Polarlicht an der Neumayer-Station III 2010 (Foto: Sarah Huber)
Das geophysikalische Observatorium. The geophysical observatory. (Foto: Thomas Steuer)

Das geomagnetische Observatorium (kurz MagObs) ist bereits seit dem Jahr 1982 ein fester Bestandteil der geophysikalischen Wissenschaft an Neumayer und wurde im Jahr 2008 im Zuge der Errichtung von Neumayer III ebenfalls neu gebaut. 200 Meter westlich des Spurenstoffobservatoriums und circa 1.5 Kilometer südlich von Neumayer III gelegen, befindet es sich in einem Schacht, circa 13 Meter in der Tiefe des Firn auf dem Eckström Schelfeis. Innerhalb des Schachtes, der ungefähr die Maße 12x5x13 Meter besitzt, befindet sich ein Container aus aluminium-laschierten Polyurethan, einem nicht magnetischen Material, das unverfälschte magnetische Messungen ermöglicht. Im Container befindet sich eine STL Förstersonde zur Vermessung der x,y, und z-Komponenten des Erdmagnetfeldes sowie ein GSM Oberhauser Magnetometer zur Bestimmung der Gesamtfeldstärke. Um den Einfluss von notwendigen ferromagnetischen Materialien auf die Messgeräte zu minimieren, befindet sich die Elektronik für die Akquisition und den Transfer der Messdaten in maximaler räumlicher Entfernung direkt am Eingang des Containers.

Die Errichtung des Observatoriums unter dem Eis dient der Abschirmung vor äußeren Einflüssen, in erster Linie dem extremen antarktischen Wetter. Der Schacht selbst hat das ganze Jahr über eine Durchschnittstemperatur von etwa -12.2 Grad Celsius, während der Container, der nur durch vier 60 Watt Glühbirnen beheizt wird, eine Jahresdurchschnittstemperatur von etwa +6 Grad Celsius aufweist. Dabei ist es egal ob überirdisch sommerliche +3 Grad Celsius oder winterliche -40 Grad Celsius vorherrschen. Für unsere beiden Vektor-Magnetometer, die STL Förstersonde und das FGE Fluxgate Magnetometer (seit März 2012), die beide einen temperaturabhängigen Offset besitzen, sind diese Bedingungen also ideal. Da wir Magnetfeldvariationen im Bereich von Zehntel-Nanotesla (0.1 nT) auflösen, ist es zudem essentiell, dass sich die Messsensoren zu jedem Zeitpunkt am gleichen Ort befinden. Vibrationen, die durch Wind erzeugt werden, wären daher ein erheblicher Störeinfluss, sind aber durch die Verlagerung des Observatoriums in den Eisschacht komplett eliminiert.

AWI-Geophysiker Stefan Christmann, Mitglied der Überwinterungsmannschaft des Jahres 2012.

Forschen tief im Schelfeis

Was in den geomagnetischen Messgeräten vor sich geht, lässt sich leider nicht mit der Fotokamera einfangen. Deswegen hat unser Fotograf unsere Geophysikerin auf ihrem Weg zum geomagnetischen Observatorium und bei den Messungen im Eis selbst abgelichtet. Und das sieht bei diesigen Verhältnissen schon ganz schön abenteuerlich aus.

Innerhalb des Messcontainers befindet sich neben dem automatisch arbeitenden STL und GSM Overhauser Magnetometer auch ein sogenanntes Deklinatorium, mit dessen Hilfe die Richtung des Erdmagnetfeldes manuell vermessen werden kann. Dabei ist es naheliegend, sich der Messgeräte aus Geodäsie und Vermessungstechnik zu bedienen: mit Hilfe eines sogenannten Fluxgate-Magnetometer, der parallel zur Zielachse eines Theodoliten auf selbigem montiert ist, ist dies bis hin zu einer Genauigkeit von einer Zehntel-Bogenminute möglich. 

