Am 22. November 2013 wurde die Swarm-Mission der ESA gestartet, ein Trio von Satelliten, das seitdem hochpräzise Beobachtungsdaten des Erdmagnetfelds liefert. Das Deutsche GeoForschungsZentrum GFZ spielte während der Entwicklung der Mission eine führende Rolle. Heute trägt es innerhalb eines internationalen wissenschaftlichen Konsortiums, Swarm DISC (Swarm Data, Innovation, and Science Cluster), zur regelmäßigen Bereitstellung von Datenprodukten für Geomagnetismus und Weltraumwetter bei, die aus den Swarm-Messungen gewonnen werden.
Die drei baugleichen Satelliten umkreisen die Erde auf polaren Bahnen in einer besonderen Konstellation: Swarm A und Swarm C fliegen als Satellitenpaar in einer Höhe von 462 Kilometern, Swarm B auf einer entfernteren Umlaufbahn in 510 Kilometer Höhe. Die endgültige Orbitkonstellation war im April 2014 erreicht. Dementsprechend wird das 10-jährige Swarm-Jubiläum im April 2024 offiziell gefeiert werden, im Rahmen einer wissenschaftlichen Konferenz in Kopenhagen, Dänemark.
Die Swarm-Mission
Jeder der drei Satelliten erhebt hochgenaue und hochaufgelöste Messungen der Stärke und der Richtung des magnetischen Feldes. In Kombination liefern sie die notwendigen Beobachtungsdaten, die für die Modellierung der verschiedenen Quellen des erdmagnetischen Feldes gebraucht werden.
„Die Swarm-Mission war ursprünglich nur für mindestens vier Jahre geplant, sie liefert aber auch nach 10 Jahren hochqualitative Daten insbesondere zu Stärke und Richtung des Erdmagnetfelds. Diese Daten trugen und tragen zu wesentlichen Erkenntnisgewinnen über physikalische Prozesse sowohl innerhalb als auch außerhalb der Erde bei“, sagt Monika Korte, Leiterin (komm.) der Sektion 2.3 „Geomagnetismus“ am GFZ.
Einerseits sind die Daten wichtige Grundlage zur genauen Kartierung des sich langsam ändernden Hauptfelds und zur Erforschung der zugrunde liegenden Bewegungen im flüssigen äußeren Erdkern, der das Erdmagnetfeld wie ein Dynamo erzeugt. Andererseits sind sie unverzichtbar zum Verständnis der diversen elektrischen Stromsysteme im Umfeld der Erde und des Zustands der Ionosphäre, was zur Charakterisierung von Weltraumwetterbedingungen von Bedeutung ist. Die Ströme schneller geladener Teilchen im Weltraum, die ihre Ursache in Sonneneruptionen haben, bilden u.a. eine Gefahr für Satelliten und Raumfahrzeuge, können aber auch elektronische Systeme auf der Erde stören. Das Erdmagnetfeld hat hierbei eine wichtige Abschirmfunktion.
Swarm und Polarlichter
Die Daten der Swarm-Mission spielen auch für das Verständnis von Polarlichtern eine wichtige Rolle, wie sie in diesem Jahr vermehrt auch in unseren Breiten zu beobachten sind. Polarlichter entstehen, wenn bei starker Sonnenaktivität geladene Teilchen des Sonnenwindes, gelenkt durch das Erdmagnetfeld, in die Atmosphäre gelangen. Dort regen die Teilchen Moleküle wie Sauerstoff oder Stickstoff zum Leuchten in verschiedenen Farben an. Es gibt bereits Datenprodukte, die – punktuell – die Grenzen des Polarlichtovals bestimmen, also der Zone um die Polregion, in der Polarlichter auftreten. Das basiert auf punktuellen Messungen auf den jeweiligen Satellitenbahnen. Daraus lassen sich dann Modelle für das komplette Polarlichtoval berechnen – allerdings bislang nur für die Vergangenheit. „Wir hoffen, in den nächsten Jahren auch eine Vorhersage des Polarlichtovals aus Swarm-Daten entwickeln zu können“, so Korte.
Tradition und Zukunft der Magnetfeldbeobachtung aus dem All
Swarm setzt die wichtige Beobachtung der Erdmagnetfelds aus dem Weltraum fort, die von 2000 bis 2010 wesentlich von CHAMP getragen wurde. Dieser Satellit des GFZ und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR war gleichzeitig für hochgenaue Messungen des Erdschwerefelds konzipiert. Die drei Swarm-Satelliten sind auf das Magnetfeld fokussiert und liefern im Vergleich zu CHAMP nicht nur mehr räumlich verteilte Daten, sondern bald auch längere Zeitreihen.
Die Nutzergemeinschaft hofft, dass die Swarm-Mission noch bis mindestens 2030 in Betrieb bleibt, um aus der Datenreihe insbesondere Informationen über den Zeitraum eines kompletten Sonnenfleckenzyklus zu gewinnen. Ein solcher Zyklus der Sonnenaktivität dauert – von einem Aktivitätsminimum zum nächsten – im Schnitt rund 11 Jahre. In dieser Zeit nimmt die Zahl der Sonnenflecken zu und wieder ab. Die Sonnenflecken stoßen – getrieben von internen Magnetfeldern – große Mengen geladener Teilchen in den Weltraum aus, daher der Begriff Sonnenaktivität. Diese Teilchen tragen als bewegte Ladung selbst ein Magnetfeld mit sich und beeinflussen daher auch das Magnetfeld im erdnahen Raum. Weil sich die Polarität der Sonnenflecken nach 11 Jahren ändert, dauert ein kompletter Zyklus rund 22 Jahre. Das letzte Aktivitätsminimum war zur Jahreswende 2019/20.
Aktuell wird u.a. am GFZ daran gearbeitet, viele der bisher mit einer Verzögerung von vier bis sechs Tagen erzeugten Datenprodukte nahezu in Echtzeit zur Verfügung zu stellen. „Dies war bei keiner der bisherigen erdnahen Magnetfeldmissionen der Fall und ist nur aufgrund der extrem hohen Datenqualität und Stabilität der Mission möglich. Diese neuen Datenprodukte werden daher eine noch wichtigere Rolle als bisher für die Charakterisierung des Weltraumwetters spielen, obwohl die Swarm-Mission ursprünglich gar nicht für diesen Zweck konzipiert wurde“, sagt Guram Kervalishvili, Wissenschaftler in der Sektion 2.3 „Geomagnetismus“ und Projektmanager für die ESA Swarm Mission und ESA Space Weather Aktitvitäten am GFZ.
Umfassende Informationen zu den Datenprodukten der Swarm Mission finden Sie unter:https://swarmhandbook.earth.esa.int
Weitere Informationen zu den Themen Weltraumwetter und den entsprechenden Services des GFZ finden Sie hier:
Weitere Bilder zu Swarm gibt es hier:
https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2013/10/Swarm_constellation
