With accelerating global climate change, the Antarctic Ice Sheet is exposed to increasing ice dynamic change. During 1992 and 2017, Antarctica contributed ~7.6 mm to global sea-level-rise mainly due to ocean thermal forcing along West Antarctica and atmospheric warming along the Antarctic Peninsula (API). Together, these processes caused the progressive retreat of glaciers and ice shelves and weakened their efficient buttressing force causing widespread ice flow accelerations. Holding ~91% of the global ice mass and 57.3 m of sea-level-equivalent, the Antarctic Ice Sheet is by far the largest potential contributor to future sea-level-rise. Despite the improved understanding of Antarctic ice dynamics, the future of Antarctica remains difficult to predict with its contribution to global sea-level-rise representing the largest uncertainty in current projections. Given that recent studies point towards atmospheric warming and melt intensification to become a dominant driver for future Antarctic ice mass loss, the monitoring of supraglacial lakes and their impacts on ice dynamics is of utmost importance. In this regard, recent progress in Earth Observation provides an abundance of high-resolution optical and Synthetic Aperture Radar (SAR) satellite data at unprecedented spatial and temporal coverage and greatly supports the monitoring of the Antarctic continent where ground-based mapping efforts are difficult to perform. As an automated mapping technique for supraglacial lake extent delineation in optical and SAR satellite imagery as well as a pan-Antarctic inventory of Antarctic supraglacial lakes at high spatial and temporal resolution is entirely missing, this thesis aims to advance the understanding of Antarctic surface hydrology through exploitation of spaceborne remote sensing. In particular, a detailed literature review on spaceborne remote sensing of Antarctic supraglacial lakes identified several research gaps including the lack of (1) an automated mapping technique for optical or SAR satellite data that is transferable in space and time, (2) high-resolution supraglacial lake extent mappings at intra-annual and inter-annual temporal resolution and (3) large-scale mapping efforts across the entire Antarctic continent. In addition, past method developments were found to be restricted to purely visual, manual or semi-automated mapping techniques hindering their application to multi-temporal satellite imagery at large-scale. In this context, the development of automated mapping techniques was mainly limited by sensor-specific characteristics including the similar appearance of supraglacial lakes and other ice sheet surface features in optical or SAR data, the varying temporal signature of supraglacial lakes throughout the year as well as effects such as speckle noise and wind roughening in SAR data or cloud coverage in optical data. To overcome these limitations, this thesis exploits methods from artificial intelligence and big data processing for development of an automated processing chain for supraglacial lake extent delineation in Sentinel-1 SAR and optical Sentinel-2 satellite imagery. The combination of both sensor types enabled to capture both surface and subsurface lakes as well as to acquire data during cloud cover or wind roughening of lakes. For Sentinel-1, a deep convolutional neural network based on residual U-Net was trained on the basis of 21,200 labeled Sentinel-1 SAR image patches covering 13 Antarctic regions. Similarly, optical Sentinel-2 data were collected over 14 Antarctic regions and used for training of a Random Forest classifier. Optical and SAR classification products were combined through decision-level fusion at bi-weekly temporal scale and unprecedented 10 m spatial resolution. Finally, the method was implemented as part of DLR’s High-Performance Computing infrastructure allowing for an automated processing of large amounts of data including all required pre- and postprocessing steps. The results of an accuracy assessment over independent test scenes highlighted the functionality of the classifiers returning accuracies of 93% and 95% for