Auroras II

Im Mai gab es mindestens ein sehr helles Auroa Ereignis und dazu viele klare “Nächte” für Himmelsbilder. Die Station erstrahlt derweil in rotem Licht. Dies ist nötig um die extrem sensiblen Sensoren der Kameras auf dem Dach der Station nicht zu zerstören, die zur wissenschaftlichen Beobachtung der Auroras dienen.

In May there was at least one very bright display of Auroras and many clear “nights” for sky pictures. Meanwhile, the station is gleaming in red light. This is necessary to prevent the extreme sensible sensors of the cameras on top of the station from damage. Those cameras are used for research on Auroras.

Auroras I

Die ersten mehr oder weniger gelungenen Aurora Bilder.

The first more or less successful Aurora pictures.

Aurora Zeitraffer mit Blick von der Station zum Dark Sector.


Aurora timelapse looking from the station to the Dark Sector.

Die gleiche Perspektive, aber mit deutlich helleren Auroras.


The same view, but much brighter Auroras.

Yukimarimos

Eine neben den Auroras weitere Naturerscheinung, die es nur in den Polarregionen gibt sind die sogenannten Yukimarimos. Dabei handelt es sich um Bälle aus Eiskristallen, die sich unter sehr spezifischen Bedingungen bilden können und etwa die Größe eines Tennisballs erreichen.

Yukimarimos entstehen bei schnellen Wetterwechseln und sehr niedrigen Temperaturen. Bewegt ein Sturm-Hoch feuchtere Luft über das antarktische Plateau, bildet sich bei anschließender schneller Abkühlung Reif. Am Südpol ist dies jedoch nur während der Zeiten von Sonnenauf- und Untergang der Fall. Weht zudem ein mäßiger Wind wird dieser Reif langsam über das Plateau geweht. Auf Grund elektrostatischer Anziehung zwischen den gebildeten Kristallen Klumpen einzelne Kristalle zusammen und es kommt zu einem Schneeballeffekt, der größere Yukimarimos erzeugt.

Da es sich um eine sehr schwache Bindung handelt, bleibt die Dichte der Yukimarimos sehr klein. Sie sind nahezu transparent und wiegen nur wenige Gramm.

In addition to Auroras, another natural phenomena only present in the Arctic regions are the so called Yukimarimos. They are balls made out of ice crystals that are formed under very specific conditions and that can reach the size of a tennis ball.

Yukimarimos are created during fast changes of weather and very low temperatures. If a high pressure system is moving air that is more moist over the Antarctic plateau, hoarfrost is created if the temperature falls rapidly afterwards. At the South Pole this is only the case during the times of sunrise and sunset. If a moderate wind is going the hoarfrost crystals fall apart and are transported across the plateau. Due to electro static attraction between the ice crystals, they clump together and can form Yukimarimops with increasing size.

Since the binding of the crystals is rather weak, the density of the Yukimarimos is very small. They are almost transparent and weigh only a few grams.

Sunset timelpases

Endlich bin ich dazu gekommen mich um die Zeitrafferaufnahmen, die ich kurz vor Sonnenuntergang gemacht habe, zu kümmern:

 

 

 

Eventually I found time to take care of the timelapses that I took just before sunset.

Sunset

Der offizielle Sonnenuntergang am Südpol ist der Nord-Frühlingsanfang, der 21.März. Allerdings ist die Zeit um dieses Datum herum mit nichts vergleichbar, was man in der “echten” Welt erleben kann. Ein Sonnenuntergang im extremen Zeitlupe.

Durch die Brechung des Sonnenlichts in der Atmosphäre erscheint in gemäßigten Breiten die Sonne am Horizont etwa einen Durchmesser höher, als sie eigentlich steht. Normalerweise bekommen wir davon nichts mit, da wir zum einen die exakte Zeit des Sonnenuntergangs meistens nicht kennen, zum anderen die Verzögerung nur etwa eine Minute beträgt. Hier am Pol kann diese Verzögerung mehrere Tage betragen. Phänomene wie etwa der sogenannte grüne Blitz der normalerweise nur einen Bruchteil einer Sekunde dauert, kann hier mehrere Stunden anhalten. Interessanterweise ist die Stärke der Brechung hier vergleichbar mit der im Norden, da sich die Effekte des geringeren Drucks und der geringeren Temperaturen – zusammen mit der starken Schichtung der Atmosphäre über der Antarktis – fast exakt aufheben. Am Samstag stand die Sonne also noch deutlich über dem Horizont, als wir unser Sunset-Dinner genossen.

