Die Gletscherschmelze in den südlichen Anden trägt maßgeblich zum Anstieg des Meeresspiegels der letzten Jahrzehnte bei und beeinflusst regional die saisonale Wasserverfügbarkeit. In jüngster Zeit wurde eine rapide Zunahme der Massenverluste insbesondere einzelner großer Auslassgletscher des Südlichen Patagonisches Eisfeldes beobachtet. Im Rahmen der Dissertation wurden die rezente Variabilität des Klimas und der klimatischen Massenbilanz für ausgewählte vergletscherte Gebiete in Patagonien und Feuerland untersucht. Die Verbesserung unseres Verständnisses über räumliche und zeitliche Muster der klimatischen Massenbilanz, ihrer atmosphärischen Antriebsfaktoren und ihres Einflusses auf das in jüngster Vergangenheit beobachtete individuelle Gletscherverhalten, sind weitere wichtige Ziele. Da die Klimavariabilität die Hauptursache für lokale Veränderungen in der Kryosphäre der südlichen Anden ist, wurden langjährige meteorologische Beobachtungen im Gebiet der Gran Campo Nevado-Eiskappe im südlichsten Patagonien im Hinblick auf räumliche und zeitliche Variabilität untersucht und der Einfluss mesoskaliger Wettermuster und Modi atmosphärischer Oszillationen auf die Ausprägung des Klimas analysiert. Darüber hinaus wurde die rezente Variabilität der klimatischen Massenbilanz für ausgewählte Gletscher in Südpatagonien und Feuerland durch die Implementierung des Energie- und Massenbilanzmodells COSIMA simuliert. Eine unterschiedliche Ausprägung der Oberflächenmassenbilanz und geodätischer Massenbilanz unterstreicht wie wichtig ein besseres Verständnis über die Prozesse der klimatischen Massenbilanz und Eisdynamik ist. Des Weiteren wurden Simulationen der klimatischen Massenbilanz eingesetzt, um eine ausgeglichene Massenbilanz für rezente und vergangene Ausdehnungen des Gletschers Schiaparelli abzuleiten. Ziel war es, eine modellgestützte Annäherung an die klimatischen Bedingungen während der Kleinen Eiszeit zu simulieren. / Glacier mass loss of the Southern Andes contributes largely to sea-level rise during recent decades and also affects the regional water availability. Despite the overall glacier retreat of most glaciers in Patagonia and Tierra del Fuego, a recent increase in mass loss of individual glaciers has been observed. The recent variability of climate and climatic mass balance for selected glaciated study sites in Patagonia and Tierra del Fuego are investigated in this thesis. Improving our understanding on the spatial and temporal variations of climatic mass balance processes, its atmospheric drivers, and their impact on the recently observed individual glacier behavior are further important aims. Since climate variability is the key driver of local changes in the cryosphere in the Southern Andes, a unique record of meteorological observations across the Gran Campo Nevado Ice Cap in Southernmost Patagonia was analyzed with regard to main climate features and the relationship between the in-situ observations, large-scale climate modes and mesoscale weather patterns. Furthermore, recent climatic mass balance variability was simulated for selected glaciers in Southern Patagonia and Tierra del Fuego by implementing the ’COupled Snow and Ice energy and MAss balance model’ COSIMA. Contrasting patterns of positive simulated annual climatic mass balance and clearly negative geodetic mass balance were found for two neighboring glaciers of the Southern Patagonia Icefield between 2000 and 2014. This highlights the importance of understanding of both, the climatic mass balance, and the ice-dynamical processes. Climatic mass balance simulations were further used to derive glacier steady-state conditions for recent and past glacier extents of Schiaparelli Glacier, aiming for a model-based approximation of climate conditions during the Little Ice Age.