supraglacial lakes in Sentinel-1 and Sentinel-2 satellite imagery, respectively. Exploiting the full archive of Sentinel-1 and Sentinel-2, the developed framework for the first time enabled the monitoring of seasonal characteristics of Antarctic supraglacial lakes over six major ice shelves in 2015-2021. In particular, the results for API ice shelves revealed low lake coverage during 2015-2018 and particularly high lake coverage during the 2019-2020 and 2020-2021 melting seasons. On the contrary, East Antarctic ice shelves were characterized by high lake coverage during 2016-2019 and extremely low lake coverage during the 2020-2021 melting season. Over all six investigated ice shelves, the development of drainage systems was revealed highlighting an increased risk for ice shelf instability. Through statistical correlation analysis with climate data at varying time lags as well as annual data on Southern Hemisphere atmospheric modes, environmental drivers for meltwater ponding were revealed. In addition, the influence of the local glaciological setting was investigated through computation of annual recurrence times of lakes. Over both ice sheet regions, the complex interplay between local, regional and large-scale environmental drivers was found to control supraglacial lake formation despite local to regional discrepancies, as revealed through pixel-based correlation analysis. Local control factors included the ice surface topography, the ice shelf geometry, the presence of low-albedo features as well as a reduced firn air content and were found to exert strong control on lake distribution. On the other hand, regional controls on lake evolution were revealed to be the amount of incoming solar radiation, air temperature and wind occurrence. While foehn winds were found to dictate lake evolution over the API, katabatic winds influenced lake ponding in East Antarctica. Furthermore, the regional near-surface climate was shown to be driven by large-scale atmospheric modes and teleconnections with the tropics. Overall, the results highlight that similar driving factors control supraglacial lake formation on the API and EAIS pointing towards their transferability to other Antarctic regions. / Der antarktische Eisschild erfährt angesichts der globalen Erderwärmung zunehmende eisdynamische Veränderungen. Zwischen 1992 und 2017 trug die Antarktis mit ~7.6 mm zum globalen Meeresspiegelanstieg bei, was vor allem auf die Erwärmung des Ozeans entlang der Westantarktis und die Erwärmung der Atmosphäre entlang der Antarktischen Halbinsel zurückzuführen ist. Zusammen verursachten diese Prozesse den fortschreitenden Rückgang von Gletschern und Schelfeis und schwächten ihren Rückhalteeffekt. Mit einem Anteil von ~91% an der globalen Eismasse und einem Meeresspiegeläquivalent von 57.3 m ist der antarktische Eisschild der größte potentielle Verursacher eines zukünftigen Meeresspiegelanstiegs. Trotz des verbesserten Verständnisses der antarktischen Eisdynamik kann die Zukunft der Antarktis nur schwer vorhergesagt werden. In Anbetracht der Tatsache, dass die Erwärmung der Atmosphäre und die damit einhergehende Oberflächenschmelze eine der Hauptursachen für künftige Massenverluste der Antarktis sein werden, ist die Kartierung von supraglazialen Seen von größter Bedeutung und Wichtigkeit. In dieser Hinsicht liefert die Erdbeobachtung eine Vielzahl von räumlich und zeitlich hochaufgelösten Satellitendaten für das Monitoring der Antarktis. Da eine automatisierte Methode zur Kartierung von supraglazialen Seen in Satellitendaten sowie ein großräumiges Inventar gänzlich fehlen, ist das Ziel dieser Arbeit zu einem besseren Verständnis der antarktischen Oberflächenhydrologie beizutragen. Zu diesem Zweck wurde ein neuartiges Prozessierungsverfahren für die automatisierte Kartierung von supraglazialen Seen in Sentinel-1 und Sentinel-2 Satellitenbilddaten entwickelt. Basierend auf einer umfassenden Literaturrecherche in Bezug auf die satellitengestützte Fernerkundung von antarktischen supraglazialen Seen wurden mehrere Forschungslücken identifiziert, darunter das Fehlen von (1) einem automatisierten Klassifikationsalgorithmus für optische und Radar Satellitendaten, der in Raum und Zeit übertragbar ist, (2) hochaufgelösten Kartierungen von supraglazialen Seen mit jährlicher sowie saisonaler zeitlicher Auflösung und (3) großräumigen Kartierungen über der gesamten Antarktis. