden. Aufgrund der begrenzten Lebensdauer von Aerosolen lässt das entweder Aerosol-Entstehungsprozesse in der Zentralarktis oder Transformationsprozesse während des Transportes nach Ny-Ålesund vermuten. Für Messungen am 4. April 2009 mit Maximalwerten der AOD von bis zu 0.12 konnte die Größe der Aerosolteilchen in verschiedenen Höhen mit Hilfe von Inversionsrechnungen abgeschätzt werden. Diese und andere betrachtete Fallstudien legen eine Unterscheidung von Aerosolereignissen in drei Kategorien nahe, die sich in ihrer Entstehung deutlich unterscheiden: Vertikal begrenzte Aeosolschichten in trockener Luft, zeitlich hochvariable feuchte Aerosolschichten in der planetaren Grenzschicht sowie eine erhöhte Aerosolbelastung über große Teile der Troposphäre. Für das sehr klare Frühjahr 2007 wurden die vorhandenen KARL-Daten mit Hilfe eines Klassifikationsschemas, das auf den optischen Eigenschaften der streuenden Teilchen beruht, statistisch ausgewertet. Das verwendete Schema wurde mit Hilfe von verschiedenen Fallstudien validiert und ermöglicht bei Anwendung auf größere Datenbestände eine aussagekräftige Analyse von jährlichen Schwankungen der Aerosol- und Wolkenvorkommen über Ny-Ålesund. Die Ausbrüche zweier Vulkane in der nördlichen Hemisphäre im August 2008 und im Juni 2009 erlaubten die Analyse vulkanischer Aerosolschichten in der Stratosphäre. Die zeitliche Entwicklung der stratosphärischen AOD verlief in beiden Jahren ähnlich mit Maximalwerten von über 0.1 etwa drei bis fünfWochen nach dem jeweiligen Ausbruch. In beiden Jahren wurden bis zum technisch bedingten Abbruch der Messungen jeweils Ende September erhöhte stratosphärische AOD Werte gemessen. Die niedrigste Aerosolschicht konnte jeweils direkt an der Tropopause detektiert werden. Im Jahr 2008 wurden bis zu drei Schichten detektiert, die Struktur 2009 war durch bis zu sechs schmale Schichten gekennzeichnet, die nach etwa zwei Monaten zu einer breiten Schicht verschmierten. Drei Fallstudien zu mikrophysikalischen Aerosoleigenschaften wurden durchgeführt. Dabei wurden für beide Jahre sehr große Brechungsindices von m=(1.53–1.55) - 0.02i ermittelt, die auf eine absorbierende Kohlenstoffkomponente der Vulkanaerosole hinweisen. Der errechnete Teilchenradius war ebenfalls in beiden Jahren vergleichbar mit Werten zwischen 0.16 und 0.19 μm. 2009 wurde zusätzlich ein zweites Maximum der Größenverteilung bei ca. 0.5μm gefunden. Die Langzeitmessungen mit dem Koldewey Aerosol Raman LIDAR KARL in Ny-Ålesund schaffen die Möglichkeit, arktische Aerosole in Troposphäre und Stratosphäre nicht nur in Fallstudien, sondern auch über längere Zeiträume hinweg zu analysieren. Im Rahmen dieser Promotionsarbeit konnten sowohl Aerosolvorkommen in der arktischen Troposphäre im Frühjahr als auch eine vulkanisch bedingte erhöhte Aerosolbelastung in der Stratosphäre qualitativ und quantitativ beschrieben werden. Fallstudien und die Kombination mit Daten anderer Messgeräte ermöglichten Analysen mikrophysikalischer Aerosolparameter und deren Entwicklungsprozesse.