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Das Phänomen der Subduktion eines aktiven Spreizungszentrums an der Südspitze Südamerikas ist seit langem bekannt. Eine Vielzahl von geologischen Beobachtungen wurden mit diesem Phänomen in Verbindung gebracht, trotzdem ist der genaue Mechanismus der Beeinflussung des aktiven Kontinentalrandes weitgehend unbekannt. <br /> <br /> Die Zusammenhänge zwischen den Subduktionsprozessen und der Entwicklung der patagonischen Anden zwischen 47&#176;S und 48&#176;S stehen im Mittelpunkt der Untersuchungen. Um eine detaillierte zeitliche Auflösung der zugrunde liegenden Prozesse untersuchen zu können, wurde die Entwicklung der Vorlandsedimentation, die thermische Entwicklung und die Heraushebung der Oberkruste des andinen Orogens untersucht und diese in Bezug zur Subduktion des Chile-Rückens gesetzt. <br /> <br /> Im Bereich von 47&#176;30&prime;S wurden die synorogenen Vorlandsedimente der Santa Cruz Formation sedimentologisch untersucht. Diese fluviatilen Sedimente wurden in einem reliefarmen Vorlandgebiet durch häufige Rinnenverlagerung und dem Aufbau von Rinnenumlagerungsgürteln in Kombination mit assoziierten großräumigen Überflutungsablagerungen akkumuliert. Sie stehen in einem engen Zusammenhang mit der orogenen Entwicklung im andinen Liefergebiet. Dies spiegelt sich in dem nach oben gröber werdenden Zyklus der Santa Cruz Formation wider. Die magnetostratigraphischen Untersuchungen einer 270 m mächtigen Sequenz aus der Basis der Santa Cruz Formation, die mit 329 Einzelproben aus 96 Probenpunkten beprobt wurde, ergab 7 Umkehrungen der geomagnetischen Feldrichtung. Mit Hilfe der geomagnetischen Polaritätszeitskala (CANDE AND KENT, 1995) konnte der untersuchte Abschnitt der Santa Cruz Formation zwischen 16.2 und 18.5 Ma datiert werden. Als Träger der Sedimentations-Remanenz konnten überwiegend Pseudoeinbereichs-Magentitpartikel und untergeordnet Hämatitpartikel identifiziert werden. <br /> <br /> An drei Profilen der Santa Cruz Formation wurden aus Sandsteinlagen unterschiedlicher stratigraphischer Position detritische Apatite mit Hilfe der thermochronologischen Spaltspurmethode untersucht. Die thermisch nicht rückgesetzten, detritischen Apatite spiegeln das Auftreten unterschiedlicher Altersdomänen im Liefergebiet der Sedimente wider. In der Kombination mit den geochemischen Gesamtgesteinsuntersuchungen der Sedimente und den petrographischen Untersuchungen der Sandsteine, die ein überwiegend andesitisch-vulkanisch geprägtes Liefergebiet widerspiegeln, kann nachgewiesen werden, dass die Erosion im Liefergebiet um 16.5 Ma in tiefere, deformierte Krustensegmente einschneidet. Dies bedeutet, dass aufgrund der Denudation im andinen Orogen erste Sockelgesteinseinheiten in den Bereich der Abtragung gelangen und dass dieser Eintrag um 12 bis 10 Ma ein Volumen einnimmt, das zu signifikanten Änderungen der Gesamtgesteinsgeochemie der Vorlandsedimente führt. <br /> <br /> Die thermochronologische Untersuchung von Apatiten aus rezenten topographischen Höhenprofilen aus der Kernzone der patagonischen Anden im Bereich von 47&#176;30&prime;S zeigen den Beginn einer beschleunigten Heraushebung des Orogens um 7.5 Ma. Aus diesen Untersuchungen kann eine Denudationsrate im Zeitraum der letzen 7 bis 8 Ma von 600 bis 650 m/Ma abgeschätzt werden. Die Modellierung der Apatit-Spaltspurergebnisse zeigt eine signifikante Temperaturerhöhung im Zeitraum zwischen 12 und 8 Ma um 20 bis 30&#176;C für diesen Krustenbereich, die mit der Subduktion des aktiven Chile-Rückens in diesem Bereich der Anden in Verbindung gebracht wird. <br /> <br /> Aus den gewonnen Daten kann ein Modell für die Entwicklung der patagonischen Anden seit dem frühen Miozän abgeleitet werden. In diesem Modell wird die orogene Entwicklung in den patagonischen Anden auf eine erhöhte Konvergenzrate zwischen der Nazca Platte und der Südamerikanischen Platte zurückgeführt, die für die Heraushebung und Denudation der Anden sowie für die damit verbundene Entwicklung im Vorlandbereich verantwortlich ist. Diese orogene Entwicklung wird in einer späten Phase durch die nordwärts wandernde Subduktion des aktiven Spreizungszentrums des Chile Rückens überprägt und beeinflusst. Das auf der Integration von geologischen, chronologischen sowie thermochronologischen Daten beruhende Modell kann zahlreiche geologische und geophysikalische Beobachtungen in diesem Bereich der südlichen Anden konsistent erklären. / The phenomenon of active ridge subduction to the continental margin of southern South America has been well known for a long time. A diversity of geological observations are related to this phenomenon, however, the exact mechanism of the influence of ridge subduction to the active continental margin is unknown.