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass sich vergangene Methodenentwicklungen auf eine rein visuelle, manuelle oder halbautomatisierte Kartierungstechnik stützten, was ihre Anwendung auf multitemporale Satellitenbilder über dem gesamten Kontinent verhinderte. Die Entwicklung einer automatisierten Kartierungsmethode wurde hierbei vor allem durch sensorspezifische Merkmale eingeschränkt, darunter das ähnliche Erscheinungsbild von supraglazialen Seen und anderen Landbedeckungsklassen in optischen oder Radar Daten, die variierende zeitliche Signatur von supraglazialen Seen sowie Effekte wie SpeckleRauschen oder die Windaufrauhung von Seen in Radar Daten. Um diese Limitierungen zu überwinden, basiert der entwickelte Algorithmus zur automatisierten Kartierung von supraglazialen Seen in optischen and Radar Satellitendaten auf Methoden der künstlichen Intelligenz und der Big-Data-Analytik. Die Kombination von beiden Sensortypen ermöglicht es, sowohl supraglaziale als auch mit Schnee bedeckte Seen zu erfassen. Für Sentinel-1 wurde ein neuronales Netzwerk basierend auf „residual U-Net“ mittels 21,200 Radaraufnahmen über 13 antarktischen Regionen trainiert. In ähnlicher Weise wurden optische Sentinel-2 Daten über 14 antarktischen Regionen gesammelt und zum Trainieren eines „Random Forest“ Klassifikators verwendet. Die beiden Methoden wurden durch die Fusion von optischen und Radar Klassifikationsergebnissen kombiniert und als Teil der DLR-internen Prozessierungs-Infrastruktur auf Hochleistungsrechnern implementiert, die eine vollautomatische Verarbeitung großer Datenmengen einschließlich aller erforderlichen Vor- und Nachverarbeitungsschritte ermöglichen. Eine Fehleranalyse über unabhängigen Testszenen zeigte die Funktionalität der Algorithmen, die Genauigkeiten von 93% bzw. 95% für supraglaziale Seen in Sentinel-1 und Sentinel-2 Daten erreichten. Unter Nutzung des gesamten Archivs an Sentinel-1 und Sentinel-2 Daten im Zeitraum 2015-2021 ermöglichte die entwickelte Prozessierungs-Kette erstmals die Erfassung von saisonalen Merkmalen supraglazialer Seen über sechs großen SchelfeisRegionen. Die Ergebnisse für die Antarktische Halbinsel zeigten ein geringes Auftreten von supraglazialen Seen im Zeitraum 2015-2018 und ein stark erhöhtes Auftreten von supraglazialen Seen während der Schmelzsaison 2019-2020 und 2020-2021. Im Gegensatz dazu war die Ostantarktis durch ein stark erhöhtes Auftreten von supraglazialen Seen in den Jahren 2016-2019 sowie ein stark reduziertes Auftreten von supraglazialen Seen während der Schmelzsaison 2020-2021 gekennzeichnet. Über beiden Regionen entwickelten sich ausgeprägte Seen-Netzwerke, die ein erhöhtes Risiko für die Stabilität von Schelfeis darstellen. Durch statistische Korrelationsanalysen mit saisonalen Klimadaten sowie jährlichen Daten zu atmosphärischen Modi wurden Umwelteinflüsse auf die Entstehung von Seen analysiert. In beiden antarktischen Regionen wurde festgestellt, dass das komplexe Zusammenspiel von lokalen, regionalen und großräumigen Umweltfaktoren die Entstehung von supraglazialen Seen begünstigt. Zu den lokalen Einflussfaktoren gehören die Topographie, die Schelfeisgeometrie, das Vorhandensein von Oberflächen mit geringer Albedo sowie ein reduzierter Luftgehalt im Firn. Andererseits wurde festgestellt, dass die Sonneneinstrahlung, die Lufttemperatur und Wind die Entstehung von Seen regional beeinflussen. Während Föhnwinde über der Antarktischen Halbinsel auftreten, dominieren katabatische Winde in der Ostantarktis. Darüber hinaus wurde verdeutlicht, dass das regionale Klima von atmosphärischen Modi beeinflusst wird. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass ähnliche Umweltfaktoren die Entstehung von supraglazialen Seen über beiden Regionen steuern, was Rückschlüsse auf ihre Übertragbarkeit in andere antarktische Regionen zulässt.

