Polarstern-Projekt


      Die Messung kosmischer Teilchen vom Nordpol bis zum Südpol ist von großem wissenschaftlichen Interesse, da sich zwischen den Polen die Stärke des Erdmagnetfeldes ändert, mit dem die kosmischen Teilchen interagieren. Insbesondere in Meeresgebieten, wo es bisher nur wenige Daten zu kosmischen Teilchen gibt, ist die Messung eben jener besonders interessant.

      Das deutsche Forschungsschiff „Polarstern“ des Alfred-Wegener-Institutes durchquert im Dienste der Wissenschaft jährlich die arktischen und antarktischen Gewässer und überquert während seiner Reise viele Breitengrade. DESY betreibt seit Ende 2010 ein Szintillationszähler-Experiment an Bord der Polarstern und seit Ende 2011 zusätzlich ein Neutron-Monitor-Experiment in Zusammenarbeit mit den Universitäten Kiel und Potchefstroom (Südafrika).

      Das vorrangige Ziel des Polarstern-Projektes für Schüler ist es, den Effekt der Abnahme der Rate kosmischer Teilchen auf der Fahrt zum Äquator zu messen und nachzuweisen (geomagnetischer Cut-Off). Dieser Effekt ergibt sich aus dem Einfluss des Erdmagnetfeldes auf die geladenen Teilchen. So werden die niederenergetischen kosmischen Teilchen am Äquator stark von ihrer ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt und zum Pol geleitet.

      Wo sich das Forschungsschiff Polarstern aktuell befindet, kann man auf der Internetseite zur Expedition verfolgen. Seit 2012 sind auch auf der deutschen Neumayer III Station in der Antarktis ein Szintillationszähler-Experiment und ein Neutron-Monitor installiert.

       
      Versuchsaufbau des Szintillationszähler-Experiments


        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. Das Szintillationszähler-Experiment besteht aus folgenden Komponenten (entsprechend der Nummerierung auf dem Foto):

          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 Polarstern einmal täglich zum DESY übertragen werden können.

            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.

             
            Versuchsaufbau des Neutronen-Monitors


              Der Neutronen-Monitor ist ein Detektor zur Messung von Neutronen, die bei Wechselwirkungen hadronischer kosmischer Teilchen (Protonen, leichte Kerne) mit Molekülen der Erdatmosphäre entstehen. Er besteht aus den folgenden Komponenten:
              • einem Detektor
              • einer Elektronik-Box zur Signalverwertung
              • einem Computer zur Datennahme

              Eine Beschreibung der Funktionsweise findet sich im Glossar.

               
              Datenstruktur


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

                 
                Mögliche Aufgabenstellungen


                  Mit den Daten der beiden Experimente auf der Polarstern ergeben sich mehrere mögliche Aufgabenstellungen:
                  • Messung des Geomagnetischen Cut-Offs, also die Abhängigkeit der Rate kosmischer Teilchen von der geografischen Breite.
                  • Verfolgen der Schiffposition mit Hilfe der GPS Daten. Aus der Zeit und Position lässt sich die Schiffsgeschwindigkeit auf der Route berechnen und darstellen.
                  • Bestimmung der Rate kosmischer Teilchen in Abhängigkeit der Wetterbedingungen.
                  • Auswerten der Wetterdaten. Dies ermöglicht einen großartigen Einblick in das Weltwetter, besonders in die Wetterbedingungen am Äquator, in den Gewässern der Antarktis und im Nordpolarmeer.
                  • 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 beeinflussen und elektromagnetische Störungen hervorrufen.
                  • 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.

                  Beispieldiagramme


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

                    Verfolgen der Schiffsposition


                     

                    Myonrate-Breitengrad-Diagramm