Current climate warming is affecting arctic regions at a faster rate than the rest of the world. This has profound effects on permafrost that underlies most of the arctic land area. Permafrost thawing can lead to the liberation of considerable amounts of greenhouse gases as well as to significant changes in the geomorphology, hydrology, and ecology of the corresponding landscapes, which may in turn act as a positive feedback to the climate system. Vast areas of the east Siberian lowlands, which are underlain by permafrost of the Yedoma-type Ice Complex, are particularly sensitive to climate warming because of the high ice content of these permafrost deposits. Thermokarst and thermal erosion are two major types of permafrost degradation in periglacial landscapes. The associated landforms are prominent indicators of climate-induced environmental variations on the regional scale. Thermokarst lakes and basins (alasses) as well as thermo-erosional valleys are widely distributed in the coastal lowlands adjacent to the Laptev Sea. This thesis investigates the spatial distribution and morphometric properties of these degradational features to reconstruct their evolutionary conditions during the Holocene and to deduce information on the potential impact of future permafrost degradation under the projected climate warming. The methodological approach is a combination of remote sensing, geoinformation, and field investigations, which integrates analyses on local to regional spatial scales. Thermokarst and thermal erosion have affected the study region to a great extent. In the Ice Complex area of the Lena River Delta, thermokarst basins cover a much larger area than do present thermokarst lakes on Yedoma uplands (20.0 and 2.2 %, respectively), which indicates that the conditions for large-area thermokarst development were more suitable in the past. This is supported by the reconstruction of the development of an individual alas in the Lena River Delta, which reveals a prolonged phase of high thermokarst activity since the Pleistocene/Holocene transition that created a large and deep basin. After the drainage of the primary thermokarst lake during the mid-Holocene, permafrost aggradation and degradation have occurred in parallel and in shorter alternating stages within the alas, resulting in a complex thermokarst landscape. Though more dynamic than during the first phase, late Holocene thermokarst activity in the alas was not capable of degrading large portions of Pleistocene Ice Complex deposits and substantially altering the Yedoma relief. Further thermokarst development in existing alasses is restricted to thin layers of Holocene ice-rich alas sediments, because the Ice Complex deposits underneath the large primary thermokarst lakes have thawed completely and the underlying deposits are ice-poor fluvial sands. Thermokarst processes on undisturbed Yedoma uplands have the highest impact on the alteration of Ice Complex deposits, but will be limited to smaller areal extents in the future because of the reduced availability of large undisturbed upland surfaces with poor drainage. On Kurungnakh Island in the central Lena River Delta, the area of Yedoma uplands available for future thermokarst development amounts to only 33.7 %. The increasing proximity of newly developing thermokarst lakes on Yedoma uplands to existing degradational features and other topographic lows decreases the possibility for thermokarst lakes to reach large sizes before drainage occurs. Drainage of thermokarst lakes due to thermal erosion is common in the study region, but thermo-erosional valleys also provide water to thermokarst lakes and alasses. Besides these direct hydrological interactions between thermokarst and thermal erosion on the local scale, an interdependence between both processes exists on the regional scale. A regional analysis of extensive networks of thermo-erosional valleys in three lowland regions of the Laptev Sea with a total study area of 5,800 km² found that these features are more common in areas with higher slopes and relief gradients, whereas thermokarst development is more pronounced in flat lowlands with lower relief gradients. The combined results of this thesis highlight the need for comprehensive analyses of both, thermokarst and thermal erosion, in order to assess past and future impacts and feedbacks of the degradation of ice-rich permafrost on hydrology and climate of a certain region. / Die gegenwärtige Klimaerwärmung wirkt sich auf arktische Regionen stärker aus als auf andere Gebiete der Erde. Das hat weitreichende Konsequenzen für