Understanding the Earth's climate system and particularly climate variability presents one of the most difficult and urgent challenges in science. The Antarctic plays a crucial role in the global climate system, since it is the principal region of radiative energy deficit and atmospheric cooling. An assessment of regional climate model HIRHAM is presented. The simulations are generated with the HIRHAM model, which is modified for Antarctic applications. With a horizontal resolution of 55km, the model has been run for the period 1958-1998 creating long-term simulations from initial and boundary conditions provided by the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) ERA40 re-analysis. The model output is compared with observations from observation stations, upper air data, global atmospheric analyses and satellite data. In comparison with the observations, the evaluation shows that the simulations with the HIRHAM model capture both the large and regional scale circulation features with generally small bias in the modeled variables. On the annual time scale the largest errors in the model simulations are the overestimation total cloud cover and the colder near-surface temperature over the interior of the Antarctic plateau. The low-level temperature inversion as well as low-level wind jet is well captured by the model. The decadal scale processes were studied based on trend calculations. The long-term run was divided into two 20 years parts. The 2m temperature, 500 hPa temperature, MSLP, precipitation and net mass balance trends were calculated for both periods and over 1958 - 1998. During the last two decades the strong surface cooling was observed over the Eastern Antarctica, this result is in good agreement with the result of Chapman and Walsh (2005) who calculated the temperature trend based on the observational data. The MSLP trend reveals a big disparity between the first and second parts of the 40 year run. The overall trend shows the strengthening of the circumpolar vortex and continental anticyclone. The net mass balance as well as precipitation show a positive trend over the Antarctic Peninsula region, along Wilkes Land and in Dronning Maud Land. The Antarctic ice sheet grows over the Eastern part of Antarctica with small exceptions in Dronning Maud Land and Wilkes Land and sinks in the Antarctic Peninsula; this result is in good agreement with the satellite-measured altitude presented in Davis (2005) . To better understand the horizontal structure of MSLP, temperature and net mass balance trends the influence of the Southern Annual Mode (SAM) on the Antarctic climate was investigated. The main meteorological parameters during the positive and negative Antarctic Oscillation (AAO) phases were compared to each other. A positive/negative AAO index means strengthening/weakening of the circumpolar vortex, poleward/northward storm tracks and prevailing/weakening westerly winds. For detailed investigation of global teleconnection, two positive and one negative periods of AAO phase were chosen. The differences in MSLP and 2m temperature between positive and negative AAO years during the winter months partly explain the surface cooling during the last decades. / Eine der dringendsten wissenschaftlichen Herausforderungen besteht darin, das Klimasystem der Erde und die Prozesse zu verstehen, die seine Klimavariabilität bestimmen. Die Antarktis spielt eine entscheidende Rolle im globalen Klimasystem, da sie die wesentliche Energiesenke und atmosphärische Abkühlregion darstellt. In dieser Arbeit wird das regionale Klimamodell HIRHAM zur Untersuchung des Klimas der Antarktis eingesetzt, das dafür speziell angepasst wurde. Mit einer horizontalen Auflösung von 50 km und 25 vertikalen Schichten wurden Simulationen für 40 Jahre von 1958-1998 durchgeführt, wobei die Anfangs- und Randbedingungen durch die ERA40 Daten des ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) geliefert wurden. Die Modellergebnisse wurden mit Daten von Beobachtungsstationen, aerologischen Vertikalsondierungen, globalen Analysedaten und Satellitendaten verglichen. Diese Validierung zeigt, dass die HIRHAM Modellsimulationen die globalen und regionalen Zirkulationsmuster mit einem vertretbaren Modellfehler generieren. Auf der jährlichen Zeitskale zeigen sich