Im ewigen Eis zu forschen, ist für manche ein Kindertraum. Für seine Promotion in der Umweltphysik begibt sich Stipendiat Jan-Marcus Nasse regelmäßig in die Antarktis – auf die deutsche Forschungsstation Neumayer III. Ein Gespräch über seine Faszination für die Physik und seine Expeditionen in die Antarktis.
Ich habe am meisten Spaß, wenn ich das Gefühl habe, den Dingen wirklich auf den Grund zu gehen. Nicht nur aus einer, sondern aus verschiedenen Perspektiven. Das war schon in der Schule so. Nach dem Abitur habe ich mich gefragt, wo ich das am ehesten wiederfinde. Und das war die Physik. Hier beschäftige ich mich mit den grundlegenden Phänomene in der Natur, deren Verhalten und Gesetzmäßigkeiten.
Ich mag es, an meine intellektuellen Grenzen zu gelangen. Und das passiert häufig in der Physik. Man beißt sich an diesen Grenzen fest und hofft, sie etwas herausschieben zu können. Begonnen hat es damit in der Oberstufe. Ich habe einen Kurs zur speziellen Relativitätstheorie besucht, der bei mir eine bleibende Faszination hinterlassen hat – gerade weil es so schwierig war, Einsteins Gedankenexperiment gedanklich zu fassen.
Ich habe dort eine hervorragende Vorlesung zur Fluiddynamik besucht. Die Fluiddynamik ist ein Teilgebiet der Strömungslehre und beschäftigt sich mit bewegten Fluiden wie Luft oder Wasser, die Körper umströmen und beeinflussen. Unser Dozent hat die dahinterliegenden physikalischen Konzepte auf großartige Weise mit Alltagsbeobachtungen verbunden. So hat er zum Beispiel gezeigt, warum Zugvögel in der charakteristischen V-Formation fliegen – auf diese Weise können die hinteren von der Strömung um die Flügel der vorderen Vögel profitieren und so ihre Kräfte schonen. Nach meiner Rückkehr habe ich diese Verbindung – zwischen grundlegender Physik und Phänomenen im Bereich der Umweltphysik, die durch Beobachtung zugänglich sind – zum Schwerpunkt meines folgenden Masterstudiums gemacht.
In meiner Dissertation mit dem Arbeitstitel Tropospheric Halogen Chemistry in Polar regions beschäftige ich mich mit der Chemie von Halogenverbindungen in der unteren Atmosphäre der Polargebiete. Halogenradikale wie beispielsweise Brommonoxid (BrO) haben dort trotz kleinster Mischungsverhältnisse (einige zehn Moleküle pro Billion Luftmoleküle) einen großen Einfluss auf verschiedenste chemische Prozesse.
Mein Arbeitsplatz während der Forschungsaufenthalte: die Neumeyer-Station III, die das Alfred-Wegener-Institut betreibt und in der ganzjährig Wissenschaftler leben und arbeiten. Die Station auf dem Ekström-Schelfeis im atlantischen Sektor der Antarktis wurde 2009 in Betrieb genommen und ist die Basis für die deutsche Antarktisforschung. Etwa 18 Kilometer nördlich der Station befindet sich allerdings die Schelfeiskante, die in unregelmäßigen Abständen abbricht. Die Station auf dem Eisschelf bewegt sich etwa 100 Meter im Jahr auf diese Kante zu.
Als sehr starke Oxidationsmittel können Halogenradikale zu einem Abbau des bodennahen Ozons, zur Oxidation von gasförmigem, elementarem Quecksilber mit folgender Ablagerung auf Oberflächen führen. Sie können auch Einfluss auf die Bildung von Wolken nehmen. Die genauen Bedingungen, relevanten Oberflächen oder auch die weitere Entwicklung der Halogenradikale in der Atmosphäre sind trotz langjähriger Forschung noch nicht ausreichend verstanden. Hier setzt meine Arbeit an.
Halogenradikale gehen sehr schnell chemische Reaktionen ein. Diese Eigenschaft und die extrem kleinen Mischungsverhältnissen erfordern eine berührungslose Messung. Dafür habe ich zusammen mit Kollegen im ersten Jahr meiner Promotion ein eigenes Messinstrument entworfen, gebaut und getestet. Es steht auf dem Spurenstoffobservatorium 1,5 Kilometer südlich der Neumayer III.
