Neumayer Station III

Die Neumayer Station III ist eine deutsche Forschungsstation auf dem Schelfeis der Antarktis. Sie ist seit 2009 in Betrieb. Geophysik, Meteorologie und Luftchemie sind Hauptforschungsgebiete der vom Alfred-Wegener-Institut betriebenen Neumayer III.

Die Wechselwirkung mit dem Erdmagnetfeld sorgt dafür, dass niederenergetische kosmische Teilchen vom Äquator in Richtung Pole gelenkt werden. Dort können sie tief in die Erdatmosphäre eindringen und sorgen so für die spektakulären Polarlichter. Im Vergleich zu den meisten anderen Orten auf der Erde erwartet man an den Polen die höchste Rate niederenergetischer kosmischer Teilchen. Um das zu untersuchen, wurden auf der Neumayer Station III im Jahre 2012 ein Szintillationszähler-Experiment und ein Neutron-Monitor installiert.

Die niederenergetische Komponente der kosmischen Strahlung stammt vor allem von der Sonne und lässt sich gut mit einem Neutron-Monitor messen. Ein interessantes Forschungsthema ist daher, ob sich Zusammenhänge zwischen der gemessenen Rate kosmischer Teilchen mit Sonneneruptionen oder dem Sonnenzyklus finden lassen und ob es Unterschiede zwischen den Werten vom Neutronen-Monitor und dem Szintillationszähler gibt.

Das Szintillationszähler-Experiment misst Myonen, die in Luftschauern bei der Wechselwirkung von kosmischen Teilchen mit der Atmosphäre entstehen. Dazu werden Szintillatorplatten genutzt, ähnlich wie beim CosMO-Experiment.

Die beiden 25x25 cm² großen Detektoren werden jeweils von zwei PMTs ausgelesen. Nur wenn beide PMTs pro Detektor ein Signal registrieren, wird das auch als Detektion eines Myons gewertet. Damit erreicht man eine gute Unterdrückung von Fehlsignalen.

Das Szintillationszähler-Experiment besteht aus folgenden Komponenten:
 

1. zwei Szintillationszähler-Detektoren im Abstand von 40 cm,
2. einer DAQ-Karte (vom Fermilab QuarkNet-Experiment),
3. ein Netbook, auf dem ein spezielles Programm arbeitet, das nicht nur die Daten speichert, sondern auch analysiert, damit sie über das interne Netzwerk der Neumayer Station III einmal täglich zum DESY übertragen werden können.

Der Neutronen-Monitor ist ein Detektor zur Messung von Neutronen, die bei Wechselwirkungen hadronischer kosmischer Teilchen (Protonen, leichte Kerne) mit Molekülen der Erdatmosphäre entstehen. Eine Beschreibung der Funktionsweise findet sich im Glossar.

Er besteht aus den folgenden Komponenten:
 

• einem Detektor
• einer Elektronik-Box zur Signalverwertung
• einem Computer zur Datennahme

Die Daten auf Cosmic@Web enthalten folgende Informationen: die Zeit, die Teilchenrate pro Stunde vom Szintillationszähler und vom Neutron-Monitor, Wetterinformationen wie Luftdruck und Temperatur. Weitere Informationen findest du in der Datensatzbeschreibung.

Mit den Daten der beiden Experimente auf der Neumayer Station III ergeben sich mehrere mögliche Aufgabenstellungen:
 

• Bestimmung der Rate kosmischer Teilchen in Abhängigkeit der Wetterbedingungen.
• Suche nach Sonneneruptionen, bei der Unmengen kosmischer Teilchen explosionsartig von der Sonne ausgestoßen werden. Die Rate kosmischer Teilchen überschreitet dabei kurz deutlich den über alle Zeit gemittelten Wert. Je nach Stärke der Eruption wird die Ionosphäre dadurch beeinflusst und elektromagnetische Störungen hervorgerufen.
• Vergleich der Teilchenraten vom Szintillationszähler und Neutronen-Monitor.
• Vergleich der Daten mit den Ergebnissen anderer Experimente, z.B. Satellitenexperimete zur Sonnenbeobachtung. Natürlich kann man auch die Daten von der Polarstern mit denen auf der Neumayer-Station vergleichen.

Auf der Plattform Cosmic@Web finden sich unter der Session-ID Neumayer einige Beispieldiagramme.

Dieses xy-Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf der Teilchenraten, die von 2013 bis 2016 von zwei verschiedenen Experimenten auf der Neumayer Station III gemessen wurden. Die Messungen des Szintillationszählers sind dabei in orange und die des Neutronen-Monitors in blau dargestellt.
Die genauen Einstellungen finden sich auf der Session-ID Neumayer.
 

• Welche Aussagen kann man diesem Diagramm entnehmen?

Dieses 2D-Histogramm zeigt wie oft welche Rate bei welchem Luftdruck gemessen wurde. Es werden bestimmte Bereiche, sogenannte Bins, festgelegt, in denen die einzelnen Messpunkte gezählt werden. In dem Bereich eines dunkelblauen Kästchens befinden sich beispielsweise 1 bis 100 Messpunkte, in dem eines dunkelroten bis zu 500. Die genauen Einstellungen sind auf der Session-ID Neumayer zu finden.
Der Zusammenhang zwischen der Rate kosmischer Teilchen und dem Luftdruck wird wie bei einem xy-Diagramm abgelesen; hinzu kommt die Häufigkeitsangabe durch die Farbskala.
 

• Aus diesem Diagramm können also gleich mehrere Schlüsse gezogen werden. Welche sind das?