Die exakte Zeit des Sonnenuntergangs ist somit auch unmöglich vorherzusagen. Es kann sogar passieren, dass an einem warmen Tag, wenn die Sonne an einem überhöhten Teil des Horizonts steht, die Sonne untergeht und 12 Stunden später, wenn es kälter ist, wieder an einem flachen Teil des Horizonts hervor kommt. So ist das letzte Photo, aufgenommen eine Woche nach dem offiziellen Sonnenuntergang, entstanden, nachdem die Sonne eigentlich schon zwei Tage lang verschwunden war.

The official sunset at the South Pole is the northern beginning of spring, March 21st. However, the time around this date here can’t be compared with anything that can be experienced in the “real” world. A sunset in extreme slow motion.

In normal latitudes due to the refraction of sunlight in the atmosphere the sun appears about one diameter higher above the horizon, when it is close to it. Usually we won’t notice this, since on the one hand we usually don’t know the exact time of the sunset and on the other hand the delay is usually only about a minute long. Here at the Pole this delay can be several days. Phenomena like the so called green flash that usually only lasts a split second, can last several hours here. Interestingly, the strength of the refraction over Antarctica is similar to that in the north, since the effects of less pressure and lower temperatures – together with the strong layering of the atmosphere – cancel each other out almost exactly. Hence on Saturday the sun was still well above the horizon, when we enjoyed our sunset dinner.

The exact time of the sunset therefore is impossible to predict. It can even happen, that on a warm day, if the sun is on an elevated part of the horizon, it can sink and 12 hours later, if it got colder and if it is now on a lower part of the horizon, can reappear. In this way the last photo, taken one week after the official sunset, was shot after the sun already had disappeared for two days.

Spaziergänge

Ein paar Bilder von den letzten Spaziergängen vor dem (mittlerweile stattgefundenen) Sonnenuntergang und den damit verbundenen Veränderungen.

Die Station warf immer längere Schatten, ebenso wie alle anderen Gebäude, etwa MAPO. Auf dessen Dach ist mittlerweile eindeutig zu erkennen, das Robert Schwarz (der, zusammen mit John Booth, Rekordhalter für Überwinterungen am Pol) wieder am Pol ist.
Das Licht wurde stetig wärmer, aber auch schwächer. Um auch im dunkeln unsere Wege, insbesondere zu den Laboren im Dark Sector zu finden, wurden die Flaggenlinien vervollständigt. Der zeremonielle Pol wurde schließlich Anfang dieser Woche abgebaut und bleibt bis Sonnenaufgang in der Station verstaut.

A few pictures of the last walks before sunset (that has happened by now) and all the associatet changes.

The station’s shadow grew larger and larger, as well as those of the other buildings, e.g. MAPO. On its roof it is obvious by now, that Roert Schwarz (who is, together with John Booth, record holder for the most winters at pole) is back at the pole.
The light became warmer steadily, but also weaker. In order to find our paths in the dark, especially towards the labs in the Dark Sector, the flag lines were completed. The ceremonial Pole was removed eventually at the beginning of this week and will be kept inside the station until sunrise.

Kamera Helferlein

Bereits im August hat uns unser Chef in Madison gesagt, dass die Menschen hier am Südpol schnell kreativ werden. Hauptsächlich wird nach Wegen gesucht mit der Kälte zurecht zu kommen. Neben dem leiblichen Wohl gilt die Sorge häufig der Technik: Bei -60°C hält der Akku einer Kamera nur etwa 15 Minuten und wenig später friert der Verschluss einfach ein. Will man also Langzeit-Belichtungen oder Zeitraffer-Aufnahmen machen, muss man ein bisschen was dafür tun.

Zum einen gibt es für meine spiegellose Kamera keine externe Stromversorgung. Also habe ich mir eine Gebaut. Da der Signal-Kontakt der Akkus von der Kamera anscheinend nicht genutzt wird hat ein Netzteil mit variabler Spannung, ein Stück Holz in der Form des eigentlichen Akkus und ein paar Kontakte ausgereicht. Solange die Mechanik der Kamera nicht einfriert, lässt sich somit etwa auf dem Dach des ICL beliebig lange auskommen.