<br /> <br /> The aim of the present investigations is to determine connections between the subduction processes and the development of the Patagonian Andes between 47&#176;S and 48&#176;S. In order to reach that objective, the development of the foreland basin settings, the uplift of the upper crust of the Andean Orogeny, and the relation with the subduction of the Chile Ridge were investigated to obtain a detailed temporal resolution of the basic geological processes.<br /> <br /> Within the area of 47&#176;30'S the style and sedimentological pattern of the synorogenic foreland deposits of the Santa Cruz Formation were investigated. These fluvial sediments were accumulated in a foreland basin of small scale topography by frequent progradational avulsions, which were accompanied by deposition of avulsion-belt sediments associated with thick overbank deposits. <br /> <br /> The upward-coarsening is best explained by progradation of fan deposits during an eastwards advancement of the deformation in the western Andes at that time. <br /> <br /> Magnetostratigraphic investigations of a total of 329 drill cores, which were collected at 96 sites, show seven major reversals in a thick stratigraphic section of 270 m from the base of the Santa Cruz Formation. A comparison with the geomagnetic polarity timescale of Cande and Kent (1995) gives a sedimentation age between 16.2 and 18.5 Ma for the investigated section of the Santa Cruz Formation. The investigation of rock-magnetism predominantly indicates magnetite and subordinated haematite as the dominant carrier of remanence. All results from hysteresis data determination cluster in the coarse pseudo-single (PSD) to multi-domain (MD) grain size range of the Day Diagram (DAY ET AL. 1977)<br /> <br /> Fission track analysis was applied to detrital apatite of sandstone samples at different stratigraphic positions within three sections of the Santa Cruz Formation. The fission track ages of the not reseted detrital apatite are assumed to be related to the age of the sediment provenance area. In combination with sandstone petrographic investigations, which indicate a dominant andesitic volcanic source for the sediment and geochemical whole rock investigations can be shown, that the erosion cuts into the basement of the source area at 16.5 Ma. This means, that due to the denudation in the Andean Orogen first deformed basement units arrive into the sedimentation cycle. In the range of 12 to 10 Ma this sediment input attained such a volume, that the whole-rock geochemistry of the sediments was changed .<br /> <br /> The thermochronological investigations of apatites from vertical profiles covering the largest elevation range of the central zone of the Patagonian Andes within the range of 47&#176;30'S show the beginning of an accelerated cooling and related uplift phase of the orogen at approximately 7.5 Ma. The calculated denudation rate in the period of the last 7 to 8 Ma ranges from 600 to 650 m/Ma. The modelling of apatite fission-track data shows a significant reheating in the range of 20 to 30&#176;C between 12 and 8 Ma for the upper crust. This is interpreted as an influence of the active Chile rise mid-oceanic spreading center on the overriding plate.<br /> <br /> The modelling of the apatite fission-track results shows a significant rise in temperature between 12 and 8 Ma around 20 to 30&#176;C for this crust area, which is associated with the subduction of the active Chile back in this area of the Andes. <br /> <br /> A model has been derived from the obtained data to explain the evolution of the Patagonian Andes since the early Miocene. In this model, orogeny is attributed to the increasing convergence rate between the Nazca plate and South America and its response due to uplift and denudation of the Patagonian Andes and the development of the adjacent foreland basin. In a late phase, orogeny is influenced and overprinted by the northward migration of the Chile ridge subduction. The model consistently explains many of the geological and geophysical observations.

