Month January 2015

Spice Core

Eines der wissenschaftlichen Projekte, die über den Sommer hier am Südpol stattgefunden haben, ist der “South Pole Ice Core” (SPICECORE). Es ist der erste Kern, den die USA in der Ost-Antarktis bohren. Bisherige Aktivitäten hatten sich auf die West-Antarktis, etwa Wais-devide konzentriert. Die angestrebte Tiefe beträgt 1500m, was bei der Schneeakkumulation hier am Pol einem alter von etwa 40.000 Jahren entspricht. Diesen Sommer wurde mit 700m wie geplant die halbe Tiefe erreicht und 10.000 Jahre altes Eis an die Oberfläche gebracht.

Die Bohrung arbeitet sich mit etwa 1mm pro Sekunde voran. Alle 2 Meter ist das Bohrgestänge mit einem neuen Kern gefüllt, der dann mit etwa 1m pro Sekunde an die Oberfläche gezogen wird. Das Bohrgestänge hat Krallen am unteren Ende, die sich, wenn man an der Winde zieht, im Kern fest krallen, so dass dieser mit Gewalt aus dem darunter liegenden Eis herausgerissen werden kann. Oben angekommen, werden die Kerne aus dem Gestänge heraus geholt, penibel vermessen, beschriftet und abgepackt.

Die Kerne werden gekühlt transportiert und Enden schließlich in Denver, wo die USA ein Eiskern-Archiv unterhalten. Auf Grund der extremen Kälte am Südpol ist das Eis hier besonders klar und rein, womit es sich besonders für Gasanalysen eignet. Neben dem obligatorischen CO2 geht es vor allem um Spurengase – etwa Hydrocarbonate, die einen Rückschluss auf Vegetationzustände ermöglichen könnten. Das Vorgehen ist, wenn auch mit technischen Schwierigkeiten verbunden, sehr simpel. In einer Vakuumkammer wird das Eis langsam zerrieben. Das entweichende Gas wird aufgefangen und kann dann analysiert werden.

Komplett neu für mich war, wie man aus dem Eiskern auf den Temperaturverlauf schließen kann. Der relative Verlauf lässt sich sehr gut aus Isotopenverhältnissen bestimmen, da schwereres H2O schneller aus der Atmosphäre ausfällt, abhängig von der Temperatur. Die Amplitude kann man erstaunlicherweise direkt aus dem Eis messen: Das Eisschild isoliert so gut, dass Temperaturschwankungen an der Oberfläche buchstäblich eingefroren werden. Dazu kennt man die Temperatur an der Grenze zwischen Fels und Eis sehr gut. Auf Grund der warmen Erde herrschen dort etwa 0°C und es existiert flüssiges Wasser. Mit recht simplen Diffusionmodellen kann man nun, die Isotopenkurve als Input, die Amplitude als Parameter bestimmen, wenn man die vertikale Temperaturverteilung im Eis kennt.

Das gesamte Bohrteam hat vor wenigen Tagen den Pol verlassen. Viele von ihnen werde ich aber im November wieder sehen, wenn sie ihre Arbeit fortführen werden.

One of the scientific projects during the summer here at the Pole was the “South Pole Ice Core” (SPICECORE). It will be the first core drilled in east Antarctica by the US. Activities so far were concentrating on the west Antarctic plateau, i.e. Wais-devide. The goal is to get to a depth of 1500 meters, which -taking the snow accumulation here at the Pole – corresponds to an age of 40,000 years. This summer the planned depth of 700 meters was reached and 10,000 year old ice was brought to the surface.

The drill works its way down with a speed of 1mm per second. Every 2 meters the drill-head is id filled with a new core, which is then pulled up to the surface with around 1 meter per second. The drill-head has claws at the bottom, which, when pulling up the winch, grab onto the core so that it can be torn of from the ice below. After they arrived at the surface the cores are ejected from the drill-head, carefully measured, labeled and packed.