Soil conditions under vegetation cover and their spatial and temporal variations from point to catchment scale are crucial for understanding hydrological processes within the vadose zone, for managing irrigation and consequently maximizing yield by precision farming. Soil moisture and soil roughness are the key parameters that characterize the soil status. In order to monitor their spatial and temporal variability on large scales, remote sensing techniques are required. Therefore the determination of soil parameters under vegetation cover was approached in this thesis by means of (multi-angular) polarimetric SAR acquisitions at a longer wavelength (L-band, lambda=23cm). In this thesis, the penetration capabilities of L-band are combined with newly developed (multi-angular) polarimetric decomposition techniques to separate the different scattering contributions, which are occurring in vegetation and on ground. Subsequently the ground components are inverted to estimate the soil characteristics. The novel (multi-angular) polarimetric decomposition techniques for soil parameter retrieval are physically-based, computationally inexpensive and can be solved analytically without any a priori knowledge. Therefore they can be applied without test site calibration directly to agricultural areas. The developed algorithms are validated with fully polarimetric SAR data acquired by the airborne E-SAR sensor of the German Aerospace Center (DLR) for three different study areas in Germany. The achieved results reveal inversion rates up to 99% for the soil moisture and soil roughness retrieval in agricultural areas. However, in forested areas the inversion rate drops significantly for most of the algorithms, because the inversion in forests is invalid for the applied scattering models at L-band. The validation against simultaneously acquired field measurements indicates an estimation accuracy (root mean square error) of 5-10vol.% for the soil moisture (range of in situ values: 1-46vol.%) and of 0.37-0.45cm for the soil roughness (range of in situ values: 0.5-4.0cm) within the catchment. Hence, a continuous monitoring of soil parameters with the obtained precision, excluding frozen and snow covered conditions, is possible. Especially future, fully polarimetric, space-borne, long wavelength SAR missions can profit distinctively from the developed polarimetric decomposition techniques for separation of ground and volume contributions as well as for soil parameter retrieval on large spatial scales. / Zur Verbesserung der hydrologischen Abflussmodellierung, der Flutvorhersage, der gezielten Bewässerung von landwirtschaftlichen Nutzflächen und zum Schutz vor Ernteausfällen ist die Bestimmung der Bodenfeuchte und der Bodenrauhigkeit von grosser Bedeutung. Aufgrund der hohen zeitlichen sowie räumlichen Dynamik dieser Bodenparameter ist eine flächenhafte Erfassung mit hoher Auflösung und in kurzen zeitlichen Abständen notwendig. In situ Messtechniken stellen eine sehr zeit- und personalaufwändige Alternative dar, deshalb werden innovative Fernerkundungsverfahren mit aktivem Radar erprobt. Diese Aufnahmetechniken sind von Wetter- und Beleuchtungsverhältnissen unabhängig und besitzen zudem die Möglichkeit, abhängig von der Wellenlänge, in Medien einzudringen. Mit dem in dieser Arbeit verwendeten polarimetrischen Radar mit synthetischer Apertur (PolSAR) werden die Veränderungen der Polarisationen ausgewertet, da diese aufgrund der physikalischen Eigenschaften der reflektierenden Medien objektspezifisch verändert und gestreut werden. Es kann dadurch ein Bezug zwischen der empfangenen Radarwelle und den dielektrischen Eigenschaften (Feuchtegehalt) sowie der Oberflächengeometrie (Rauhigkeit) des Bodens hergestellt werden. Da vor allem in den gemässigten Klimazonen die landwirtschaftlichen Nutzflächen die meiste Zeit des Jahres mit Vegetation bestanden sind, wurden in dieser Dissertation Verfahren entwickelt, um die Bodenfeuchte und die Bodenrauhigkeit unter der Vegetation erfassen zu können. Um die einzelnen Rückstreubeiträge der Vegetation und des Bodens voneinander zu trennen, wurde die Eindringfähigkeit von längeren Wellenlängen (L-band, lambda=23cm) mit neu entwickelten (multi-angularen) polarimetrischen Dekompositionstechniken kombiniert, um die Komponente des Bodens zu extrahieren und auszuwerten. Für die Auswertung wurden polarimetrische Streumodelle benutzt, um die Bodenkomponente zu modellieren und dann mit der extrahierten Bodenkomponente der aufgenommenen Daten zu vergleichen. Die beste Übereinstimmung von Modell und Daten wurde als die gegebene Bodencharakteristik gewertet und dementsprechend invertiert. Die neu entwickelten, polarimetrischen Dekompositionstechniken für langwelliges polarimetrisches SAR basieren auf physikalischen Prinzipien, benötigen wenig Rechenzeit, erfordern keine Kalibrierung und sind ohne Verwendung von a priori Wissen analytisch lösbar. Um die entwickelten Algorithmen zu testen, wurden in drei verschiedenen Untersuchungsgebieten in Deutschland mit dem flugzeuggetragenen E-SAR Sensor des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) polarimetrische SAR Daten aufgenommen. Die Auswertungen der PolSAR Daten haben bestätigt, dass die besten Invertierungsergebnisse mit langen Wellenlängen erzielt werden können (L-Band). Des Weiteren konnten bei der Bestimmung der Bodenfeuchte und der Bodenrauhigkeit hohe Inversionsraten erreicht werden (bis zu 99% der Untersuchungsfläche). Es hat sich gezeigt, dass die polarimetrischen Streumodelle bei der gegebenen Wellenlänge nicht für bewaldete Gebiete geeignet sind, was die Anwendbarkeit des Verfahrens auf landwirtschaftliche Nutzflächen einschränkt. Die Validierung mit Bodenmessungen in den Untersuchungsgebieten, die zeitgleich zu den PolSAR Aufnahmen durchgeführt wurden, hat ergeben, dass eine kontinuierliche Beobachtung des Bodenzustandes (ausgenommen in Zeiten mit gefrorenem oder Schnee bedecktem Boden) mit einer Genauigkeit (Wurzel des mittleren quadratischen Fehlers) von 5-10vol.% für die Bodenfeuchte (in situ Messbereich: 1-46vol.%) und von 0.37-0.45cm für die Bodenrauhigkeit (in situ Messbereich: 0.5-4.0cm) möglich ist. Besonders künftige Fernerkundungsmissionen mit langwelligem, voll polarimetrischem SAR können von den entwickelten Dekompositionstechniken profitieren, um die Vegetationskomponente von der Bodenkomponente zu trennen und die Charakteristik des Oberbodens flächenhaft zu bestimmen.