Forschung

NOAA Ozon Ballons

Die National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) nimmt weltweit Messungen der Ozonschicht vor, um das sogenannte Ozonloch zu überwachen. Insbesondere in der Antarktis sind diese Messungen wichtig, da hier die Ozonschicht jedes Jahr im Frühling besonders in Mitleidenschaft gezogen wird. Dies geschieht, wenn das erste Sonnenlicht auf die sogenannten polaren Stratosphärenwolken trifft. In der Dunkelheit und extremen kälte des polaren Winters bilden sich diese nitrathaltigen Wolken, die in Verbindung mit UV-Licht die Zerstörung von Ozon katalysieren. Ein Luftmassenaustausch wird im Winter durch den antarktischen Zirkumpolarstrom unterbunden (wikipedia).

Neben Dobson Messungen mit Mondlicht wird auch alle zwei Wochen ein Messballon gestartet. Dieser steigt durch die Stratosphäre bis zu 35km auf und misst den Verlauf der Ozonkonzentration. Im September werden dann mehrmals pro Woche Messungen vorgenommen.

The National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) takes measurements of the ozone layer world wide to monitor the so called ozone whole. Especially in Antarctica those measurements are important, since the ozone layer is strongly depleted every spring here. This happens, when sunlight hits the so called polar stratospheric clouds. Those chlorine rich clouds, which combined with UV-light are catalysing the destruction of ozone, form in the darkness and cold of the polar winter. An exchange of air masses is prevented in the winter by the Antarctic Circumpolar Current (wikipedia).

In addition to Dobson measurements with the moon light, balloon measurements are done every two weeks. The balloon rises through the stratosphere up to 35 km and measures the distribution of the ozone concentration. Later in September measurements are done a few times per week.

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.

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.