Umgebung

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.

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.

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.

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.