Permafrost, der weite Teile der terrestrischen Arktis unterlagert. Das Tauen von Permafrost kann zur Freisetzung erheblicher Mengen an Treibhausgasen sowie zu gravierenden Änderungen in der Geomorphologie, Hydrologie und Ökologie betroffener Landschaften führen, was wiederum als positive Rückkopplung auf das Klimasystem wirken kann. Ausgedehnte Gebiete der ostsibirischen Tiefländer, die mit Permafrost des Yedoma Eiskomplex unterlagert sind, gelten aufgrund des hohen Eisgehalts dieser Permafrostablagerungen als besonders empfindlich gegenüber Klimaerwärmungen. Thermokarst und Thermoerosion sind zwei Hauptformen der Permafrostdegradation in periglazialen Landschaften. Die zugehörigen Landschaftsformen sind auf der regionalen Skala bedeutende Indikatoren klimainduzierter Umweltvariationen. Thermokarstseen und senken (Alasse) sowie Thermoerosionstäler sind in den Küstentiefländern der Laptewsee weit verbreitet. Die vorliegende Dissertation untersucht die räumliche Verbreitung und die morphometrischen Eigenschaften dieser Degradationsformen mit dem Ziel, ihre Entwicklungsbedingungen während des Holozäns zu rekonstruieren und Hinweise auf potenzielle Auswirkungen zukünftiger Permafrostdegradation im Zuge der erwarteten Klimaerwärmung abzuleiten. Der methodische Ansatz ist eine Kombination aus Fernerkundungs-, Geoinformations- und Geländeuntersuchungen, die Analysen auf lokalen bis regionalen räumlichen Skalen integriert. Thermokarst und Thermoerosion haben die Untersuchungsregion tiefgreifend geprägt. Im Eiskomplexgebiet des Lena-Deltas nehmen Thermokarstsenken eine weitaus größere Fläche ein als Thermokarstseen auf Yedoma-Hochflächen (20,0 bzw. 2,2 %), was darauf hin deutet, dass die Bedingungen für die Entwicklung von großflächigem Thermokarst in der Vergangenheit wesentlich günstiger waren als heute. Die Rekonstruktion der Entwicklung eines einzelnen Alas im Lena-Delta belegt eine andauernde Phase hoher Thermokarstaktivität seit dem Übergang vom Pleistozän zum Holozän, die zur Entstehung einer großen und tiefen Senke führte. Nach der Drainage des primären Thermokarstsees im mittleren Holozän erfolgten Permafrostaggradation und degradation parallel und in kürzeren abwechselnden Etappen innerhalb des Alas und führten zu einer komplexen Thermokarstlandschaft. Trotzdem die spätholozäne Thermokarstentwicklung im Alas dynamischer ablief als die erste Entwicklungsphase, resultierte sie nicht in der Degradation großer Teile pleistozäner Eiskomplexablagerungen und einer wesentlichen Veränderung des Yedoma-Reliefs. Weitere Thermokarstentwicklung in bestehenden Alassen ist begrenzt auf geringmächtige Lagen holozäner eisreicher Alas-Sedimente, da die Eiskomplexablagerungen unter den großen primären Thermokarstseen vollständig getaut waren und die unterlagernden Sedimente aus eisarmen, fluvialen Sanden bestehen. Thermokarstprozesse auf ungestörten Yedoma-Hochflächen wirken am stärksten verändernd auf Eiskomplexablagerungen, werden aber in Zukunft auf geringere Ausmaße begrenzt sein, da die Verfügbarkeit großer ungestörter, schwach drainierter Yedoma-Hochflächen abnimmt. Auf der Insel Kurungnakh im zentralen Lena-Delta beträgt der für zukünftige Thermokarstentwicklung verfügbare Anteil an Yedoma-Hochflächen nur 33,7 %. Die zunehmende Nähe von sich entwickelnden Thermokarstseen auf Yedoma-Hochflächen zu bestehenden Degradationsstrukturen und anderen negativen Reliefformen verringert die Möglichkeit der Thermokarstseen, große Ausmaße zu erreichen bevor sie drainieren. Die Drainage von Thermokarstseen durch Thermoerosion ist in der Untersuchungsregion weit verbreitet, aber Thermoerosionstäler versorgen Thermokarstseen und –senken auch mit Wasser. Neben diesen direkten hydrologischen Wechselwirkungen zwischen Thermokarst und Thermoerosion auf der lokalen Ebene existiert auch eine Interdependenz zwischen beiden Prozessen auf der regionalen Ebene. Eine regionale Analyse weitreichender Netze von Thermoerosionstälern in drei Tieflandgebieten der Laptewsee mit einer Fläche von insgesamt 5800 km² zeigte, dass diese Formen häufiger in Gebieten mit höheren Geländeneigungen und Reliefgradienten auftreten, während Thermokarstentwicklung stärker in flachen Tiefländern mit geringeren Reliefgradienten ausgeprägt ist. Die kombinierten Ergebnisse dieser Dissertation zeigen die Notwendigkeit von umfassenden Analysen beider Prozesse und Landschaftsformen, Thermokarst und Thermoerosion, im Hinblick auf die Abschätzung vergangener und zukünftiger Auswirkungen der Degradation eisreichen Permafrosts auf Hydrologie und Klima der betrachteten Region und deren Rückkopplungen.

