Die Forschung am GFZ leistet einen wichtigen Betrag zum Verständnis sonnengetriebener Prozesse. Sowohl Modelle des Erdmagnetfeldes, der Ionosphäre und Thermosphäre als auch die Echtzeit- und Vorhersagemodelle für Weltraumwetter müssen in einem hochkomplexen und dynamischen Forschungsumfeld weiterentwickelt werden. Die kontinuierlich errechneten (Echtzeit-)Vorhersagen sind gleichzeitig entscheidend für die Betreiber kritischer Infrastrukturen und weltraumgestützter Systeme.

Die Forschungsarbeiten zum Weltraumwetter werden vor allem in den GFZ-Sektionen 2.3 „Geomagnetismus“ (Entwicklung und Bereitstellung von Datenprodukten) und 2.7 „Weltraumphysik und Weltraumwetter“ (Vorhersagen und Modelle) durchgeführt. Die wichtigsten aktuellen Forschungsprojekte in diesem Themenbereich werden im Folgenden vorgestellt.

Die Sonne sendet permanent einen Plasmastrom überwiegend aus geladenen Protonen und Elektronen in Richtung Erde, die wir als Sonnenwind bezeichnen. Dieser Strom geladener Teilchen kann je nach Aktivität der Sonne variieren und insbesondere für Technologien zur Gefahr werden. Die am GFZ ermittelte planetarische Kennziffer Kp ist ein wichtiges Maß für den Energieeintrag aus dem Sonnenwind in das System Erde und wird in Echtzeit für viele Weltraumwetterdienste genutzt.

Die planetarische Kennziffer geht zurück bis 1932 und ist damit auch wichtig für die Untersuchung von langfristigen Klimaänderungen in der oberen Atmosphäre, im erdnahen Weltraum, im Sonnenwind und auf der Sonne. Der traditionelle Kp-Index der geomagnetischen Aktivität, welcher vom GFZ aus Daten von magnetischen Bodenobservatorien berechnet wird, findet breite Verwendung. Jedoch ist seine dreistündige Auflösung für viele moderne Anwendungen zu gering. In den letzten Jahren wurden am GFZ verschiedene äquivalente Indizes mit höherer zeitlicher Auflösung entwickelt (Hpo-Indizes in 60- und 30-minütiger Auflösung) und als Produkte von Quasi-Echtzeit bis zur kompletten historischen Datenreihe veröffentlicht. Weitere Verbesserungen und Entwicklungen dieser Produkte sind in Arbeit. Das GFZ ist die einzige Institution in Deutschland, die Vorhersagen für den Kp-Index anbietet. 

Der geomagnetische Hpo-Index ist ein Kp-ähnlicher Index mit einer Zeitauflösung von einer halben Stunde, Hp30, beziehungsweise von einer Stunde, Hp60. Der Hpo-Index ist überdies nach oben offen und beschreibt die stärksten geomagnetischen Stürme nuancierter als der dreistündige Kp-Index, der maximal den Wert 9 annimmt. Der Hpo-Index wurde im H2020-Projekt SWAMI entwickelt und ist in Yamazaki et al. (2022, doi.org/10.1029/ 2022GL098860) beschrieben. 

Ausführliche Informationen zum Kp Index und Zugang zu den Daten
Produkte für die Europäische Weltraumorganisation ESA | Geomagnetische Dienste
Space Weather | GFZ-Weltraumwetter-Vorhersagen

Unser Erdmagnetfeld schützt uns vor dem unablässigen Strom geladener Partikel, dem Sonnenwind, noch bevor dieser die Hochatmosphäre erreicht. Allerdings nimmt die axiale Hauptkomponente des dipolartigen Erdmagnetfeldes (und damit der Schutz vor den energiereichen Partikeln) mit einer Rate ab, die zehnfach höher liegt als bei einem schlichten Zerfall des Feldes. Diese Abnahme beträgt circa 8 Prozent in den letzten 150 Jahren. In einigen Gebieten, so z.B. der Südatlantischen Anomalie, beträgt sie sogar 8 Prozent allein während der letzten 20 Jahre. Das führt beispielweise dazu, dass über dieser Region häufiger als andernorts Satellitenausfälle beobachtet werden und Passagiere auf Langstreckenflügen erhöhten Strahlungsdosen ausgesetzt sind. Wie lange die heutige südatlantische Anomalie noch anhält, können die Wissenschaftler:innen nicht sagen. Die Feldstärke könnte noch über einige Jahrhunderte weiter abnehmen. Um zu verstehen, wie sich dieses schwächelnde Schild in der Zukunft weiterentwickelt, ist eine genaue Kartierung der zeitlichen Änderungen des Geomagnetischen Feldes unerlässlich.

