Retreating glaciers are leaving behind deglaciated areas, lacking biological life, presenting opportunities for specialist species to colonize. Lichens possess the ability, due to the symbiosis with nitrogen fixating photobionts, to colonize these deglaciated areas even in harsh environments like in the European Alps or maritime Antarctica. I hypothesized that there are no differences in lichen species richness, diversity, and evenness in deglaciated areas within four Alpine glaciers as well as four Alpine glaciers and one Antarctic glacier, yet there are differences between four successional zones in the same areas. Furthermore, there are no lichen species that colonize both the European Alps and Antarctica. Study sites consisted of Morteratsch Glacier, Gaisbergferner Glacier, Rötkees Glacier and Pasterze Glacier in the Alps as well as McLeod Glacier on Signy Island, South Orkney Islands, Antarctica. Four indexes were calculated: alpha diversity, Shannon Index, Menhinicks Index and Pielou Index and compared with Anova and Kruskal-Wallis tests. The results showed no significant differences for the species richness, diversity, and evenness of lichen species for the Alpine and Antarctic study sites yet there were differences found between the successional zones. Four lichen species were found in all the Alpine study sites, yet no common lichen species were present in the Alpine and Antarctic sites. Environmental conditions differ between the Alps and Antarctica which is reflected in the anomaly of the Menhinicks Index and furthermore, sexual, or vegetative reproduction influences lichen species present. The successional zones did not follow the chronological order since deglaciation which might reflect an increase in species competition as vegetation develops under time. Lichen species are understudied, and further research might not only give insights into inner processes in lichens but also about how to survive in extreme environments. / Glaciärer som drar sig tillbaka lämnar efter sig områden som saknar biologiskt liv, vilket skapar möjlighet för specialister att inta dessa områden. Lavar har förmågan att kolonisera sådana isfria områden på grund av sin symbios med kväve-fixerande fotobionter även om miljöerna är hårda som i den europeiska Alperna eller det maritima Antarktis. Mina hypoteser är att det inte finns skillnader i lavarnas artrikedom, diversitet och jämnhet i de områden som nyligen blivit isfria inom fyra alpina glaciärer samt mellan de fyra alpina glaciärerna och en antarktisk glaciär men att det finns skillnader mellan fyra successionala zoner i samma områden. Vidare finns det inga lavarter som koloniserar båda Alperna och Antarktis. Studieområdena bestod av: Morteratsch-glaciär, Gaisbergferner-glaciär, Rötkees-glaciär och Pasterze-glaciär i Alperna samt McLeod-glaciär på Signyön, Syd Orkneyöarna, Antarktis. Fyra index beräknades: alfa diversitet, Shannon Index, Menhinicks Index och Pielou Index och jämfördes med Anova och Kruskal-Wallis testerna. Resultaten visade inga signifikanta skillnader för artens rikedom, mångfald och jämnhet av lavarterna för lavarter i alpina och antarktiska studieområdena, men det fanns skillnader mellan de successionella zonerna. Fyra lavarter hittades på alla alpina studieplatser, men inga gemensamma lavarter fanns på de alpina och antarktiska platserna. Miljöförhållanden skiljer sig mellan Alperna och Antarktis, vilket syns i avvikelsen av Menhinicks Index och dessutom påverkar sexuell eller asexuell reproduktion förekomsten av lavarter. Successionszonerna följde inte den kronologiska ordningen efter reträtten av glaciärerna vilket kan återspegla en ökning av artkonkurrensen när vegetationen utvecklar sig över tiden. Lavarna är underforskade och ytterligare forskning kan ge upplysningar i interna processer men även insikter kring hur överlevnad blir säkerställd i extrema miljöer.

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.

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.