die größten Modellfehler in einer Überbestimmung der totalen Wolkenbedeckung und der kalten bodennahen Temperaturen der Atmosphäre. Die bodennahen Inversionen und katabatischen Windsysteme werden durch das Modell gut wiedergegeben. Dekadische Prozesse wurden durch Trendberechnungen analysiert. Dazu wurden die 40 Jahre umfassenden Simulationen in zwei 20 Jahre Abschnitte von 1958-1978 und 1979-1998 unterteilt. Die Trends in den 2m Temperaturen, im mittleren Bodenluftdruck, 500 hPa Geopotential, Niederschlag und der Netto Massenbilanz wurden berechnet. In den letzten zwei Dekaden wurde eine starke atmosphärische Abkühlung an der Oberfläche in der Ostantarktis simuliert, die in guter Übereinstimmung mit den Trendanalysen aus Beobachtungen von Chapman und Walsh (2005) steht. Der Trend im mittleren Bodenluftdruck weist deutliche Unterschiede zwischen den ersten Periode 1958-1978 und der zweiten Periode 1979-1998 auf. Insgesamt verstärkt sich über die untersuchten 40 Jahre der zirkumpolare Tiefdruckwirbel und die kontinentale Antizyklone. Die Nettomassenbilanz und der Niederschlag zeigen einen positiven Trend über der Antarktischen Halbinsel, Wilkes Land und Dronning Maud Land. Das antarktische Eisschild wächst im östlichen Teil der Antarktis mit geringen Ausnahmen in Dronning Maud Land und Wilkes Land an und schächt sich über der antarktischen Halbinsel ab. Dieses Resultat befindet sich in Übereinstimmung mit den Akkumulationstrends von Davis (2005) auf der Basis von Satellitendaten. Die horizontalen Strukturen der simulierten antarktischen Trends im mittleren Bodenluftdruck, in der 2m Temperatur und der Netto Massenbilanz wurden mit Trends des globalen Telekonnektionsmusters der Südhemisphäre verglichen. Dazu wurden wesentliche atmosphärische Parameter für positive und negative Phasen der Antarktischen Oszillation (AAO) analysiert. Die positiven/negativen AAO Phasen gehen einher mit einer Verstärkung/Abschwächung des zirkumpolaren Tiefdruckwirbels, verstärkten/reduzierten Stormtracks und verstärkten/abgeschwächten Westwinden. Für eine tiefergehende Untersuchung wurden zwei positive und eine negative AAO Phase miteinander verglichen. Die Unterschiede im Bodenluftdruck und der 2m Temperatur zwischen den positiven und negativen AAO Perioden können den Abkühlungstrend während der letzten Dekaden zu großen Teilen erklären.

Techn. University, Habil.-Schr., 2000--Darmstadt.

Univ., Diss.--Bremen, 1998. / Literaturverz. S. 116 - 140.

Ulm, Univ., Diss., 1999. / http://vts.uni-ulm.de/query/longview.meta.asp?documentid=355.

Thesis (doctoral)--Universität Hannover, 2004. / Includes bibliographical references (p. 129-137). Also available in color version in PDF format.

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.

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.

Die geodätischen Beobachtungsverfahren leisten auf verschiedene Weise Beiträge zur Erforschung des Systems Erde: Einerseits beobachten sie die rezenten Prozesse und ihre zeitlichen Variationen direkt, andererseit liefert sie die Grundlage für die konsistente Betrachtung aller Einflüsse in einem einheitlichen geometrischen und gravimetrischen Bezug. Das Projekt des Global Geodetic Observing System (GGOS) der Internationalen Assoziation für Geodäsie (IAG) soll die Voraussetzungen zur Vereinigung der verschiedenen geodätischen Beobachtungsverfahren, Modelle und Auswertemethoden mit dem Ziel schaffen, mit einem konsistenten Satz geodätischer Parameter ein hochgenaues Monitoring des Systems Erde zu ermöglichen. Die Realisierung geodätischer Bezugssysteme mit höchsten Genauigkeitsansprüchen ist in diesem Kontext eine zentrale Aufgabe des GGOS und Thema der vorliegenden Arbeit. In der derzeit üblichen Darstellung umfasst eine Realisierung des Terrestrischen Referenzsystems (TRS) Stationspositionen zu einer spezifischen Epoche und ihre linearen Änderungen mit der Zeit. In diesem Konzept führen alle nichtlinearen Stationsbewegungen zu residualen Abweichungen, die geowissenschaftlich interpretiert werden können. Der natürliche Ursprung eines globalen TRS, so auch des International Terrestrial Reference System (ITRS), liegt im Massezentrum des Systems Erde (CM). Mit Hilfe dynamischer Satellitenverfahren, wie GPS, lässt sich dieser Ursprung aus geodätischen Beobachtungen realisieren. In