Solbrända kräftdjur
Bortsett från ett stopp för vattenprover rör sig Oden i jämn takt genom isen mot Pine Island Bay – det mest intressanta området för geologerna ombord. Temperaturen håller i sig kring två till tre minusgrader. Vinden har ökat något med vindar uppåt 14 m/s. Trots att det är mulet bidrar den vita isen (med dess höga reflektionsförmåga – Albedo) med så mycket ljus att det ibland är nödvändigt med solglasögon. Pga. det tunna ozonskiktet är även UV-strålningen stark kring polarområdena.
De två ekologerna ombord gör mätningar i syfte att undersöka hur mm-långa kräftdjur skyddar sig mot solens UV-ljus. De små kräftorna agerar inte helt olika oss människor. För att skydda oss mot solens skadliga strålar kan vi ta på oss solskyddsfaktor, eller så kan vi sätta oss i skuggan. Kräftdjuren har valet att utveckla skyddande pigment eller tillbringa sitt liv på ett större vattendjup, dit solljuset inte når i lika hög grad.
När kräftdjuren utvecklar det skyddande pigmentet blir de lite rödare i färgen. Genom att ta vattenprover på olika djup kan man se att ju närmre ytan kräftdjuren lever desto rödare är de. Problemet med det utvecklade pigmentet är att ju rödare kräftdjuren blir desto lättare är det för fiskarna att se dem. Och en fisk kan bara inte motstå en mumsigt röd liten kräfta. I de antarktiska insjöarna, där ekologerna tidigare gjorde sina undersökningar, finns inga fiskar, så kräftdjuren behöver inte ta hänsyn till detta hot. Ombord på Oden undersöker forskarna kräftdjuren som lever i havet, där gott om fiskar finns. De tar upp vatten från olika djup, från 10 m ner till 120 m, och kommer att undersöka hur kräftdjuren jämkar mellan hoten från UV-strålningen respektive de hungriga fiskarna. I de temporära labbsalarna ombord gör de även försök där de utsätter kräftdjuren för extra UV-ljus för att se ifall pigment utvecklas inom en kortare tidsram.
Forskarna har en hypotes om att de havslevande kräftdjuren utvecklar en annan typ av pigment, som inte färgar dem röda. Detta pigment må inte vara lika effektiv, men har fördelen att det inte gör sina användare lika aptitliga.
Som jag tidigare nämnt kan du läsa mer om de båda ekologernas äventyr på Sydsvenska dagbladets hemsida.
Thomas Aidehag, 74° S 151° W, 100212
Svårfångade partiklar
Vi är tillbaka in i isen. Åter gör pingviner och sälar oss sällskap, isbergen likaså, denna gång än väldigare. Ville, fotografen ombord, gör sig i ordning för att föreviga dem. De når inte upp till storleken av Gotland, som jag har hört har hänt, men de är stora nog att beundra och få en att förstå vilka enorma krafter som sätts i omlopp då ismassorna rör sig över den antarktiska kontinenten.
Vardagen börjar flyta på ombord. Jag har precis startat en tvättmaskin och ikväll blir det ärtsoppa och pannkaka i mässen. Chefskocken serverar dagligen god svensk husmanskost av hög kvalitet, så man behöver sällan vara hungrig. Så här i början av expeditionen finns det dessutom gott om färska grönsaker. Detta bestånd kommer dock att minska dag för dag. Färgen grön kommer att bli en bristvara.
I partiklarnas vardag sker ofta reaktionen n ? p + e, alltså att en neutron sönderfaller till en proton och en elektron. Denna reaktion sker även inuti atomkärnor, vilket då innebär att atomkärnan får en extra proton samtidigt som den skickar iväg extra elektron. Reaktionen utvecklar också en viss mängd energi.