Wenn es in Richtung -80°C geht und man auch abseits von Stromquellen photographieren möchte, bleibt einem nichts anderes übrig als seine Kamera warm einzupacken. Angelehnt an bereits existierende Modelle habe ich aus Holz und Isoliermaterial eine Box gebaut die meine Kameras und zwei 1-Liter Flaschen mit heißem Wasser beherbergen kann. Zudem lässt sich das ganze auf meinem Stativ montieren. Nach den ersten Erfahrungen wird die Konstruktion sicher noch verbessert werden, aber fürs erste funktioniert es ganz gut.

Already in early August our boss in Madison told us that people here at the Pole quickly get creative. Mainly people look for ways to manage the cold. In addition to the physical well-being concerns point to technology: At -60°C a camera battery lasts only 15 minutes and shortly after the shutter will simply freeze. If one wants to do long time exposures or time-lapse photography, one has to do something for it.

One problem was, that there is no external power supply for my mirror-less camera. So I built one. Since the signal contact of the battery apparently is not used by the camera a power supply with variable voltage, a piece of wood in the form of the actual battery and a few contacts were sufficient. In this way, as long as the mechanical parts of the camera do not freeze, the camera can, i.e. on the rooftop of ICL, last arbitrary long.

If it goes towards -80°C and one wants to take photos also far away from power sources, there is no way around wrapping up ones camera warmly. Following already existing models from previous winters I built a box out of wood an insulating material that can contain my cameras and two 1-liter bottles, filled with hot water. Furthermore the whole construction can be mounted on my tripod. After the first experience the design will surely be improved, but for now it works quite well.

Station closing

Der letzte reguläre Flug (es gab noch 2 Twinotterflüge im Anschluss) der Sommersaison fand am 16.Februar statt. Mit den Feuerwehrleuten und dem Cargo-Personal als Passagiere, musste sich das Winterteam um alles kümmern. Traditionell macht das letzte Flugzeug eine große Runde über die Station und “winkt” einmal mit den Flügeln. Das Wetter war fabelhaft und so konnten wir den entstandenen Kondensstreifen bewundern.

The last regular flight (there were two more Twinotter flights after that) of the summer season took place on February 16th. With the fire fighters and cargo people as passengers, the winter team had to take care of everything. Traditionally the last plane makes a loop over the stations and waves with the wings. The weather was fabulous so we were able to admire the created contrail.

FAQ I

Hier eine erste kurze Übersicht zu Fragen, die ich häufig in E-Mails gestellt bekomme:

– Welche Zeit wird am Südpol verwendet?
Am geographischen Südpol laufen natürlicher Weise alle Zeitzonen zusammen, was die Wahl der lokalen Zeit arbiträr werden lässt. Die Wahl viel auf die Neuseeländische Zeit, da – zumindest im Sommer – die ankommenden Flugzeuge aus McMurdo kommen, wo Neuseeländische Zeit herrscht. Dies vereinfacht die Verwaltung der Flugpläne und verhindert nächtlichen Fluglärm hier am Pol. McMurdo wiederum hat diese Zeit, da es sich tatsächlich in dieser Zeitzone befindet. Die Station liegt an der antarktischen Küste, fast genau südlich von Neuseeland. Zudem kommen auch die Versorgungsflüge in Richtung McMurdo aus Christchurch in Neuseeland.

– Welche Tiere kann man sehen/habe ich schon gesehen?
Am Südpol selbst gibt es keinerlei Fauna. Das einzige Tier, das jemals hier gesehen wurde, war ein Skua – ein Möwen ähnliches Tier, das eigentlich an der Küste lebt. Vermutlich ist es den Flugzeugen gefolgt und so zum Pol gelangt. Leider ist es hier dann erfroren.
Die einzige Möglichkeit bietet sich also in McMurdo. Das Wildleben dort ist allerdings extrem abhängig von der Saison. Prinzipiell sieht man Tiere nur in den Sommermonaten, also etwa von Oktober bis März. Als ich im November dort war, gab es in der Umgebung der Station nur vereinzelte Robben. Im “Hochsommer”, wenn das Eis aufbricht, sieht man zudem Pinguine und Wale. Dieser Anblick wird mir aber vermutlich nicht vergönnt sein, wenn ich Mitte November meine Rückreise antrete. Kaiserpinguine und große Kolonien sieht man ohnehin nur mit sehr viel Glück, oder wenn man die Erlaubnis hat eine der Kolonien zu besuchen. Dies ist, meiner Erfahrung nach, aber nur Wissenschaftlern, gut zahlenden Touristen und Politikern gestattet ;).