Bei den meisten bislang in Polargebieten für längerfristige Messungen verwendeten Geräten wird gestreutes Sonnenlicht genutzt. Das hat den Nachteil, dass es nachts und in der etwa zweimonatigen Polarnacht keine Messdaten gibt. Das neue Instrument nutzt ein etwas anderes Prinzip der Absorptionsspektroskopie, bei dem Licht einer eigenen Lichtquelle von einem Teleskop durch die Atmosphäre auf einen einige Kilometer entfernten Reflektor geschickt wird. Von dort kommt es zurück und wird vom Teleskop eingesammelt.
Auf dem Weg zwischen Teleskop und Reflektor und zurück absorbieren verschiedene Moleküle bei unterschiedlichen charakteristischen Wellenlängen, den sogenannten Lichtfarben, das Licht. Anhand der fehlenden Intensität im zurückkehrenden Licht kann bestimmt werden, welche Spurengase in welcher Konzentration vorhanden sind. Der lange Weg von mehreren Kilometern durch die Atmosphäre ist nötig, um ein ausreichend starkes Absorptionssignal zu erhalten.
Zentrales Element des Messinstruments ist das große Teleskop, das wie ein sehr präziser Scheinwerfer funktioniert. Um auf eine Strecke von mehreren Kilometern einen Reflektor mit etwa 60 cm Durchmesser zu treffen, muss die Ausrichtung des Lichtstrahls auf Bruchteile eines Grads stimmen. Im Tages- und Jahresverlauf kommt es zu großen Temperaturschwankungen, die auch das Gerüst des Teleskops verziehen. Daher muss der Lichtstrahl kontinuierlich nachgeregelt werden, was automatisch passiert.
Die regelmäßig auftretenden Stürme mit Windgeschwindigkeiten über 100 Kilometer pro Stunde wirbeln den auf dem Schelfeis liegenden Schnee einige Dutzend Meter in die Luft. Unter diesen Bedingungen sind keine Messungen möglich, da die Sicht oft nur wenige Meter beträgt. Das Teleskop auf dem Dach des Spurenstoffobservatoriums muss als einzige Komponente den extremen Witterungsbedingungen mit Temperaturen bis zu minus 45 Grad Celsius standhalten. Dazu ist es gut isoliert und mit Heizungen ausgestattet.
Die Messungen laufen das ganze Jahr über. Nach der Sommersaison von November bis März 2016, in der ich das Instrument aufgebaut und in Betrieb genommen habe, ist die Neumayer III von der Außenwelt abgeschnitten. Dann wird das Messgerät von einem Mitglied der Überwinterungsmannschaft betreut. Über eine Satellitenverbindung kann ich zwar grundlegende Funktionen überprüfen, aber ohne deren unermüdlichen Einsatz vor Ort, unabhängig von den Wetterbedingungen, wären die Langzeitmessungen für meine Promotion nicht möglich.
Wenn es Arbeit und Wetter zulassen, kann ich die Überwinterer auf Exkursionen begleiten. Die unmittelbare und weitere Umgebung der Station ist eine scheinbar ewig ausgedehnte, weiße Ebene ohne landschaftliche Merkmale. Nur selten verirren sich ein paar Seevögel oder Kaiserpinguine hierher. Nordöstlich der Neumayer III befindet sich die Atka-Bucht, eine Bucht in der Schelfeiskante, in der das Meereis häufig den Sommer überlebt. Im Gegensatz zur Arktis ist das Meer um die Antarktis im Sommer überwiegend eisfrei. Hier lebt eine Kolonie Kaiserpinguine, die ihre Jungen vor der spektakulären Kulisse riesiger, im Meereis steckender Eisberge aufziehen. Wenn das Eis in der Bucht stabil genug ist, kann ich mich der Kolonie nähern – zum Schutz der Tiere aber nur auf bis zu 30 Meter.
Die fast schon außerirdische Landschaft um die Station und die selbst im Sommer meist zwischen 0 und -15 Grad liegende Temperatur sind nicht die eindrucksvollsten Phänomene vor Ort. Es ist vor allem die Sonne, die von Mitte November bis Ende Januar nicht untergeht, die das Alltagserleben prägt – gerade, wenn man aus dem europäischen Winter kommt. Wenn sich die Sonne dann zum ersten Mal wieder dem Horizont nähert, kann man sehr lange und atemberaubend rote Sonnenuntergänge erleben.