Vi har alltså en situation där en viss mängd energi som fördelas mellan två partiklar, atomkärnan och elektronen. De elever som läst Fysik B vet att det ihop med att rörelsemängden bevaras innebär att vi borde kunna beräkna exakt vilken energi den ivägskickade elektronen kommer att få. Detta visste naturligtvis även den eminenta fysikern Wolfgang Pauli 1930. Han och andra fysiker blev dock frustrerade när det visade sig experimentellt att elektronernas energi varierade. Paulis lösning till problemet var att anta att det i reaktionen bildas ytterligare en partikel som är oladdad, har en ytterst liten massa och är i stort sett omöjlig att detektera – neutrinon. Man kan då beräkna hur mycket energi elektronen och neutrinon får tillsamman, men fördelningen kan se olika ut och elektronens energi tillåts alltså att variera.
Även om det är svårt att detektera neutriner gjordes detta ca 25 år senare (förts då kunde alltså tesen om Paulis lilla oladdade partikel bekräftas) och nu finns flertal detektorer som är tillverkade just för dessa partiklar. Just det faktum att de interagerar så svagt med övrig materia (ett krav för att kunna detekteras) gör dem synnerligen intressanta att observera. Det är även därför det är en bra idé att placera en jättedetektor på Antarktis. Ni får höra mer om detta i senare brev.
Thomas Aidehag, 76° S 155° W, 100211
Geostationära satelliter
Oden tuffar på österut. Eftersom vi är en bra bit ifrån land är djurlivet inte så rikt för tillfället. Någon påstår sig sett en val på långt håll. Ett rykte gör gällande att någon annan sett en späckhuggare ta ett jättehopp över havsytan. Jag går omkring på däck och spanar efter en likande upplevelse. Idag har vi nått några av de första platserna var många av forskarna ombord gör sina första mätningar. Bland annat skickar de ner mätdon i vattnet som mäter salthalt, vätsketryck och temperatur på upp till 900 m djup. Lufttemperaturen är ganska behaglig i den Antarktiska sommarvärmen. Idag står termometern på -3,5oC.
Hur kommer det sig att jag kan skicka mail från Antarktis? Bredbandskablarna når inte riktigt hit ner och ingen av mobiltelefonioperatörerna tycks se någon marknad i att ordna täckning för mobilt bredband i området. Kommunikationen sker istället via satellit. För att man ska kunna ha kontakt med en sådan satellit underlättar det ifall satelliten befinner sig rakt ovanför en och samma punkt på jordytan hela tiden. De så kallade geostationära satelliterna har alltså en omloppstid på precis ett dygn.
Skärp sinnena nu alla ni som snart ska skriva nationellt prov i Fysik B. Jag tänkte nämligen att vi skulle beräkna på vilken avstånd från jordens centrum dessa geostationära satelliter måste ligga på. Detta skulle mycket väl kunna vara en uppgift på det nationella provet.
Vi tänker oss en satellit som går i en cirkulär bana med konstant fart i samma plan som ekvatorn. Den kraft som håller kvar satelliten i sin bana är gravitationen från jorden. Vi kan alltså ställa upp en ekvation där uttrycket för centripetalkraft är lika med gravitationen
där m och M är massan hos satelliten respektive jorden,
v är satellitens fart i banan,
r är avståndet mellan satelliten och jordens centrum och
G är gravitationskonstanten. Eftersom jag inte har direkt information om satellitens fart, så utnyttjar jag att farten kan uttryckas i
r och omloppstiden
T 
Med detta insatt i den första ekvationen och lite pulande med algebra får vi tillslut (notera att satellitens massa inte inverkar på beräkningarna)
Med instoppade värden kan vi beräkna att de geostationära satelliterna måste placeras på ett avstånd från jordens centrum som är ca 6,5 ggr jordens radie. Mina mail färdas alltså en ganska lång väg innan de hamnar på Danderyds gymnasiums hemsida.
Thomas Aidehag, 77oS 161oW, 100210
Toppen av ett isberg
Vi lämnade den trygga hamnen i McMurdo igår och far nu österut en bit från Antarktis kust. Vi befinner oss på öppet hav, men horisonten bryts här och var av väldiga isberg som ligger och vältrar sig i vattnet. Som uttrycket ”toppen av ett isberg” skvallrar om är det långt ifrån hela isberget som skymtar över ytan. Vi kan med hjälp av Arkimedes princip bestämma hur stor del av isberget som befinner sig under ytan.