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Die in dieser Arbeit präsentierten Genomanalysen erweitern das Wissen um das genomische Potential der Roseobacter-Gruppe und zeigen mögliche Adaptionen an ökologische Nischen innerhalb mariner Lebensräume auf. In den polaren Meereisorganismen Octadecabacter arcticus 238 und O. antarcticus 307 konnten neue Eigenschaften identifiziert werden, welche bislang nicht in Vertretern der Roseobacter-Gruppe beschrieben wurden und wahrscheinlich Anpassungen an polare bzw. Meereis-assoziierte Lebensräume darstellen. Ein besonderes Highlight dieser Analysen ist die Charakterisierung einer neuen Untergruppe von Xanthorhodopsinen in den Octadecabacter-Vertretern. Diese neue Xantho¬rhodopsin-Unter¬gruppe unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Xantho¬rhodopsinen nicht nur durch phylogenetische Verwandtschaftsbeziehungen, sondern auch in ihrer mangelnden Befähigung zur Keto-Carotenoid-Bindung und ihrer vorwiegenden Verbreitung in Organismen Eis-assoziierter Habitate. Für beide polare Octadecabacter-Vertreter wurde eine ungewöhnlich hohe Genom-plastizität festgestellt. Hierbei scheint es sich um eine Anpassung an das einzigartige Meereis¬habitat dieser Organismen zu handeln, welches als hot spot für horizontalen Gentransfer (HGT) gilt. Zudem bietet diese Genomplastizität eine Erklärung für die zahlreichen genomischen Unterschiede zwischen den Octadecabacter-Stämmen, welche in direktem Widerspruch zu der nahen Verwandtschaft dieser Organismen auf 16S rRNA-Gen¬sequenz¬ebene stehen. Trotz dieser Unterschiede weist die genetische Ausstattung von O. arcticus und O. antarcticus auffällige Übereinstimmungen auf, welche auf einen gemeinsamen exklusiven Genpool von Octadecabacter-Vertretern beider Polargebiete hindeuten. Dies wird durch 16S rRNA-basierte phylogenetische Analysen von Octadecabacter-Vertretern verschiedener Habitate unterstützt. Somit scheint zwischen Bakteriengemeinschaften beider Polarregionen eine direkte Verbindung zu existieren. Von den Polargebieten ausgehende Tiefenströmungen, welche sich über beide Hemisphären erstrecken, könnten diese Verbindung darstellen. Anhand der bislang verfügbaren Genomsequenzen wurden Verwandtschaftsbeziehungen sowie allgemeine Unterschiede zwischen Vertretern der Roseobacter-Gruppe auf vielfältigen Ebenen untersucht. Die Ergebnisse dieser Analysen geben wertvolle Einblicke in unterschiedliche Nischenadaptionen zwischen nah verwandten Roseobacter-Vertretern und in die Bedeutung von horizontalem Gentransfer für diese Gruppe. Zudem bieten sie eine Grundlage für die vereinfachte Einteilung und Analyse zukünftiger Roseobacter-assoziierter Genom– und Metagenomsequenzen.

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.

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.

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.

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.

