Pol

Aurora timelapses

Nun da sich mit zunehmender Helligkeit die Aurora-Zeit almählich dem Ende zuneigt, hier ein paar ausgewählte Zeitrafferaufnahmen, die über den Winter entstanden sind.

Now that with increasing brightness the aurora season is coming to an end, here some selected timelapses that were made during the winter.

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.

Traverse

Neben den LC-130, die auch Treibstoff hier entladen, wird der größte Teil auf dem Landweg an den Pol gebracht. Dieses Jahr hatten wir drei sogenannte Traverses, die jeweils 100.000 Gallonen, also etwa 400.000 Liter transportiert haben. Die Reise dauert etwa 3 Wochen und führt von McMurdo über das Ross Eisschelf in das Transantarktische Gebirge und dann über das Plateau zum Pol.

Die erste Traverse (SPOT-1) braucht jedoch fünf Wochen, da es einen Weg um die Spalten finden muss, die sich unter der Neuschneeschicht verbergen. Dazu führen sie ein Bodenradar mit. Ebenso an Bord ist ein Glaciologe, der im Zweifelsfall Spalten mit Sprengstoff kollabieren lassen kann. Ist die Route danach etabliert und per GPS festgehalten, können die folgenden beiden Touren gefahrlos und zügig voran kommen.

In addition to the LC-130, that also unload fuel here, the majority of the fuel is transported over land to the Pole. This year there were three so called traverses that each brought 100,000 gallons, so 400,000 liters. The journey takes about three weeks and leads from McMurdo over the Ross ice shelf, into the Transantarctic Mountains and then over the plateau to the Pole.

The first traverse (SPOT-1) however takes five weeks, since it has to deal with crevasses that are burried under the new snow layer. For this purpose they have a ground penetrating radar. Also on board is a glaciologist who can, if in doubt, blow up crevassas. The route is then established and recorded via GPS so that the next two tours can be completed quickly and safely.

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.

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.