einem konsistenten Ausgleichungsansatz werden Satellitenbahnen, Stationspositionen und die in Kugelflächenfunktionen niedrigen Grades modellierte Auflastdeformation gemeinsam geschätzt. Die Grundlage der Realisierung des ITRS bilden in einem gemeinsamen Projekt der TU Dresden, der TU München und des GFZ Potsdam reprozessierte Beobachtungen eines über 200 Stationen umfassenden globalen GPS-Netzes des Beobachtungszeitraums 1994 bis 2007. Nach der Vorstellung der Grundprinzipien des GPS und seiner wesentlichen Fehlereinflüsse erfolgt die Beschreibung der Analyse der Beobachtungsdaten selbst. Sie umfasst die einheitliche Auswertung über den gesamten Zeitraum sowie Verbesserungen in der Modellierung der atmosphärischen Einflüsse und der Charakteristika der Sende- und Empfangsantennen sowie die Nutzung der Normalgleichungen zu Realisierung des ITRS. Der abgeleitete Terrestrische Referenzrahmen (TRF) wird Potsdam-Dresden-Reprocessing 2007 (PDR07) genannt. Zur Beurteilung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieses TRF werden umfangreiche Analysen durchgeführt. So wird der PDR07 u.a. mit weiteren Realisierungen des ITRS, dem ITRF2000, dem ITRF2005 und den Realisierungen des International GNSS Service (IGS) IGb00 und IGS05, verglichen. Für eine Vielzahl geodynamischer Anwendungen werden GPS-Stationen in Messkampagnen beobachtet. Die hochgenaue Realisierung des ITRS in diesen regionalen GPS-Netzen ist für die geodynamische Interpretation der Ergebnisse zwingend erforderlich. Am Beispiel eines regionalen GPS-Netzes in der Antarktis wird untersucht, wie sich das ITRS in derartigen Netzen realisieren lässt und mit welcher Genauigkeit lineare Stationsbewegungen aus Kampagnenmessungen abgeleitet werden können. Im Anschluss werden die erhaltenen Bewegungsraten geodynamisch interpretiert: Aus den horizontalen Bewegungsraten wird die Bewegung der Antarktischen Kontinentalplatte im Konzept der Globaltektonik bestimmt und ihre innere Stabilität bewertet. Die vertikalen Stationsbewegungen werden genutzt, um Aussagen über rezente Krustendeformationen aufgrund glazialisostatischer Ausgleichsbewegungen und rezenter Massenvariationen des antarktischen Eises zu treffen. / The geodetic observation techniques contribute in several ways to the research of the system Earth: On the one hand they observe the recent processes and their variations in time directly, on the other hand they provide the basis for a consistent description of all effects in a consistent geometrical and gravimetrical reference. Within the project Global Geodetic Observing System (GGOS) of the International Association of Geodesy (IAG) the prerequisites for the combination of geodetic observation techniques, models and analysis strategies shall be created in order to enable a high accurate monitoring of the system Earth with consistent geodetic parameters. In this context the realization of geodetic reference systems with highest accuracy is a central task of the GGOS and subject of this thesis. At present, a common realization of the Terrestrial Reference System (TRS) consists of station positions according to a specific epoch and their linear changes with time. In this concept non-linear station motions yield to residual variations, which may be used for geoscientific interpretations. The natural origin of a global TRS, and this is also the case for the International Terrestrial Reference System (ITRS), is the center of mass of the system Earth (CM). This origin can be realized by observations of dynamic satellite techniques, such as GPS. In a consistent approach satellite orbits, stations positions and the lower degrees of harmonic surface mass load coefficients are estimated simultaneously. The ITRS is realized based on reprocessed observations of a global GPS network. In a joint effort TU Dresden, TU München and GFZ Potsdam analyzed the data of more than 200 stations of the observation time span 1994 to 2007. After an introduction to the basic principles of GPS and its major error sources the data analysis is described. This covers a homogeneous analysis over the entire period, improvements in atmosphere modeling and antenna phase center modeling as well as the usage of normal equations for the ITRS realization. The determined Terrestrial Reference Frame (TRF) is named