The cores are transported while being cooled and end up in Denver, where the US have their ice core archive. Due to the extreme cold the ice here at the pole is particularly clear and pure, which makes it perfect for gas analysis. In addition to the mandatory CO2 people are looking for trace gases in particular – i.e. hydro carbonates that might be used to infer on the state of the vegetation. The procedure is, although facing technical difficulties, pretty straight forward. In a vacuum chamber the ice is slowly ground. The emerging gas is captured and can then be analyzed.

A completely new fact for me was how one can infer the temperature evolution from the ice core. The relative evolution can be determined very well by the ratio of isotopes, since heavy H2O will fall out of the atmosphere much quicker, depending on the temperature. Surprisingly, the amplitude can be measured directly in the ice: The ice shield is isolating so well, that temperature variations on the surface are literally frozen in. Moreover the temperature at the interface of ice and bed rock is pretty well known. Due to the warm earth the temperature down there is around 0°C and liquid water exists. With a rather simple diffusion model one can, taking the curve from the isotope method as an input, determine the amplitude as a parameter if the vertical distribution of temperature in the ice is known.

All of the drill team left Pole a couple of days ago. I’ll see many of them again in November, when they will continue their work.

Polmarker Zeremonie

Wie bereits in einem früheren Post erwähnt, wird jedes Jahr der neue Polmarker an den neuen Standort des geographischen Pols auf dem Eis gesetzt. Nach einem unspektakulären Silvester war es am 02.Januar dann so weit. In einer sehr amerikanischen Prozedur wurde die Flagge vom alten zum neuen Pol gereicht und der Marker enthüllt.

As mentioned in a previous post the new Pole marker is placed every year at the new position of the Geographic Pole on the ice. After an unspectacular New Years Eve on January 2nd it was time. In a very American procedure the flag was handed from the old to the new Pole and the new marker was revealed.

Ice Cube Lab

Hier nun endlich einmal ein kleiner Einblick in das Ice Cube Lab (ICL) – das Gebäude in dem ich normalerweise nicht arbeite, aber immer aufsuchen muss, wenn etwas physisch kaputt geht.

Das Erdgeschoss ist durchaus langweilig, so dass man nach dem Treppensteigen zunächst in den Kontrollraum gelangt. Dieser ist ganz einfach mit vier Arbeitsplatzrechnern ausgestattet, von denen aus der Detektor gesteuert werden kann. Bevor man durch eine der beiden Türen den Serverraum betritt, sollte man zunächst einen anti-statik Laborkittel überwerfen um Entladungen in Richtung Rechnerinfrastruktur zu vermeiden. Wenn man das Licht zunächst nicht anschaltet, ist der Raum vom Blinken der Rechner erleuchtet, insbesondere der sogenannten DOMHubs. Diese sind direkt mit den DOMs (digital optical module) im Eis verbunden und beziehen ihre Daten über ein nicht gerade überschaubares Patchpanel. Jedes der roten Kabel trägt Daten von vier DOMs, womit es also 1371 Kabel geben müsste – ich habe aber nicht nachgezählt. Je 15 von ihnen Enden in einem DOMHub, womit ein solcher genau einen String des Detektors repräsentiert.

Zusammen mit den IceTop DOMHubs macht das 97 Hubs, die sich auf 12 Racks verteilen. Im Gegensatz dazu ist die restliche Infrastruktur sehr überschaubar in 5 weiteren Racks verstaut. Für die Datennahme und Archivierung sind etwa 10 Server verantwortlich. Die Onlinefilterung und Kalibrierung übernehmen etwa 30 weitere Maschinen.

Alle Racks im ICL sind mit USVs ausgestattet, um Stromschwankungen und kurze Stromausfälle zu überbrücken. Die Server können damit durchaus mehr als eine Stunde versorgt werden. Da aber alle ~5400 DOMs ebenfalls aus dem ICL mit Strom versorgt werden, halten die Hub-Racks nur ein paar Minuten durch. Längere Stromausfälle verursachen also zum einen Lücken in der Datennahme, führen aber auch zu unterkühlten DOMs. Wenn dieser Zustand zu lange anhält, steigt die Gefahr, dass DOMs verloren gehen. Zum Glück zeigte sich unser kleines Kraftwerk bisher recht zuverlässig.