Om vi anser att isberget är i vila måste krafterna på det vara i jämvikt. Det betyder alltså att tyngdkraften på isberget är lika stor som den lyftkraft som verkar på isberget från vattnet. Denna lyftkraft är enligt Arkimedes princip lika stor som tyngden av den undanträngda vätskan. Vi ställer upp detta i en ekvation
där V1 är den undanträngda vätskans volym, alltså volymen av den del av isberget som befinner sig under vattenytan. Genom att utnyttja sambandet mellan massa, densitet och volym hos isberget kan ekvationen skrivas som
där V2 är volymen hos hela isberget. Med lite algebra fås följande uttryck fram
Vilket betyder att andelen av isberget som befinner sig under vatten ytan är lika kvoten mellan is och vattens densitet. Det är bara plocka fram era formelsamlingar, slå upp erforderlig data och beräkna. Det sägs att det var ett isberg som fick Titanic under ytan. Det är dock ingen risk att ett isberg slår hål på Odens skrov. Skrovet består av ett ca 5 cm tjockt lager av en tålig metall speciellt framtagen för isbrytare. Ett tvärblock av denna metall med måtten 200 mm, 98 mm och 48 mm väger 7,8 kg.
Thomas Aidehag, Antarktis (77o S, 179o E), 100209
Kosmisk strålning
Igår vägledde vi säsongens sista lastskepp ut från hamnen i McMurdo genom den ränna som brutits av Oden. United States Antarctic Program (USAP) har anlitat Oden för att skapa och hålla denna ränna ren under januari. Det är i mångt och mycket pengarna från denna operation som finansierar den vetenskapliga expeditionen.
Längs iskanten syns ideligen pingviner och sälar. Vi har även sett de väldiga ryggarna på dussintals späckhuggare. Ikväll lämnar vi McMurdos hamn för att bege oss österut.
Jordens atmosfär bombarderas ständigt av högenergetiska partiklar från rymden. Till största delen består denna strålning av atomkärnor, framförallt protoner (vätekärnor). På jordytan skyddas vi från denna strålning tack vare det jordmagnetiska fältet. Ni som har läst elektromagnetism i Fysik B vet att laddade partiklar i rörelse viker av i sin bana om de utsätts för ett magnetiskt fält. Detta gör att de positivt laddade atomkärnorna i sin våldsamma rörelse mot jordytan fastnar i spiralbanor kring magnetfältslinjerna. Trots detta går det att mäta den kosmiska strålningen vid jordytan. När den kosmiska strålningen når jordens atmosfär kan den krocka med partiklar i atmosfären. Reaktioner sker som bildar andra partiklar (även det ofta atomkärnor). Dessa partiklar kan färdas vidare ner mot jordens yta. Antagligen krockar även de med partiklar längre ner i jordens atmosfär och ytterligare nya partiklar bildas. I varje reaktion fördelas energin hos den inkommande partikeln till flera partiklar, vilket gör att de partiklar som till slut når jordens yta har betydligt lägre energi än de ursprungliga partiklarna i den kosmiska strålningen. Dessa rester av den kosmiska strålningen kan undersökas med detektorer vid jordens yta, t ex på en isbrytare i Antarktis.
Resterna av den kosmiska strålningen finns naturligtvis inte bara på Antarktis, så varför inte mäta strålningen hemma i Stockholm istället? Jo, detta på grund av att det jordmagnetiska fältet ser olika ut beroende på var på jordklotet man befinner sig. Vid ekvatorn går magnetfältslinjerna i en horisontell riktning. Ju närmare polerna man kommer desto mer går magnetfältslinjerna i en lodrät riktning. Laddade partiklar påverkas som mest av ett magnetfält ifall deras rörelse sker vinkelrätt mot magnetfältslinjerna. Det betyder att vi är bäst skyddade mot den kosmiska strålningen ifall vi befinner oss vid ekvatorn.