-Kannst du jeden Tag Skifahren?
Die kurze Antwort: Im Prinzip schon. Allerdings nur eingeschränkt: Wir liegen zwar auf 3000 Metern Höhe, aber die Umgebung des Südpols ist vollkommen flach. Wenn überhaupt, ist also nur Langlauf möglich. Allerdings handelt es sich – auf Grund der Schneebeschaffenheit – um ein völlig anderes Gefühl. Zum einen machen die tiefen Temperaturen und die Trockenheit den Schnee extrem stumpf. Hinzu kommt, dass hier am Pol eigentlich nie Schnee fällt. Er wird zu 99% angeweht, was die Kristalle zerstört und eher kleine Kügelchen kreiert. Es fühlt sich also ein bisschen so an, als würde man auf Sandpapier laufen.
In den ersten Wochen habe ich versucht ein wenig zu skaten, bin aber konditionell gescheitert. Auch jetzt, nach etlichen Wochen der Akklimatisierung, halte ich höchstens 100 Meter durch, bevor ich eine Pause einlegen muss. Der einzige Vorteil bietet sich abseits der verdichteten Straßen und Wege, wo man mit Skiern weniger einsinkt und dadurch schneller als zu Fuß ist. Auf meinen üblichen Wegen, etwa zum ICL, bin ich ohne Skier – bei gleichen Anstrengung – deutlich schneller.

-Wie viele Menschen leben am Südpol?
Die Zahl schwankt stark zwischen der Sommer und Wintersaison. Diesen Winter sind wir 45 Polies – etwas mehr als im Durchschnitt. Mit den ersten beiden Flügen Anfang November wird sich diese Zahl innerhalb von 1-2 Tagen mehr als verdoppeln. Zum Höhepunkt der diesjährigen Sommersaison im Januar waren 165 Personen auf der Station. Mit dem letzten Flug Anfang Februar sind die letzten 30 Sommerbewohner abgereist.

Here is a first short overview of questions that I’m asked frequently in e-mails:

– Which time zone is used at the South Pole?
At the geographic South Pole naturally all time zones meet, so that the choice of the local time is somewhat arbitrary. The time zone of choice was the New Zealand time, since – at least in the summer – the arriving planes are coming from McMurdo, which uses New Zealand time. This makes managing of the flights much easier and also avoids aircraft noise during the night here at the pole. McMurdo in turn has this time zone, since it actually lies in this zone. The station is situated on the Antarctic shore, almost exactly south of New Zealand. In addition, supply flights to McMurdo depart from Christchurch in New Zealand.

– Which animals can one see/did I see yet?
At the South Pole itself there is no fauna at all. The only animal that was ever seen here was a Skua – a bird similar to a sea-gul, that usually lives at the coast. Apparently it followed the planes and in that way reached the Pole. Unfortunately it froze to death pretty quickly. The only possibility for us is therefore McMurdo. The wildlife there is, however, extremely dependent on the season. In principal one can only watch animals in the summer months, so between October and March. When I was there in November, there were only a few seals in the neighbourhood of the station. During “high season”, when the sea-ice melts, one can in addition watch pinguins and wales. However, I probably won’t be able to enjoy this sight, when I’ll return in mid November. Emperor penguins and large colonies can only be spotted with a lot of luck, or a permit to visit one of those colonies. This is, in my experience, only possible for scientists, well paying tourist or politicians ;).