Here is – eventually – a small glimpse into the Ice Cube Lab (ICL) – the building I’m usually not working in, but that I have to go to in case something breaks physically.

The ground floor is quite boring, so the first thing to see after climbing the stairs is the control room. It is simply equipped with four workstations, that can be used to operate the detector. Before passing through one of the two doors to the server room, one should take an EST jacket in order to prevent static going towards the It-infrastructure. If you keep the light off for a moment, the room is illuminated by the blinking of the servers, especially by the so called DOMHubs. Those are directly connected to the DOMs (digital optical module) in the ice and receive there data via a not very small patch panel. Every single one of the red cables carries the data of four DOMs, which would lead to a number of 1371 cables – however, I did not count them. Every DOMHub is connected with 15 cables, so that each of them represents one string of the detector.

Together with the IceTop DOMHubs this adds up to 97 Hubs, that are distributed over 12 racks. In contrast to that the rest of the infrastructure is pretty small and fits into 5 additional racks. For data acquisition and archiving there are 10 servers. Online filtering and calibration is done by some 30 additional machines.

All racks in ICL contain UPSes that are able to compensate for fluctuations in the power grid and small power outages. The servers are able to run on a UPS for several hours. Since all of the ~5400 DOMs are powered from the DOMHub racks as well, those UPSes will only last for a few minutes. Power outages that last for longer hence will cause gaps in data taking, but might also lead to DOMs cooling down. If this goes on for to long the risk increases that DOMs will be lost forever. Luckily our small power plant was quite reliable so far.

Weihnachten

Das Weihnachtsessen war durchaus vergleichbar mit den Thanksgiving Festivitäten. Diesmal habe ich aber daran gedacht meinen gefüllten Teller abzulichten.

Vor der Station haben Menschen bewiesen, dass man auch mit dem was man hier so findet, einen künstlerisch wertvollen Weihnachtsbaum kreieren kann.

The Christmas meal was quite comparable to the Thanksgiving festivities. This time I remembered to take a picture of my filled plate.

In front of the station people proofed, that even with the things one can find on station, it is possible to craft an artistic Christmas tree.

Pol-Dinner

Anfang Dezember hatte Martin, einer der IceCuber der Sommersaison, die brillante Idee am Pol zu speisen. Gesagt, getan. Das Menü bestand aus den Überbleibseln des Thanksgiving-Essens und einem neuseeländischen Weißwein. Dieser verdampfte jedoch allmählich und ließ das Weinglas langsam vereisen.
Weiterhin bleibt im Nachhinein festzuhalten, dass es keine gute Idee ist Metallbesteck zu verwenden, wenn man bei -30°C speist :D.

In early December Martin, one of the summer IceCubers, had the brilliant idea to have a meal at the pole. And so we did. The menu consisted of the leftovers of the Thanksgiving dinner and a white wine from New Zealand. The wine evaporated slowly and iced the glass.
Moreover it should be noted in retro perspective, that it is not a good idea to use metal utensils when it has -30°C.

Umgebung

Die Umgebung des Südpols ist durch eine endlos scheinende, weiße Ebene gezeichnet. Auf dieser befinden sich neben der Station selbst, zahlreiche weitere Gebäude.

Das für uns wichtigste Gebäude ist das IceCube Lab (ICL), in dem sich unser Rechenzentrum befindet. Es liegt nahezu im Zentrum des Quadratkilometers, unter dem sich der eigentliche Detektor befindet. Dieser Bereich ist gesäumt mit zahlreichen Flaggen, die die Positionen markieren, an denen unter dem Schnee die IceTop Stationen liegen und die Kabel in die Tiefe abzweigen. Generell werden alle Wege, Straßen und Objekte unter dem Schnee mit Flaggen gekennzeichnet. In Richtung Westen hören diese erst nach etwa drei Kilometern auf.