Die Nachfrage nach Agrarerzeugnissen gilt als zentrale Ursache für den Verlust weltweit wichtiger Ökosysteme. In Brasilien hat speziell die Ausweitung der Sojaproduktion zur Abholzung tropischer Wälder und Savannen geführt. Zumeist werden neu gerodete Flächen als Rinderweiden genutzt und vormalige Weiden für den Sojaanbau umgewandelt. Diese Entwicklung führt zu der Annahme, dass die Ausweitung der Sojaproduktion indirekt für die Rodung verantwortlich ist. Staatliche Umweltpolitiken und die Selbstverpflichtung der Sojaindustrie haben seit 2004 zu einer Verringerung der Abholzung beigetragen. Vor diesem Hintergrund zielt die vorliegende Dissertation darauf ab, ein vertieftes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Soja- und Rinderwirtschaft zu erlangen. Im Fokus stehen räumliche und zeitliche Dynamiken von Landnutzung und Landnutzungsverdrängung in Mato Grosso und Pará, einer der dynamischsten Regionen Brasiliens. Für diese Bundesstaaten werden Landnutzung und Landnutzungsverdrängung im regionalen Kontext, auf Grundstücksebene und mithilfe von Szenarien untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Strategien zur Verringerung der Abholzung Einfluss auf die Dynamiken der Landnutzung und Landnutzungsverdrängung hatten. Die durch die Ausweitung des Sojaanbaus hervorgerufene Verdrängungsprozesse haben sich nach der Implementierung der Umweltschutzstrategien verringert. Auch die Abholzung auf einzelnen Grundstücken in Mato Grosso ging zurück. Zugleich zeigt die Analyse, dass die Selbstverpflichtung der Sojaindustrie durch indirekte Abholzung teilweise untergraben wird. Die Ergebnisse der Szenarien unterstreichen die regionale Dynamik und speziell die Risiken einer weiteren Ausweitung von Rinderweiden. Insgesamt legen die Ergebnisse nahe, dass auf Reduktion der Abholzung abzielende Strategien die Wechselwirkungen von Soja- und Rinderwirtschaft beachten müssen. Dies erfordert eine verstärkte Zusammenarbeit von Rinderwirtschaft, Sojaindustrie und staatlichen Organisationen. / Demands for agricultural commodities are a major threat for some of the most valuable ecosystems in the world. The expansion of the agricultural sector in Brazil, fueled by global demands for soybeans, contributed to the loss of tropical and savanna ecosystems. However, most deforestation was caused by pastures, raising concerns about land use displacement processes between soybean expansion and cattle ranching. Promising, reductions of deforestation were observed following the implementation of governmental strategies and zero-deforestation supply chain commitments. This thesis aims to contribute to the understanding of spatial and temporal dynamics of soybean expansion and cattle ranching, driving deforestation in one of the most dynamic agricultural expansion and deforestation frontier of Brazil, in Mato Grosso and Pará. In this region, land use displacement describes the conversion of pasture to soybean followed by deforestation for cattle ranching at another location. This process was assessed at regional and property-level. Moreover, scenario analysis was applied to identify regional and subregional dynamics of land use changes. The results indicated that environmental governance affected regional and local land use dynamics and displacement processes. Distal displacement processes between soybean expansion and deforestation were significant, contributing to deforestation, but declined subsequently to the implementation of environmental policies. Likewise, deforestation at property-level declined following the policy implementations. However, the effectiveness of the zero-deforestation supply chain commitment was found to be at risk due to property-level displacement deforestation. Additionally, the scenario analysis emphasized the importance of subregional dynamics and identified risks of future deforestation. Integrating efforts between supply chain (soy and cattle) and governmental actors may be crucial to reduce deforestation in the Amazon.