Ein einfaches Fluxgate-Magnetometer besteht im Wesentlichen aus zwei gleichen, parallel ausgerichteten, hoch permeablen Eisenkernen, die gegenläufig von zwei identischen Drahtspulen umwickelt sind. Diese Spulen heißen Erregerspulen und werden von einem gemeinsamen elektrischen Wechselstrom durchflossen. Dadurch erzeugen sie sich zeitlich ändernde magnetische Flussdichten, die die Eisenkerne periodisch in magnetische Sättigung und zurück treiben. Beide Erregerspulen sind von einer dritten, der sogenannten Messspule umgeben. In der Messspule wird durch die sich in den Eisenkernen aufbauende Magnetisierung eine Spannung gemäß Faraday induziert. Befindet sich das Fluxgate-Magnetometer in keinem äußeren Feld verursachen die zwei gegenläufig magnetisierten Eisenkerne jedoch betragsmäßig die gleiche Induktionsspannung in der Messspule, so dass sie sich in Summe gerade aufheben. Anders verhält sich die Konfiguration in einem konstanten äußeren Magnetfeld, wenn dieses eine Komponente parallel zur Spulenrichtung besitzt. In diesem Fall wird das externe Magnetfeld die Magnetisierung eines Eisenkerns verstärken und die des anderen abschwächen. In Konsequenz werden die beiden durch die Eisenkerne induzierten Spannungen in der Messspule betragsmäßig nicht mehr gleich und eine resultierende Spannung messbar sein. Die Größe dieser messbaren Spannung ist dabei dann ein Maß für die Stärke des externen Feldes.

Gelingt es, das Fluxgate-Magnetometer mit Hilfe des Theodoliten so auszurichten, dass das Magnetfeld senkrecht zur Erregerspulenrichtung steht, existiert kein resultierender Feldeinfluss des Erdmagnetfelds für die Eisenkerne mehr. Es herrschen also gleiche Bedingungen wie im feldfreien Fall und die Summe der Induktionsspannungen in der Messspule  ergibt Null. Die Winkel, an denen wir diesen klar definierten Nullpunkt messen können, werden von uns in horizontaler (Deklination) und vertikaler (Inklination) Richtung vermessen und erlauben uns somit die Richtung der magnetischen Feldlinien am Messort zu festzustellen. Unsere Messwerte können dann wiederum mit den Messwerten unserer vektoriellen Magnetometer verglichen und für Offsetkorrekturen und Eichvorgänge herangezogen werden.

Deklinations- und Inklinationsmessungen (kurz DI-Messungen) werden von uns alle zwei Tage durchgeführt. Durch die Nähe des MagObs zum Spurenstoffobservatorium bedeutet das für uns Geophysiker allerdings, dass wir nicht einfach mit den Skidoos dorthin gelangen können, sondern zu Fuß gehen und dann noch die 13 Meter lange Leiter in die Tiefe hinabsteigen müssen. Zudem darf unsere Kleidung keine magnetischen Bestandteile enthalten. Zwar hat die Luft im Container eine Temperatur von +6 Grad Celsius doch ohne Jacke und Schuhe können auch diese "sommerlichen" Temperaturen recht unangenehm werden.

Kurzfristig sind die Messungen des Erdmagnetfeldes hier an Neumayer gerade für uns Üwis sehr interessant. Besonders starke Schwankungen von 50nT und mehr innerhalb eines Dreistunden-Intervalls lassen auf magnetische Stürme schließen, die uns bei Dunkelheit und wolkenfreiem Himmel wunderschöne Polarlichter bescheren können. Die live in der Station ankommenden Messdaten werden daher von kleinen Programmen auf solche Schwankungen hin untersucht und alarmieren uns automatisch, wenn die Bedingungen für dieses Phänomen günstig sind. 
Langfristig jedoch, helfen uns die Zeitreihen dieser Messungen dabei, die Veränderung unseres Erdmagnetfeldes und das "Wandern" der magnetischen Pole qualitativ und quantitativ zu erfassen. Sie werden zu diesem Zweck in ein internationales Datennetz eingespeist und stehen somit zu jeder Zeit Wissenschaftlern aus der ganzen Welt zur Verfügung.

Stefan Christmann, Geophysiker des 32. Überwintererteams, geschrieben am 30. April 2012

Der Theodolit mit dem Fluxgate-Magnetometer zur manuellen
Vermessung des Magnetfelds.
Der Theodolit mit dem Fluxgate-Magnetometer zur manuellen Vermessung des Magnetfelds (Foto: Stefan Christmann)
Polarlichter über der deutschen Antarktis-Forschungsstation Neumayer-Station III
Polarlichter über der deutschen Antarktis-Forschungsstation Neumayer-Station III (Foto: Stefan Christmann)