Periglaziale Deckschichten auf carbonatreichen Gesteinen der geologischen Formation des Muschelkalks sind bisher nur peripher Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen innerhalb der Deckschichtenfor-schung. Um diese Lücke zu schließen, widmet sich die vorliegende Arbeit dem Aufbau des oberflächenna-hen Untergrundes im Muschelkalk in einem Teilgebiet in der ostthüringischen Triaslandschaft. Die Ergebnisse zeigen, dass die periglazialen Deckschichten in Abhängigkeit von lithologischen Gesteins-merkmalen und Relieffaktoren (Exposition, Neigung) eine hohe räumliche Heterogenität hinsichtlich der stoff-lichen Zusammensetzung, der vertikalen Gliederung und Gründigkeit aufweisen. Sie sind in Basislagen (LB), Mittellagen (LM) und Hauptlagen (LH) gegliedert, die ihrerseits eigenständige Schichten beinhalten können. Die Lagenbildungen über carbonatreichen Gesteinen des Muschelkalks weisen Besonderheiten im Aufbau, in den stofflichen Eigenschaften und in ihrer Genese auf. Die Basislagen sind in der Regel mehrgliedrig entwickelt und können bis zu drei, faziell zu unterscheidende Substratkomplexe enthalten. Dies sind i) eine skelettfreie Kalksteinbraunlehm-Fließerde (LB-F), ii) ein Kalk-steinbraunlehmschutt (LB-1) und iii) ein Kalksteinschutt (LB-2). Die Zweiteilung der Basislagenschutte sowie die Abfolge LB-1/ LB-2 (LB-1 über LB-2) können als charakteristische Merkmale der Basislagenbildung über Muschelkalk herausgestellt werden. Skelettfreie Kalksteinbraunlehme (LB-F) stellen eine Besonderheit auf Carbonatgesteinen dar, da vergleichbare Bildungen auf quarz- und silikatreichen Standorten fehlen. Die Hauptlagen werden in eine schluffreiche (LH) und tonreiche (LHT) Fazies unterschieden. Beide zeichnen sich durch eine vollständige Skelettfreiheit aus, die ebenfalls als übergreifendes Merkmal über Muschelkalk gelten kann. Zwei Mittellagentypen sind mit skelettfreier Mittellage (LM) und skeletthaltiger Mittellage (LMs) vertreten. Die Genese der Basislagenabfolge LB-F/ LB-1/ LB-2 fand vollständig im Weichselglazial statt und schließt eine periglaziale Genese der Kalksteinbraunlehme ein. Die Beteiligung von Spülprozessen an der (Geli-) Solifluktion hat die Akkumulation von Lösungsrückständen (= Kalksteinbraunlehm) gefördert. Die Zweiteilung der Basisschutte kann ebenfalls durch die Mitwirkung ablualer Prozesse erklärt werden. Die Kalksteinbraun-lehm-Fließerde entstand synsedimentär zur Bildung der Basislagenschutte durch laterale Ausspülung. Die Variabilität der Lössedimente wird neben Luv-/Lee-Effekten und präsedimentäre karstartige Hohlformen vor allem auch über eine differenzierte periglaziale Bodenfeuchte- und Vegetationsverteilung gesteuert. In der Arbeit wurden u.a. der gU/fU-Quotient, pedogene Eisenoxide (Feo, Fed), Gesamteisengehalt (Fet), Fet/Ton-Quotient und (Fed-Feo/(Fet/Ton)-Quotient (nach GÜNSTER et al. 2001) sowie die Korrelation von Tongehalt und pedogenem Eisen für alle oben genannten Substrate ermittelt. Eine integrative Betrachtung dieser Parameter ist grundsätzlich geeignet, primäre Sedimenteigenschaften der Substrate herauszustellen und eine pedogenetische Überprägung abzugrenzen. Darüber hinaus erlauben sie Aussagen zur Genese. Der Tongehalt der Mittellagen konnte neben der Überformung durch Tonverlagerung als sedimentogene Ei-genschaft belegt werden. Kalksteinbraunlehme mit weniger als 65% Tongehalt müssen nicht grundsätzlich lösslehmbeeinflusst sein. Rezente Lösungsprozesse und eine rezente Weiterbildung der Kalksteinbraunleh-me konnten auch im Liegenden mächtigerer Lösssedimente nachgewiesen werden. Es wird gezeigt, wie die periglazialen Decksedimente in ihrer räumlichen, vertikalen und stofflichen Variabilität Einfluss auf die Heterogenität der Bodendecke nehmen.