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Der Amazonas befindet sich im Wandel. Seine Regenwälder sind zunehmend durch die expandierende Landwirtschaft bedroht. Brandrodungen und die meist extensive Weidewirtschaft verantworten großflächige Ökosystemschäden und hohe Treibhausgasemissionen. Erdbeobachtungssysteme wie die Landsat und Sentinel-2 Satelliten ermöglichen eine großflächige Analyse dieser Entwicklungen und sind unerlässlich zur Evaluierung von Maßnahmen zum Schutze des Amazonas. Allerdings sind in den Kerntropen Fernerkundungsanalysen aufgrund des Bewölkungsgrades sehr herausfordernd. Diese Arbeit zielt daher auf eine verbesserte Erkennung landwirtschaftlicher Prozesse, wie sie an Entwaldungsfronten und speziell in der Region Novo Progresso, Pará, Brasilien, typisch sind. Dazu wurde zunächst der EO Time Series Explorer entwickelt, um verschiedene Dimensionen dichter Multisensorzeitserien interaktiv zur Erstellung von Referenzdaten in Wert zu setzen. Mit den Clear Observation Sequences (COS) wurde darauf basierend ein neuer Ansatz zur Erfassung hoch-dynamischer landwirtschaftlicher Prozesse entwickelt, etwa Feuer mit geringer Brandlast oder Bodenbearbeitungsmaßnahmen. Darauf aufbauend wurde schließlich der Landnutzungswandel in der Region Novo Progresso zwischen 2014 und 2020 untersucht. Die Ergebnisse zeigen einen alarmierenden Anstieg der Entwaldung und eine Zunahme landwirtschaftlicher Feuer seit der Präsidentschaft von Jair Bolsonaro. Differenziert nach Landnutzungszonen und Betriebsgrößen wird deutlich, dass Schutzgebiete weniger wirksam sind und insbesondere größere Landwirtschaftsbetriebe die Entwaldung vorantreiben. Diese Arbeit zeigt den hohen Wert einer synergetischen Nutzung unterschiedlicher Satellitenzeitserien für die fernerkundliche Analyse landwirtschaftlicher Prozesse. Eine weitere Verdichtung der Zeitserien mit räumlich und spektral höherauflösenden Sensoren bietet weiteres Verbesserungspotential bei der Beschreibung landwirtschaftlicher Dynamiken. / The Amazon is in transition, and its rainforests are increasingly threatened by agricultural expansion. A slash-and-burn agriculture and mostly extensive cattle grazing are responsible for large-scale ecosystem damage and high levels of greenhouse gas emission. Earth observation systems such as the Landsat and Sentinel-2 satellites enable large-scale analysis of these developments and are essential for evaluating measures to protect the Amazon. However, cloud cover makes remote sensing analysis challenging in the core tropics. The present work aims to improve the detection of agricultural processes typical of deforestation frontiers, focusing specifically on the Novo Progresso region, Pará, Brazil. To that end, the EO Time Series Explorer was developed to interactively visualize the different dimensions of dense multi-sensor time series and to create reference data. Based on this software tool, the Clear Observation Sequences (COS) approach was developed to capture highly dynamic agricultural processes such as low-load fires or tillage operations. Finally, the investigation of land-use changes in the Novo Progresso region between 2014 and 2020 shows an alarming increase in deforestation and agricultural fires since Jair Bolsonaro’s accession to the presidency. Analysis by land-use zone and property size shows that protected areas have become less effective and that larger properties are driving deforestation. This work demonstrates the value of synergistic use of satellite time series for remote sensing analysis of agricultural processes. Further densification of time series using higher spatial and spectral resolution sensors promises to further improve the description of agricultural dynamics.