Detektorerna ombord på Oden har varit påslagna under hela färden från Helsingborg ner till Antarktis. Med data från mätningarna kan fysikerna undersöka hur mycket jordmagnetiska fältet skyddar mot den kosmiska strålningen beroende på latitud. I diagrammet nedan ser du data från en del av mätningarna från neutrondetektorn ombord. Den röda linjen visar Odens latitud (mätningarna ägde rum mellan Helsingborg och ner mot Kanarieöarna) och de svarta prickarna visar frekvensen av neutronträffar. Neutronerna som detekteras härstammar från reaktioner då rester av den kosmiska strålningen träffar atomkärnor i material kring båten.
Du kan tydligt se att antalet neutroner minskar så fort Oden lämnat hamnen (dag 324-325) med alla kajer, kranar, osv. Du kan även se att en tankbåt vid Oden lämnat spår i neutrondetektorn (dag 327-328). Luckan i diagrammet orsakades av att detektorerna slutade fungera under en period av ohygglig storm i Engelska kanalen. Det mest intressanta för en fysiker är dock att se hur antalet neutroner minskar med latituden.
//Thomas Aidehag, Antarktis 100208
Linslus till pingvin
Tidig torsdags morgon väcktes vi på hotellet i Christchurch och skjutsades till flygplatsen. Där bytte vi om till de för ett antarktiskt klimat anpassade kläder vi fått låna och gick ombord på ett amerikanskt militärflygplan som tog oss rakt söderut till landningsfältet utanför McMurdo, Antarktis. Flygresan tog ca 5 timmar. Väl på marken togs vi in till McMurdo i en buss med larvfötter, och ganska snabbt därefter vidare ut på isen med bandvagnar där Oden låg och väntade oss.
Precis när vi nått Oden kom en kejsarpingvin och mötte oss och liksom hälsade oss välkomna. Han eller hon var ganska mån om att bli fotograferad ur sina bästa vinklar och stod och poserade, minst sagt oblygt, ett femtal meter framför oss. Ett hundratal meter därifrån låg en grupp sälar och latade sig. Fåglar av måstyp cirkulerar ständigt kring båten. Vi har även fått höra att det är troligt att vi får se flera sorters valar, bland annat späckhuggare.
Ombord på Oden finns förutom ca 20 besättningsmän, en läkare, en IT-administratör, en expeditionsledare, jag och konstnären Ville även i huvudsak tre olika forskninggrupper. Den klart största gruppen består av geologer, ett gäng från Sverige och ett gäng från USA, vilka gör två typer av mätningar. Med ett så kallat Multi Beam System (typ ett ekolod) undersöker de havsbottens struktur. De kommer även att ta sedimentprover från botten och undersöka dem ombord.
En grupp på två ekologer tar vattenprover och undersöker pigmenten hos pyttesmå kräftdjur. De har redan tillbringat en vecka på Antarktis och gjort sina undersökningar i ett par insjöar, men vänder nu sin uppmärksamhet mot havet. Sydsvenskan följer denna grupp och du kan läsa mer om dem på Sydsvenska Dagbladets hemsida.
Två fysiker mäter den kosmiska strålningen. Det finns ett flertal detektorer ombord. En av detektorerna är av samma typ som en av de många modulerna som bygger upp den stora muon och neutrinodetektorn IceCube som finns på, eller rättare sagt under sydpolen.
Det är mycket möjligt att jag missat någon forskningsgrupp, men det hinner jag reparera. Jag siktar på att dagligen skicka hem redogörelser för hur arbetet fortskrider för de olika forskningsgrupperna och vad det syftar till. Även om det ligger närmast till för mig att beskriva fysikprojekten har jag en ambition om att sätta mig in i och skriva om övriga projekt. Vill ni redan nu veta mer om respektive projekt kan ni följa länken som finns i den tidigare pressreleasen.
//Thomas Aidehag, Antarktis 100206