Mein Projekt ist interdisziplinär zwischen atmosphärischer Fernerkundung, Atmosphärenphysik und Atmosphärenchemie angesiedelt. Mit einem Instrument zur Messung von Gaskonzentrationen in der Atmosphäre, das ich im ersten Jahr meiner Promotion mit der Hilfe von Kollegen gebaut habe, beobachte ich seit Anfang 2016 die Chemie der unteren Atmosphäre an der deutschen Antarktisstation Neumayer III. Im Fokus stehen dabei Moleküle, die Halogene wie Brom oder Chlor enthalten. Diese können in hochreaktiven Verbindungen, sogenannten Radikalen auftreten, die dann trotz winzigster Konzentrationen einen enormen Einfluss auf eine ganze Reihe in der Atmosphäre ablaufender chemischer Prozesse haben. Zu deren Auswirkungen gehören ein Abbau des bodennahen Ozons, eines wichtigen Spurengases für chemische Selbstreinigungsprozesse der Atmosphäre oder die Oxidation und der dann folgende Eintrag giftiger Quecksilberverbindungen in die Biosphäre.
Der Austausch mit den anderen Stipendiatinnen und Stipendiaten ist für mich der wertvollste Aspekt der Förderung. Ich treffe auf den Veranstaltungen der Studienstiftung fast ausnahmslos offene und interessierte Menschen, mit denen ich großartige Diskussionen führen kann und deren Neugier einen beim Nachdenken über das eigene Fach oder Projekt immer wieder herausfordert. Dieser kontinuierliche, interdisziplinäre Austausch hat sicher auch dazu beigetragen, dass ich meine Promotion in einem interdisziplinären Umfeld durchführe und mich dort sehr wohlfühle.
Ich nutze dazu vor allem das Bildungsprogramm der Studienstiftung. In der Zeit meiner Studienförderung habe ich an zwei Sommerakademien, zwei Sprachkursen und einigen stipendiatisch organisierten Exkursionen teilgenommen. Bei meiner ersten Akademie in Ftan in der Schweiz habe ich beispielsweise in einer interdisziplinären Arbeitsgruppe über die Unterschiede zwischen Natur- und Geisteswissenschaften interessante, teils kontroverse Diskussionen geführt, die sich auch am Nachmittag außerhalb der Arbeitsgruppe fortsetzten.
Seit Beginn meiner Promotion habe ich an einem Doktorandenforum und einem Kompetenzseminar für Doktoranden teilgenommen. Beide Male habe ich es genossen, gedanklich einige Schritte weg von den Details und aktuellen Problemen meines Promotionsprojekts zu machen, mir für einen Vortrag für ein interdisziplinäres Publikum einen Überblick über die größeren Zusammenhänge zu verschaffen und diese mit den anderen Teilnehmerinnen und Teilnehmern zu diskutieren. Neben den spannenden Projekten der anderen war auch der Austausch über das Promovieren an sich und damit verbundenen Schwierigkeiten oder auch Erfolgserlebnissen immer sehr motivierend, um sich danach wieder an den nächsten – kleinen – Schritt der eigenen Arbeit zu machen.
Für mich verbindet sich damit ein Auftrag: Zum einen, fachlich ambitioniert zu sein, ohne dabei die größeren Zusammenhänge aus dem Auge zu verlieren und offen zu sein für Austausch und Inspiration über starre Fächergrenzen hinweg. Zum anderen verstehe ich es auch als Verantwortung über die Förderzeit hinaus einen eigenen Beitrag zu der Welt zu leisten, in der wir leben, um das Vertrauen und die intellektuelle Freiheit, die ich durch die Förderung genieße, weiterzugeben. Deshalb engagiere ich mich bereits jetzt für die Gesellschaft.
Ich gehe zum Beispiel an Schulen, erzähle dort von meinen Expeditionen und gestalte eigene Projekte. Nach einem Vortrag oder einem Workshop von einer Lehrerin gesagt zu bekommen, dass ein Kind jetzt Polarforscher werden will, ist die größte Belohnung für mich – neben dem Beantworten der kniffligen Fragen, die auch schon Fünftklässler stellen können oder den leuchtenden Augen beim Anprobieren von Expeditionsausrüstung.
Stand: Oktober 2017