Periglaziale Deckschichten auf carbonatreichen Gesteinen der geologischen Formation des Muschelkalks sind bisher nur peripher Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen innerhalb der Deckschichtenfor-schung. Um diese Lücke zu schließen, widmet sich die vorliegende Arbeit dem Aufbau des oberflächenna-hen Untergrundes im Muschelkalk in einem Teilgebiet in der ostthüringischen Triaslandschaft. Die Ergebnisse zeigen, dass die periglazialen Deckschichten in Abhängigkeit von lithologischen Gesteins-merkmalen und Relieffaktoren (Exposition, Neigung) eine hohe räumliche Heterogenität hinsichtlich der stoff-lichen Zusammensetzung, der vertikalen Gliederung und Gründigkeit aufweisen. Sie sind in Basislagen (LB), Mittellagen (LM) und Hauptlagen (LH) gegliedert, die ihrerseits eigenständige Schichten beinhalten können. Die Lagenbildungen über carbonatreichen Gesteinen des Muschelkalks weisen Besonderheiten im Aufbau, in den stofflichen Eigenschaften und in ihrer Genese auf. Die Basislagen sind in der Regel mehrgliedrig entwickelt und können bis zu drei, faziell zu unterscheidende Substratkomplexe enthalten. Dies sind i) eine skelettfreie Kalksteinbraunlehm-Fließerde (LB-F), ii) ein Kalk-steinbraunlehmschutt (LB-1) und iii) ein Kalksteinschutt (LB-2). Die Zweiteilung der Basislagenschutte sowie die Abfolge LB-1/ LB-2 (LB-1 über LB-2) können als charakteristische Merkmale der Basislagenbildung über Muschelkalk herausgestellt werden. Skelettfreie Kalksteinbraunlehme (LB-F) stellen eine Besonderheit auf Carbonatgesteinen dar, da vergleichbare Bildungen auf quarz- und silikatreichen Standorten fehlen. Die Hauptlagen werden in eine schluffreiche (LH) und tonreiche (LHT) Fazies unterschieden. Beide zeichnen sich durch eine vollständige Skelettfreiheit aus, die ebenfalls als übergreifendes Merkmal über Muschelkalk gelten kann. Zwei Mittellagentypen sind mit skelettfreier Mittellage (LM) und skeletthaltiger Mittellage (LMs) vertreten. Die Genese der Basislagenabfolge LB-F/ LB-1/ LB-2 fand vollständig im Weichselglazial statt und schließt eine periglaziale Genese der Kalksteinbraunlehme ein. Die Beteiligung von Spülprozessen an der (Geli-) Solifluktion hat die Akkumulation von Lösungsrückständen (= Kalksteinbraunlehm) gefördert. Die Zweiteilung der Basisschutte kann ebenfalls durch die Mitwirkung ablualer Prozesse erklärt werden. Die Kalksteinbraun-lehm-Fließerde entstand synsedimentär zur Bildung der Basislagenschutte durch laterale Ausspülung. Die Variabilität der Lössedimente wird neben Luv-/Lee-Effekten und präsedimentäre karstartige Hohlformen vor allem auch über eine differenzierte periglaziale Bodenfeuchte- und Vegetationsverteilung gesteuert. In der Arbeit wurden u.a. der gU/fU-Quotient, pedogene Eisenoxide (Feo, Fed), Gesamteisengehalt (Fet), Fet/Ton-Quotient und (Fed-Feo/(Fet/Ton)-Quotient (nach GÜNSTER et al. 2001) sowie die Korrelation von Tongehalt und pedogenem Eisen für alle oben genannten Substrate ermittelt. Eine integrative Betrachtung dieser Parameter ist grundsätzlich geeignet, primäre Sedimenteigenschaften der Substrate herauszustellen und eine pedogenetische Überprägung abzugrenzen. Darüber hinaus erlauben sie Aussagen zur Genese. Der Tongehalt der Mittellagen konnte neben der Überformung durch Tonverlagerung als sedimentogene Ei-genschaft belegt werden. Kalksteinbraunlehme mit weniger als 65% Tongehalt müssen nicht grundsätzlich lösslehmbeeinflusst sein. Rezente Lösungsprozesse und eine rezente Weiterbildung der Kalksteinbraunleh-me konnten auch im Liegenden mächtigerer Lösssedimente nachgewiesen werden. Es wird gezeigt, wie die periglazialen Decksedimente in ihrer räumlichen, vertikalen und stofflichen Variabilität Einfluss auf die Heterogenität der Bodendecke nehmen.