Potsdam-Dresden-Reprocessing 2007 (PDR07). In order to assess the accuracy and stability of this TRF a variety of analyses is performed. For example, PDR07 is compared to other ITRS realizations, such as the ITRF2000, the ITRF2005 as well as the realizations of the International GNSS Service (IGS) IGb00 and IGS05. GPS campaign observations are often used to investigate geodynamic phenomena. The realization of the ITRS with highest accuracy in these regional GPS networks is essential for the geodynamic interpretation of the results. A regional GPS network in Antarctica is used to investigate the optimal way to realize the ITRS in such networks and the accuracy of linear station rates determined from campaign observations. Subsequently, the station rates are used for geodynamic interpretations: The horizontal station rates are used to determine the movement of the Antarctic Plate in the concept of global plate kinematics and to assess the inner stability of the Antarctic Plate. The vertical station rates are used to evaluate recent crustal deformations caused by glacial isostatic adjustment and recent mass changes of the Antarctic ice sheet.

Antarctic glacier forfields are extreme environments and pioneer sites for ecological succession. The Antarctic continent shows microbial community development as a natural laboratory because of its special environment, geographic isolation and little anthropogenic influence. Increasing temperatures due to global warming lead to enhanced deglaciation processes in cold-affected habitats and new terrain is becoming exposed to soil formation and accessible for microbial colonisation. This study aims to understand the structure and development of glacier forefield bacterial communities, especially how soil parameters impact the microorganisms and how those are adapted to the extreme conditions of the habitat. To this effect, a combination of cultivation experiments, molecular, geophysical and geochemical analysis was applied to examine two glacier forfields of the Larsemann Hills, East Antarctica. Culture-independent molecular tools such as terminal restriction length polymorphism (T-RFLP), clone libraries and quantitative real-time PCR (qPCR) were used to determine bacterial diversity and distribution. Cultivation of yet unknown species was carried out to get insights in the physiology and adaptation of the microorganisms. Adaptation strategies of the microorganisms were studied by determining changes of the cell membrane phospholipid fatty acid (PLFA) inventory of an isolated bacterium in response to temperature and pH fluctuations and by measuring enzyme activity at low temperature in environmental soil samples. The two studied glacier forefields are extreme habitats characterised by low temperatures, low water availability and small oligotrophic nutrient pools and represent sites of different bacterial succession in relation to soil parameters. The investigated sites showed microbial succession at an early step of soil formation near the ice tongue in comparison to closely located but rather older and more developed soil from the forefield. At the early step the succession is influenced by a deglaciation-dependent areal shift of soil parameters followed by a variable and prevalently depth-related distribution of the soil parameters that is driven by the extreme Antarctic conditions. The dominant taxa in the glacier forefields are Actinobacteria, Acidobacteria, Proteobacteria, Bacteroidetes, Cyanobacteria and Chloroflexi. The connection of soil characteristics with bacterial community structure showed that soil parameter and soil formation along the glacier forefield influence the distribution of certain phyla. In the early step of succession the relative undifferentiated bacterial diversity reflects the undifferentiated soil development and has a high potential to shift according to past and present environmental conditions. With progressing development environmental constraints such as water or carbon limitation have a greater influence. Adapting the culturing conditions to the cold and oligotrophic environment, the number of culturable heterotrophic bacteria reached up to 108 colony forming units per gram soil and 148 isolates were obtained. Two new psychrotolerant bacteria, Herbaspirillum psychrotolerans