– Can you go skiing every day?
Short answer: Principally yes. However, it is limited: We live at an altitude of 3000 meters, but the surrounding of the Pole is completely flat. If, at all, only cross country skiing is possible. It is however, due to the structure of the snow, a completely different feeling. One the one hand, the low temperatures and the dryness make the snow extremely blunt. An additional factor is, that here at pole there is basically no snowfall. 99% gets drifted towards here, which is destroying the crystals and creates small spheres. So it feels a bit like skiing on sandpaper.
During the first weeks I tried skating a bit, but was not fit enough. Even now, after several months of acclimatising, I’m barely able to skate for a hundred meters, before I have to pause. The only advantage is off the compacted roads and paths, were skies won’t sink in as far. This way one can be faster than by foot. On my usual commutes, for example towards ICL I’m much faster without skies and similar effort.

– How many people do live at the South Pole?
The number changes a lot between summer and winter season. This winter we are 45 polies – slightly more than average. With the first two flights in early November this number will more than double within 1-2 days. During the peak of this years summer season in January there were 165 people on station. The last 30 summer people left with the last plane in the beginning of February.

Halos

In dieser Woche hatten wir die Chance einen extrem schönen Halo zu bewundern. Grund genug ein wenig darüber zu lesen und einen Blog-Eintrag zu schreiben. Halos sind bei weitem nicht auf die arktischen Regionen begrenzt, auch wenn sie hier deutlich häufiger auftreten. Das Buch dem ich die meisten meiner Informationen entnommen habe (“Atmospheric Halos” by Walter Tape; American Geophysical Union, Washington D.C., 1994) behauptet, dass etwa in Wisconsin die Nebensonnen an 60 Tagen des Jahres beobachtbar sind – wir schauen nur nie nach oben. Tatsächlich habe ich in meiner Zeit in Süddeutschland nur einmal einen Halo mit Zirkumzenitalbogen gesehen – beim Beachvolleyballspielen, wo man doch häufig nach oben schaut.

Halos entstehen, ähnlich wie Regenbögen, durch Spiegelung und Brechung an Wasser – hier jedoch gefrorenem. Auf Grund der größeren Komplexität von Eiskristallen im Vergleich zu Wassertropfen, entstehen entsprechend komplexere Formen am Himmel. Eiskristalle sind hexagonal (Ich bin nicht 100%ig sicher, aber ich vermute stark auf Grund des charakteristischen Winkels zwischen den H-Atomen im Wassermolekül.) und entweder flache Plättchen oder Stäbe. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Ausrichtung der Kristalle in der Luft in Bezug auf die Linie zwischen Sonne und Beobachter. Bei schwachem Wind scheinen sich die meisten Kristalle horizontal auszurichten. Die Art der Kristalle kann man durch sammeln und betrachten unter einem Mikroskop bestimmen.

Mit diesen Informationen ist es möglich Montecarlo-Simulationen des Strahlengangs durchzuführen. Hierdurch ist es möglich die einzelnen Komponenten des Halos zu erklären:

  • Die Nebensonnen entstehen durch zweifache Brechung an verschiedenen Seiten eine Hexagons. Dabei kann es sich sowohl um Plättchen als auch Stäbe handeln, deren Hauptachse senkrecht zur Erdoberfläche steht. Der charakteristische Brechungswinkel liegt bei etwa 22°, weshalb sie sich am Rand des sogenannten 22° Halos befinden. Da es sich um zwei Brechungen, die sich nicht aufheben, handelt, kommt es zu einer Farbaufspaltung.
  • Der Zirkumzenitalbogen entsteht durch die gleichen Kristalle und ebenfalls durch eine Zweifachbrechung. Hier erfolgt eine Brechung jedoch auf der Deckfläche des Kristalls und die andere an einer der Seitenflächen. Daher kommt es zu einer Brechung in Richtung Boden, weshalb der Bogen oberhalb der Sonne erscheint.
  • Der Horizontalkreis kann sich über die vollen 360° erstrecken und befindet sich auf der Höhe der Sonne. Er entsteht durch Reflexion an der Außenseite der Kristalle oder einer Totalreflexion im inneren, mit vorausgegangener sowie folgender Brechung. In jedem Fall erfolgt keine effektive Brechung, weshalb dieser Bogen Weiß ist. Der Einfallswinkel beim Beobachter und damit die scheinbare Höhe bleiben ebenfalls unverändert.
  • Der Tangentialbogen, direkt oberhalb des 22° Halos, entsteht durch Stäbe, deren Hauptachse horizontal ausgerichtet ist. Ansonsten ist das Prinzip das gleiche wie bei den Nebensonnen. Lediglich die Ablenkung erfolgt, auf Grund der um 90° gedrehten Hauptachse, in Richtung Boden.
  • Das entstehen der beiden Ring-Halos ist etwas subtiler. Der 22°-Ring entsteht offensichtlich auf ähnliche Weise wie die Nebensonnen und der Tangentialbogen. Jedoch benötigt man zufällig ausgerichtete Kristalle um den Kreis zu erzeugen. Ist dies der Fall, entsteht ein weiterer Ring bei 46°. Je stärker die horizontale Ausrichtung dominiert, desto stärker verformt sich der Bogen in sogenannte Supralaterale- und Infralaterale Bögen. Diese unterscheiden sich nur sehr schwach von einem perfekten Kreis. Leider ist der zweite Ring unterhalb des Horizontalbogens in den Aufnahmen mit dem Fischauge sehr schwach, so dass eine Unterscheidung hier nicht möglich ist. Auf Grund des deutlich zu erkennenden Tangentialbogens muss jedoch ein gewisser Anteil der Stabkristalle horizontal ausgerichtet gewesen sein.