Primär emittierte marine Aerosolpartikel haben einen wichtigen Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Erde, indem sie unter anderem als Kondensations (CCN)- oder Eiskeime (INP) für die Bildung von Wolken wirken. In den ozeanisch geprägten Polarregionen dominieren diese marinen Aerosolpartikel in der Luft und können dort eine bedeutende bzw. sich noch verändernde Rolle im Rahmen des Klimawandels einnehmen. Sie entspringen vordergründig aus dem ozeanische Oberflächenwasser und dem hauchdünnen Oberflächenfilm, dem sogenannte sea surface microlayer (SML), und werden durch das Platzen von durch Wind eingetragene Luftblasen freigesetzt. Primär emittierte marine Aerosolpartikel bestehen aus anorganischem Meersalz und organischen Kohlenstoffverbindungen, deren relative Anteile sich stark in Abhängigkeit vom Aerosoldurchmessers unterscheiden. In diesem Zusammenhang stellen die marinen Kohlenhydrate eine wichtige organische Stoffgruppe dar, deren ozeanische Quellen, Übergang vom Ozean in die Atmosphäre, Veränderungen in der Atmosphäre als auch deren Beitrag bei der Kondensation und Eiskeimbildung noch nicht ausreichend verstanden sind. Dieser begrenzte Kenntnisstand ist unter anderem auf das mangelnde Vorhandensein analytischer Methoden zurückzuführen, die eine zuverlässige Bestimmung von Kohlenhydraten in den stark salzhaltigen Matrices bei sehr niedrigen Massekonzentrationen mit hohen Wiederfindungsraten gewährleisten. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde durch Kombination der Hochleistungs-Anionenaustauschchromatographie mit gepulster amperometrischer Detektion (HPAEC-PAD) und einer Entsalzung durch Elektrodialyse eine analytische Methode entwickelt, welche die Bestimmung eines breiten Spektrums an gelösten Kohlenhydraten in freier (als Monosaccharide) und gebundener (als Oligo- oder Polysaccharide) Form in Meerwasser und anderen salzhaltigen Matrices ermöglicht. Mithilfe dieser neuen Methode wurde ein biogeochemischer Zusammenhang zwischen dem Vorkommen von freier Glucose und der eiskeimbildenden Aktivität im arktischen SML beobachtet. Außerdem wurde im meereisfreien Teil des Südlichen Ozeans der primäre Transfer von Kohlenhydraten vom Ozean über den SML in die Atmosphäre und deren sekundäre atmosphärische Veränderungen erforscht. Die umfangreichen Untersuchungen mariner Kohlenhydrate in polarem Meerwasser und Aerosolpartikeln zeigen Indizien einer bisher noch unterschätzten atmosphärischen Bedeutung mikrobiologischer Prozesse auf.:1. Introduction ............................................................................................................................................... 1 1.1 The Polar Oceans ................................................................................................................................. 3 1.1.1 Geographical Definitions and Characteristics.......................................................................... 3 1.1.2 Role in Earth’s Climate System ................................................................................................ 5 1.1.3 Changing Climate and Consequences ...................................................................................... 6 1.2 Sea Spray Aerosol over the Polar Oceans ........................................................................................... 9 1.2.1 Production Mechanisms of Sea Spray Aerosol ........................................................................ 9 1.2.2 Chemo-Selective Sea-Air Transfer and Atmospheric Aging ................................................... 10 1.2.3 Impact on Earth’s Radiation Budget ...................................................................................... 12 1.3 The Surface of the Polar Oceans ....................................................................................................... 15 1.3.1 The Sea Surface Microlayer ................................................................................................... 15 1.3.2 Selective Enrichment of Chemical Compounds ..................................................................... 15 1.3.3 Atmospheric Relevance for Atmospheric Chemistry and Cloud Microphysics ..................... 24 1.4 Marine Carbohydrates....................................................................................................................... 26 1.4.1 Chemical Structures ............................................................................................................... 26 1.4.2 Microbial Role ........................................................................................................................ 28 1.4.3 Marine Carbohydrates in the Atmosphere ............................................................................ 30 1.4.4 Chemical Analysis and Sea Salt Interference ......................................................................... 31 2. Results and Discussions ........................................................................................................................... 35 2.1 First Publication ................................................................................................................................. 35 2.1.1 Glucose as a Potential Chemical Marker for Ice Nucleating Activity in Arctic Seawater and Melt Pond Samples ......................................................................................................................... 35 2.1.2 Supporting Information ......................................................................................................... 47 2.2 Second Publication ............................................................................................................................ 55 A protocol for quantifying mono-and polysaccharides in seawater and related saline matrices by electro-dialysis (ED) – combined with HPAEC-PAD ........................................................................ 55 2.3 Third Publication ............................................................................................................................... 70 2.3.1 Aerosol Marine Primary Carbohydrates and Atmospheric Transformation in the Western Antarctic Peninsula ......................................................................................................................... 70 2.3.2 Supporting Information ......................................................................................................... 88 3. Atmospheric Implications ........................................................................................................................ 95 4. Summary ................................................................................................................................................ 98 5. References ............................................................................................................................................. 101 List of Abbreviations .................................................................................................................................. 121 List of Figures ............................................................................................................................................. 123 List of Tables .............................................................................................................................................. 