PB1T and Chryseobacterium frigidisoli PB4T, were characterised in detail and described as novel species in the family of Oxalobacteraceae and Flavobacteriaceae, respectively. The isolates are able to grow at low temperatures tolerating temperature fluctuations and they are not specialised to a certain substrate, therefore they are well-adapted to the cold and oligotrophic environment. The adaptation strategies of the microorganisms were analysed in environmental samples and cultures focussing on extracellular enzyme activity at low temperature and PLFA analyses. Extracellular phosphatases (pH 11 and pH 6.5), β-glucosidase, invertase and urease activity were detected in the glacier forefield soils at low temperature (14°C) catalysing the conversion of various compounds providing necessary substrates and may further play a role in the soil formation and total carbon turnover of the habitat. The PLFA analysis of the newly isolated species C. frigidisoli showed that the cold-adapted strain develops different strategies to maintain the cell membrane function under changing environmental conditions by altering the PLFA inventory at different temperatures and pH values. A newly discovered fatty acid, which was not found in any other microorganism so far, significantly increased at decreasing temperature and low pH and thus plays an important role in the adaption of C. frigidisoli. This work gives insights into the diversity, distribution and adaptation mechanisms of microbial communities in oligotrophic cold-affected soils and shows that Antarctic glacier forefields are suitable model systems to study bacterial colonisation in connection to soil formation. / Gletschervorfelder der Antarktis stellen extreme Habitate dar und sind Pionierstandorte biologischer Sukzession. Insbesondere unter Berücksichtigung zuletzt beobachteter und vorausgesagter Erwärmungstrends in der Antarktis und der Relevanz der Mikroorganismen für das Antarktische Ökosystem, ist es essentiell mehr Informationen über die Entwicklung frisch exponierter Gletschervorfelder zu erlangen. Ziel dieser Studie ist es, die Struktur und Entwicklung bakterieller Gletschervorfeldgemeinschaften zu verstehen, insbesondere wie die Mikroorganismen von den Bodenparametern beeinflusst werden und wie diese sich an die extremen Bedingungen des Habitats anpassen. Für die Untersuchung der Proben von zwei Gletschervorfeldern aus den Larsemann Bergen der Ostantarktis diente eine Kombination aus Kultivierungsexperimenten und molekularen, geophysikalischen und geochemischen Analysen. Die untersuchten Gletschervorfelder sind durch extrem niedrige Temperaturen, einer geringen biologischen Wasserverfügbarkeit und oligotrophe Nährstoffgehalte charakterisiert und zeigen unterschiedliche Entwicklungsstufen in Verbindung zu den Bodenparametern. In einem frühen Schritt der Bodenbildung in der Nähe der Gletscherzunge sind die Gemeinschaften undifferenziert, doch mit fortschreitender Entwicklung nimmt de Einfluss von Wasser- und Nährstofflimitationen zu. Nachdem die Kultivierungsbedingungen den kalten und nährstoffarmen Bedingungen des Habitats angepasst wurden, konnten 108 koloniebildende Einheiten heterotropher Bakterien pro Gramm Boden angereichert und daraus 148 Isolate gewonnen werden. Zwei neue psychrotolerante Bakterien, Herbaspirillum psychrotolerans PB1T und Chryseobacterium frigidisoli PB4T, wurden detailiert charakterisiert und als jeweils neue Spezies beschrieben. Die Anpassungsstrategien der Mikroorganismen an die extremen antarktischen Bedingungen zeigten sich in der Aktivität extrazellulärer Enzyme bei niedriger Temperatur, die mit derer temperierter Habitate vergleichbar ist, und in der Fähigkeit der Mikroorganismen, die Fettsäurezusammensetzung der Zellmembran zu ändern. Eine neue Fettsäure, die bisher in keinen anderen Mikroorganismus gefunden wurde, spielt eine entscheidende Rolle in der Anpassung des neu-beschriebenen Bakteriums C. frigidisoli an niedrige Temperaturen und saure pH-Werte. Diese Arbeit gibt einen Einblick in die Vielfalt, Verteilung und Anpassung mikrobieller Gemeinschaften in nährstoffarmen und Kälte-beeinflussten Habitaten und zeigt, dass Antarktische Gletschervorfelder geeignete Modellsysteme, um bakterielle Besiedelung in Verbindung zu Bodenbildung zu untersuchen.