Ziel der Arbeit ist es, ein genaueres Prozessverständnis zur Abflussbildung an Hängen auf der Basis der räumlichen Verbreitung periglazialer Deckschichten zu erhalten. Das Untersuchungsgebiet ist ein 6 ha großes, forstlich bewirtschaftetes Quelleinzugsgebiet im Osterzgebirge. Das anstehende Gestein ist Gneis. Der oberflächennahe Untergrund ist aus zwei- und dreigliedrigen Deckschichten zusammengesetzt. Auf der Punkt-, Hang- und Kleineinzugsgebietsskala werden hydrometrische, hydrochemische und geoelektrische Methoden sowie Färbeversuche eingesetzt, um auf die dominierenden Abflussbildungsprozesse schließen zu können. Aus der Synthese der Teilergebnisse werden drei typische Prozessabläufe in Abhängigkeit von der Gebietsvorfeuchte abgeleitet. Diese verdeutlichen, dass bei geringer Vorfeuchte Sättigungsoberflächenabfluss im Quellsumpf vorherrscht, bei mittlerer bis hoher Vorfeuchte dagegen Zwischenabfluss der dominierende Abflussprozess ist. Die Abflusswirksamkeit der Niederschläge steigt zudem mit zunehmender Vorfeuchte nichtlinear an. Es wird herausgestellt, dass die hydraulisch anisotropen Eigenschaften der Basislage entscheidend die oberflächennahen Fließwege des Wassers beeinflussen. Sie besitzt durch ihre hohe Lagerungsdichte einerseits vertikal wasserstauende Eigenschaften. Andererseits kann Wasser, begünstigt durch das dominant sandige Substrat und das hangparallel eingeregelte Bodenskelett innerhalb der Schicht bevorzugt lateral geleitet werden. Die gewonnenen Erkenntnisse verdeutlichen die Bedeutung der Eigenschaften der periglazialen Deckschichten für die Abflussbildung an Mittelgebirgshängen. / The aim of this study is to contribute to the understanding of runoff processes on slopes based on the spatial distribution of periglacial cover beds. The study area is a 6 ha large forested spring catchment in the Eastern Ore Mountains, Saxony. Bedrock is gneiss overlain by periglacial cover beds comprising two or three layers. On plot, hillslope and small-catchment scales hydrometrical, hydrochemical and geoelectrical methods as well as tracer experiments are used to determine the constitutive runoff processes. From the synthesis of partial results, three pre-moisture controlled process cycles are derived. With low pre-moisture, saturation overland flow dominates in the spring bog. In contrast, with medium or high pre-moisture interflow occurs. Besides, with rising pre-moisture runoff coefficients increase in a non-linear manner. It is emphasised that the hydraulic anisotropic structure of the Basal Layer is the major control factor for subsurface water-flow paths. On the one hand, this layer acts as an aquitard for seeping water because of its high bulk density. On the other hand, water within the layer is able to flow laterally because of the sandy texture and the coarse clasts oriented parallel to the slope. These findings highlight the importance of relic periglacial cover beds for runoff generation in subdued mountains.