Weiterhin gibt es zahlreiche weitere Formen, die auf Grund von mehrfacher Reflexion in den Kristallen entstehen können. Diese sind jedoch meist zu schwach um gesehen zu werden.

This week we had the chance to admire an extremely beautiful Halo. Reason enough to read a little bit about it and to write a blog entry. Halos are by far not constricted to the arctic regions, although they appear much more frequent here. The book I took most my Info from (“Atmospheric Halos” by Walter Tape; American Geophysical Union, Washington D.C., 1994) claims that, e.g. in Wisconsin, the parhelia are visible 60 days a year – we just never look up. Actually I only once saw a Halo with a circumzenith arc in southern Germany – while playing Beachvolleyball, indeed looking up quite often.

Halos are created, similar to rainbows, by reflection and refraction on water – here however frozen. Due to the higher complexity of ice-crystals in contrast to water drops, accordingly more complex displays are created in the sky. Ice crystals are hexagonal (I’m not a 100% sure, but I strongly suspect that it is due to the characteristic angle between the H-atoms of the water molecule.) and either form flat plates or columns. Another important aspect is the orientation of the crystals in the air with respect to the line of site between the sun and the observer. In calm winds it seems that most crystals align horizontally. The type of crystals can be determined by collecting them and observing them through a telescope.

With these information it is possible to do Monte-Carlo-Simulations of ray traces. In this way it is possible to explain the different components of a Halo:

  • The parhelia are created by a double refraction on different sides of the hexagons. Those can be both plates and columns, as long as their principal axis is perpendicular to the earths surface. The characteristic refraction angle is around 22°. That is why the parhelia are situated at the edge of the 22° halo. Since there are two refractions involved that do not cancel each other out, there is a colour dispersion.
  • The circumzenith arc is created by the same crystals and also by a double refraction. Here however, one of the refractions happens on the top surface and the other on one of the six sides. Therefore the light is refracted towards the ground and hence the arc appears above the sun.
  • The parhelic circle can extend to the full 360° and is positioned at the same altitude as the sun. It is created by reflection on the outside of the crystals or a total internal reflection, pre- and proceeded by a refraction. In any case no effective refraction happens, hence a white arc appears. The angle under which the observer sees the light and therefore the apparent position on the sky is also unaltered.
  • The tangent arc, directly above the 22° Halo, is created by columns, whose principal axis is aligned horizontally. Otherwise the ides is the same as for the parhelia. Only the direction of refraction, due to the 90° rotated orientation, is now towards the ground.
  • The reasons for the two ring-halos is a bit more subtle. The 22° ring apparently is created in a similar fashion as the parhelia and the tangent arc. However, randomly orientated crystals are needed to create a circle. If this is the case, a second circle at 46° appears. The more the horizontal alignment dominates, the more this circle deforms into so called supralateral and infralateral arcs. Those are deviating from a perfect circle only very weekly. Unfortunately the second circle below the parhelic circle is rather faint in the shot taken with the fish eye and therefore a distinction is not possible here. Because of the clearly visible tangent arc however, there must have been a certain ratio of aligned column crystals.

Moreover there are numerous additional forms that can be created by multiple reflections in the crystal. However, they are usual too faint to be observed.

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