Station

Dämmerung

Auch wenn der Sonnenaufgang erst in etwa zwei Wochen stattfinden wird, befinden wir uns schon seit ein paar Tagen in der nautischen Dämmerung. Der Horizont in Richtung Sonne ist entsprechend deutlich zu erkennen und an einem klaren Tag sieht man auch schon Rot und Orange.
Da es für die empfindlichsten unserer wissenschaftlichen Aurora-Kameras nun zu hell ist, wurden sie vergangenen Mittwoch abgeschaltet und wir konnten nach gut vier Monaten unsere Fensterabdeckungen wieder entfernen.

Hier noch die zum star-trail Bild gehörige Zeitrafferaufnahme.

 

Although sunrise will only be in about two weeks from now, we have been in the state of nautical twilight for a few days now. Therefore the horizon is clearly visible in the direction of the sun and on a clear day it is possible to see some red and orange.
Since it is now too bright for the most sensitive of our scientific Aurora cams, they were shut off last Wednesday. We then were allowed, after about four months, to remove our window covers again.

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.

Auroras III

Um den 22. Juni trafen in kurzer Folge drei sehr starke CMEs (Coronal Mass Ejections) das Magnetfeld der Erde und erzeugten in weiten Teilen der nördlichen und südlichen Breiten Auroras. Nachdem wir am ersten Tag leer ausgingen – häufig verschiebt sich bei starken Stürmen der Ring um den magnetischen Pol in dem die Auroras auftreten, so dass der Südpol zu weit im Inneren liegt und der Himmel dunkel bleibt – kamen wir dann am 24. in den Genuss der beeindruckendsten Auroras des bisherigen Winters.

Neben dem üblichen Grün und schwachem Rot, waren diesmal auch Auroras aus sattem Rot und Lila zu sehen. Das Rot repräsentiert den innersten Elektronenübergang des Stickstoffmoleküls, der bei hohen Dichten durch Stoßprozesse abklingt und daher nur in größeren Höhen (wo die Dichte geringer ist) und sehr schwach beobachtbar ist. Bei starken Stürmen und Auroras die nahe am Horizont erscheinen, kann sich das Rot aber anscheinend durchsetzen. Der Ursprung des Lilas ist nicht völlig geklärt, entsteht aber vermutlich durch Übergänge in Wasserstoff oder Sauerstoffmolekülen und tritt nur bei sehr hohen Intensitäten des Sonnenwindes auf.

Around June 22nd earth’s magnetic field was hit by three subsequent CMEs (Coronal Mass Ejections) which created auroras in many regions of the far northern and southern latitudes. After we got nothing during the first day – often strong geomagnetic storms are moving the oval around the magnetic pole in which auroras are visible, so that the South Pole lies to far in the centre and the sky stays dark – on the 24th we finally could enjoy the most impressive aurora display of this winter so far.

In addition to the usual greens and weak reds, this time we saw auroras of saturated red and purple. The red represents the innermost electron transition in the nitrogen molecule, which, in denser gasses, usually deexcites by inelastic scattering and therefore only appears in greater heights (where the density is lower) and rather weak. During strong storms and in auroras that appear close to the horizon the red can apparently dominate. The origin of the purple emission is not completely clear, but most likely is a transition in hydrogen or oxygen molecules and can only be observed during high intensity solar winds.

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.

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.

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.