Ziel der Arbeit ist es, ein genaueres Prozessverständnis zur Abflussbildung an Hängen auf der Basis der räumlichen Verbreitung periglazialer Deckschichten zu erhalten. Das Untersuchungsgebiet ist ein 6 ha großes, forstlich bewirtschaftetes Quelleinzugsgebiet im Osterzgebirge. Das anstehende Gestein ist Gneis. Der oberflächennahe Untergrund ist aus zwei- und dreigliedrigen Deckschichten zusammengesetzt. Auf der Punkt-, Hang- und Kleineinzugsgebietsskala werden hydrometrische, hydrochemische und geoelektrische Methoden sowie Färbeversuche eingesetzt, um auf die dominierenden Abflussbildungsprozesse schließen zu können. Aus der Synthese der Teilergebnisse werden drei typische Prozessabläufe in Abhängigkeit von der Gebietsvorfeuchte abgeleitet. Diese verdeutlichen, dass bei geringer Vorfeuchte Sättigungsoberflächenabfluss im Quellsumpf vorherrscht, bei mittlerer bis hoher Vorfeuchte dagegen Zwischenabfluss der dominierende Abflussprozess ist. Die Abflusswirksamkeit der Niederschläge steigt zudem mit zunehmender Vorfeuchte nichtlinear an. Es wird herausgestellt, dass die hydraulisch anisotropen Eigenschaften der Basislage entscheidend die oberflächennahen Fließwege des Wassers beeinflussen. Sie besitzt durch ihre hohe Lagerungsdichte einerseits vertikal wasserstauende Eigenschaften. Andererseits kann Wasser, begünstigt durch das dominant sandige Substrat und das hangparallel eingeregelte Bodenskelett innerhalb der Schicht bevorzugt lateral geleitet werden. Die gewonnenen Erkenntnisse verdeutlichen die Bedeutung der Eigenschaften der periglazialen Deckschichten für die Abflussbildung an Mittelgebirgshängen. / The aim of this study is to contribute to the understanding of runoff processes on slopes based on the spatial distribution of periglacial cover beds. The study area is a 6 ha large forested spring catchment in the Eastern Ore Mountains, Saxony. Bedrock is gneiss overlain by periglacial cover beds comprising two or three layers. On plot, hillslope and small-catchment scales hydrometrical, hydrochemical and geoelectrical methods as well as tracer experiments are used to determine the constitutive runoff processes. From the synthesis of partial results, three pre-moisture controlled process cycles are derived. With low pre-moisture, saturation overland flow dominates in the spring bog. In contrast, with medium or high pre-moisture interflow occurs. Besides, with rising pre-moisture runoff coefficients increase in a non-linear manner. It is emphasised that the hydraulic anisotropic structure of the Basal Layer is the major control factor for subsurface water-flow paths. On the one hand, this layer acts as an aquitard for seeping water because of its high bulk density. On the other hand, water within the layer is able to flow laterally because of the sandy texture and the coarse clasts oriented parallel to the slope. These findings highlight the importance of relic periglacial cover beds for runoff generation in subdued mountains.