Wissenschaft

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.

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.