ICL befindet sich im sogenannten Dark Sector, in dem Emission von Licht (im Winter) und sonstiger elektromagnetischer Strahlung vermieden wird. In diesem Bereich befindet sich weiterhin das Dark Sector Lab (DSL), welches das South Pole Telescope (SPT) und BICEP3 beherbergt. Das dritte Experiment, dass sich für die Kosmische Hintergrundstrahlung (CMB) interessiert, ist Keck – eindeutig zu erkennen am großen, hölzernen Strahlungsschutz.

In Richtung Nordosten, im Clean Air Sector, befindet sich ARO. Dort untersuchen Leute von NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) die Tropos- und Stratosphäre über dem Südpol. Der Wind, der fast immer aus Norden (nun, aus Richtung Gitter Nord, also um die 0° geographischer Länge) weht, bringt die vermutlich sauberste Luft, die man auf diesem Planeten finden kann. Entsprechend wichtig sind die Untersuchungen von Treibhaus- und Spurengasen hier am Südpol. Zudem behält NOAA das immer noch vorhandene Ozonloch über der Antarktis im Auge.

Der Pol selbst ist zweigeteilt: Es gibt einen geographischen und einen zeremoniellen Pol. Ersterer ist durch eine Tafel und den Polmarker gekennzeichnet. Dieser wird jedes Jahr neu von den Überwinterern gestaltet und am 01. Januar an seine neue Position gebracht. Dies ist notwendig, da sich das Eis jedes Jahr um etwa 10 Meter bewegt und aus der Perspektive der Station der Pol um die selbe Distanz – in entgegengesetzte Richtung – wandert. Der zeremonielle Pol bleibt an seinem Platz auf dem Eis vor der Station. Er ist mit einer metallenen Kugel verziert und den Flaggen der ursprünglichen Unterzeichnerstaaten des Antarktisvertrags.

The surroundings of the South Pole are dominated by a seemingly endless, white, flat surface. In addition to the main, elevated station, there are a couple of other buildings on top of this surface.

The most important one for us is the IceCube Lab (ICL) that contains our computer infrastructure. It is positioned almost in the centre if the square-kilometre underneath which the actual detector is buried in the ice. This area is crowded with lots of flags, marking the positions of the IceTop tanks and the splitters for the cables leading into the depth. In general, all ways, roads and buried objects are marked by flags. Towards grid west, these flags reach out to about three kilometres.

ICL is situated in the so called dark sector, where emission of light (in the winter) as well as other electromagnetic radiation is minimised. Furthermore, this area contains the Dark Sector Lab (DSL), inhabiting the South Pole Telescope (SPT) and BiCEP3. The third experiment interested in the cosmic microwave background (CMB), is Keck – clearly recognisable by the large, wooden ground shield.

Towards the north, in the clean air sector, one finds ARO. There the NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) people research the tropos- and stratosphere above South Pole. The wind, that almost always blows from the north (well, grid north, i.e. from around 0° longitude), brings probably the cleanest air to be found on this planet. The more important is the analyses of green-house and trace-gases here at the pole. Moreover, NOAA keeps a regular look onto the ozone gap, that is still present here in Antarctica.

The pole itself is twofold: There is a geographic and a ceremonial pole. The first one is represented by a board and the pole marker. The marker is designed annually by the winterovers and put to its new place on January 1st. This is necessary due to the ice sheet moving about 10 meters every year. From the stations perspective the pole moves the same distance – in the opposite direction – over the ice. The ceremonial pole stays at its place on the ice in front of the station. It is decorated with a metallic sphere and the flags of the original signers of the Antarctic treaty.

Thanksgiving

Ich befinde mich auf einer US-Amerikanischen Station und somit war das erste Fest der Saison Thanksgiving. Hierzu wurde die Galley recht hübsch hergerichtet, die Fenster abgedunkelt und Kerzen erleuchteten den Raum. Ein auf Grund verständlicher Paranoia vor Feuer seltener Anblick.
Vor dem Dinner gab es einen kleinen Empfang mit ein paar schmackhaften Aperitifen auf dem Flur.