Das Amazonasgebiet hat in den letzten Jahrzehnten eine Intensivierung der menschlichen Aktivitäten erfahren, die in Verbindung mit häufigen schweren Dürren die Umwelt anfälliger für Brände gemacht hat. In dieser Dissertation wurden Fernerkundungsdaten analysiert, um die räumlich-zeitliche Verteilung der Feuer in den letzten 20 Jahren im brasilianischen Amazonasgebiet umfassend zu untersuchen und die verschiedenen Brandursachen zu entschlüsseln. (I) Die erste Forschungsarbeit wertete die Verteilung der verbrannten Fläche aus und zeigte, dass die meisten Brände auf bewirtschafteten Weiden und in den immergrünen Tropenwäldern auftraten, was die Behauptung stützt, dass ihr Auftreten stark auf anthropogene Landnutzungsänderungen reagiert. Die Ergebnisse zeigten auch, dass weder Entwaldung noch Walddegradierung mit Waldbränden korrelierte, wohl aber Feuer, die auf Weiden oder Ackerflächen gelegt wurden und in den angrenzenden Wald übergesprungen sind. (II) Die zweite Forschungsarbeit analysierte einzelne Brände, die durch den auf komplexen Netzwerken basierenden FireTracks-Algorithmus identifiziert wurden. Der Algorithmus wurde verwendet, um Feuerregime für sechs verschiedene Landnutzungsklassen zu ermitteln. Die integrierte Größe, Dauer, Intensität und Ausbreitungsrate dieser räumlich-zeitlichen Brandcluster in den verschiedenen Landnutzungstypen zeigte auf, wie seltene Waldbrände, die natürlicherweise nicht in immergrünen tropischen Wäldern vorkommen, sich zu einem Feuerregime entwickelten, das für Savannenbrände typisch ist. (III) Die dritte Forschungsarbeit analysierte extreme, d. h. die intensivsten Einzelfeuer in immergrünen tropischen Wäldern, und zeigte deren großen Anteil an der insgesamt verbrannten Waldfläche. Während der globale Klimawandel das Potenzial hat, die Trockenheit zu verstärken, sind die anthropogenen Ursachen der Waldzerstörung die Zündquellen, die die Verteilung extremer Brände in den empfindlichen tropischen Wäldern bestimmen. / The Amazon region has experienced an intensification of human activities in the last decades, which combined with frequent severe droughts has led to an environment more susceptible to fire. Remotely sensed data is employed to comprehensively analyse the spatio-temporal fire distribution in the Brazilian Legal Amazon over the past 20 years to disentangle the diverse fire drivers in the region. Special focus is given to burned tropical evergreen forests.  (I) The evaluation of the burned area distribution revealed that most of it occurred in pastures and tropical evergreen forests, supporting the claim that fire incidence responds strongly to anthropogenic land-use changes. The results also showed that neither deforestation nor degradation correlated with forest fires, but escaping fires from pastures and agriculture do. (II) The analysis of individual fires identified by the complex networks based FireTracks algorithm led to the characterization of six different land cover-dependent fire regimes (fire size, duration, intensity, and rate of spread), which uncovered how evergreen forest fires have escalated from being naturally rare to showing characteristics more typical of savanna fires. (III) The analysis of extreme (most intense) fires in evergreen forests showed their large contribution to the total forest burned. While global climate change has the potential to increase drought conditions, anthropogenic drivers of forest degradation provide the ignition sources that determine extreme fire distribution in the tropical forests. The findings call for the development of control and monitoring plans to prevent fires from escaping from managed lands into forests, better management techniques to support effective land use and ecosystem management, targeting forest degradation in addition to deforestation, and considering the human factor in fire ignition and spread in Dynamic Global Vegetation Models in order to reduce uncertainty in fire regime projections.