124 Curriculum Vitae ........................................................................................................................................ 125 / Primary marine aerosol particles impact Earth’s radiation budget by acting, among other things, as cloud condensation nuclei (CCN) or ice nucleating particles (INP) for the formation of clouds. Over the polar oceans, primary marine aerosol emissions dominate the atmospheric particles and can play a significant and changing role there in the context of climate change. These particles are primarily emitted from the oceanic surface water and a thin surface film, the so-called sea surface microlayer (SML), by the bursting of air bubbles entrained by the wind. They consist of inorganic sea salt and organic matter (OM), whose relative proportions differ greatly depending on the aerosol diameter. In this context, the marine carbohydrates represent an important group of OM, whose oceanic sources, their transition from the sea to the atmosphere, atmospheric aging and contribution to the condensation of water droplets and ice nucleation are not well understood. This limited level of knowledge is due, among other things, to the lack of analytical methods that enable a reliable determination of carbohydrates at very low mass concentrations with high recovery rates in the salty matrices. Within the framework of this PhD thesis, an analytical method was developed by combining high-performance anion-exchange chromatography with pulsed amperometric detection (HPAEC-PAD) and a prior desalination by electro-dialysis (ED), which enables the determination of a wide range of dissolved carbohydrates in their free (as monosaccharides) and combined (as oligo- or polysaccharides) forms in seawater and other saline matrices. With this new method, a biogeochemical connection between the presence of free glucose and the ice nucleating activity in the Arctic SML could be observed. In addition, the primary transfer of carbohydrates from the ocean via the SML into the atmosphere and subsequent secondary atmospheric transformations were investigated in the sea ice-free part of the Southern Ocean. Consequently, the extensive investigations of marine carbohydrates in seawater and aerosol particles indicate an atmospheric importance of microbiological processes that has been underestimated until now.:1. Introduction ............................................................................................................................................... 1 1.1 The Polar Oceans ................................................................................................................................. 3 1.1.1 Geographical Definitions and Characteristics.......................................................................... 3 1.1.2 Role in Earth’s Climate System ................................................................................................ 5 1.1.3 Changing Climate and Consequences ...................................................................................... 6 1.2 Sea Spray Aerosol over the Polar Oceans ........................................................................................... 9 1.2.1 Production Mechanisms of Sea Spray Aerosol ........................................................................ 9 1.2.2 Chemo-Selective Sea-Air Transfer and Atmospheric Aging ................................................... 10 1.2.3 Impact on Earth’s Radiation Budget ...................................................................................... 12 1.3 The Surface of the Polar Oceans ....................................................................................................... 15 1.3.1 The Sea Surface Microlayer ................................................................................................... 15 1.3.2 Selective Enrichment of Chemical Compounds ..................................................................... 15 1.3.3 Atmospheric Relevance for Atmospheric Chemistry and Cloud Microphysics ..................... 24 1.4 Marine Carbohydrates....................................................................................................................... 26 1.4.1 Chemical Structures ............................................................................................................... 26 1.4.2 Microbial Role ........................................................................................................................ 28 1.4.3 Marine Carbohydrates in the Atmosphere ............................................................................ 30 1.4.4 Chemical Analysis and Sea Salt Interference ......................................................................... 31 2. Results and Discussions ........................................................................................................................... 35 2.1 First Publication ................................................................................................................................. 35 2.1.1 Glucose as a Potential Chemical Marker for Ice Nucleating Activity in Arctic Seawater and Melt Pond Samples ......................................................................................................................... 35 2.1.2 Supporting Information ......................................................................................................... 47 2.2 Second Publication ............................................................................................................................ 55 A protocol for quantifying mono-and polysaccharides in seawater and related saline matrices by electro-dialysis (ED) – combined with HPAEC-PAD ........................................................................ 55 2.3 Third Publication ............................................................................................................................... 70 2.3.1 Aerosol Marine Primary Carbohydrates and Atmospheric Transformation in the Western Antarctic Peninsula ......................................................................................................................... 70 2.3.2 Supporting Information ......................................................................................................... 88 3. Atmospheric Implications ........................................................................................................................ 95 4. Summary ................................................................................................................................................ 98 5. References ............................................................................................................................................. 101 List of Abbreviations .................................................................................................................................. 121 List of Figures ............................................................................................................................................. 123 List of Tables .............................................................................................................................................. 124 Curriculum Vitae ........................................................................................................................................ 125