I’m on a US station and therefore the first celebration of the season was Thanksgiving. For this occasion the galley was set up quite prettily. The windows were covered and candles lit the room. A very rare appearance, due to the understandable paranoia for fire hazards.
Ahead of the dinner there was a small reception in the hallway with some tasty appetizers.

Die ersten Tage

Die ersten Tage auf der Station waren wir mit der Orientierung in der Station und der Erkundung aller Dinge, die es in der echten Welt so nicht gibt (oder zu denen man keinen Zugang hat). Ein highlight ist unbestritten die Ankunft unserer Transportmaschinen, der LC-130. Die bei der Kälte klar auszumachenden Kondensstreifen und die durch den Schnee gut zu erkennenden Wirbel an den Flügelenden sehen durchaus beeindruckend aus.

Neben der auf Stelzen stehenden Station gibt es drei unterirdische “Arches”, die unser Kraftwerk, die Lagerhallen und die Werkstatt beinhalten. Die Temperatur in den Arches wird vom umliegenden Firn bestimmt und ist sehr nahe an der jährlichen Durchschnittstemperatur von -50°C. Am beeindruckendsten ist neben der lang gestreckten Lagerhalle die riesigen Treibstofftanks, die etwa 1,6 Millionen Liter Kerosin beherbergen können. Allein durch das Trinken des geschmolzenen Wassers hier ist mein ökologischer Fußabdruck dieses Jahr also alles andere als berauschend.

Das einrichten meines Zimmers war auf Grund seiner Größe schnell erledigt. Letzte wichtige Station war das IceCubeLab (ICL), um das wir uns seit nunmehr zwei Monaten kümmern. Bilder aus dem Serverraum gibt es einem der nächsten Einträge.

The first days on station we used to orientate ourselves on station and to explore all the things that don’t exist in the real world (or are nor accessible in there). One highlight is undoubtedly the arrival of our transporters, the LC-130s. The, due to the cold, clearly visible contrails and the the well visible eddies of snow at the ends of the wings are quite amazing.

In addition to the elevated station there are three underground arches that inhabit our power plant, the logistic-arch and the heavy shop (or VMF). The temperature in the arches is set by the surrounding firn and is pretty close to the annual average of -50°C. Most impressing, next to the elongated storage hall, are the gigantic fuel tanks, that are able to hold 1.6 million liters of jet fuel. Simply by drinking the molten water down here, my CO2 footprint this year is already not that impressive.

Setting up my room was quite quick, for it is not that large. The last important stop during our tour was the IceCubeLab (ICL), which we have been taken care of for almost two months now. Pictures from the server room I’ll add to one of the next posts.

LC-130 Flug

Nach einem erfolglosen Versuch, der uns bis auf ein paar hundert Meter an den Pol brachte, dann aber auf Grund der schlechten Sicht abgebrochen wurde (ein sogenanntes boomeranging) ging es nach fünf Tagen in McMurdo endlich erfolgreich zum Pol. Die Wahl des Flugzeuges fiel hier auf die LC-130 – das USAP-Standardflugzeug für Transporte auf dem Kontinent und das größte Flugzeug, dass sich mit Skiern ausrüsten lässt.

Der Flug führte uns über das Transantarktische Gebirge. Die Blicke auf selbiges waren einfach überwältigend und surreal. Trotzdem möchte ich den doch sehr ungemütlichen Flug nicht unnötig wiederholen. Am Pol angekommen ging es zu Fuß die wenigen Meter vom “flight deck” bis zum Fronteingang (destination alpha) der Station.

After a failed attempt, that brought us down just a few hundred meters above Pole, but being aborted due to insufficient visibility (a so called boomeranging) we finally made our way to the Pole after five days in McMurdo. The airplane of choice was the LC-130, the standard USAP plane for transports on the continent and the biggest aircraft that can be equipped with skies.

The flight went across the Transantarctic Mountains. The views onto them were simply overwhelming and surreal. Nevertheless I wouldn’t repeat the quite uncomfortable flight unnecessary often. After we arrived at the Pole we walked the few meters from the “flight deck” to the station front door (destination alpha).