Mehr zur Südatlantischen Anomalie

Das sich nur sehr langsam ändernde magnetische Hauptfeld aus dem Erdkern hat auch eine praktische Bedeutung als Backup, wenn Navigationssatelliten durch geomagnetische Stürme beeinträchtigt werden oder gar komplett ausfallen. Zur vollständigen Beschreibung des Erdmagnetfelds genügt die Stärke allein nicht. Auch die Richtungen im Raum müssen angegeben werden. Dies ist zum Beispiel durch zwei Winkel möglich, genannt Deklination bzw. Kompassmissweisung und Inklination. Mit dem GFZ-Deklinationsrechner lässt sich nicht nur die Kompassmissweisung, sondern auch die Stärke und der Inklinationswinkel des Magnetfelds für jeden Punkt der Erde und alle Zeiten zwischen 1900 und 2025 bestimmen. 

Die Berechnung beruht auf dem Internationalen Geomagnetischen Referenzfeld, welches das im Erdkern erzeugte magnetische Hauptfeld der Erde beschreibt. In der Regel ergibt eine Berechnung auf das Jahr genau (nicht auf den Tag) Werte, die von ausreichender Genauigkeit für die Navigation mit dem Magnetkompass sind. Bei einem potentiellen Ausfall von globalen Navigationssystemen kommt dem Magnetkompass hohe Bedeutung zu. An einigen Orten der Erde existieren starke lokale Magnetfeldanomalien durch magnetisierte Gesteine in der Erdkruste. Diese Anomalien können zu Abweichungen der Kompassmissweisung von den berechneten Werten führen.

Das Internationale Geomagnetische Referenzfeld IGRF ist eine Reihe von datenbasierten Modellen des Hauptfeldes der Erde und ihrer jährlichen Veränderungsrate (Säkularvariation). Die IGRF-Koeffizienten der 13. Generation wurden aus Sätzen von Koeffizienten berechnet, die von den teilnehmenden Mitgliedern der Arbeitsgruppe V-MOD der International Association of Geomagnetism and Aeronomy | IAGA erzeugt wurden. Das GFZ ist Teil der Arbeitsgruppe. Das Modell wird in 5-Jahres-Intervallen aktualisiert und hat sich weltweit als Standard für viele Anwendungen bewährt. 

Das Hauptziel der Swarm-Mission besteht darin, die beste Gesamtaufnahme des geomagnetischen Feldes und seiner zeitlichen Entwicklung zu liefern. Jeder der drei baugleichen 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 Mission erbringt neben Daten zum Erdmagnetfeld auch solche zu ionosphärischen und atmosphärischen Parametern. Die 2013 gestartete Satellitenmission Swarm der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) war als Magnetfeldmission nicht speziell auf Weltraumwetterbeobachtung ausgelegt. Zahlreiche Datenprodukte dieser Mission sind aber für die Charakterisierung der Weltraumwetterbedingungen nützlich. Daher arbeiten die ESA und das internationale wissenschaftliche Konsortium, an dem das GFZ beteiligt ist, an der Entwicklung und Implementierung von Datenprozessierungsalgorithmen in nahezu Echtzeit. Swarm setzt die wichtige Beobachtung der Erdmagnetfelds aus dem Weltraum fort, die von 2000 bis 2010 wesentlich von CHAMP getragen wurde, einem Satellit des GFZ und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt DLR.

Seit November 2023 werden von der ESA Swarm Level 1b FAST-Datenprodukte produziert und zur Verfügung gestellt. Das GFZ arbeitet aktuell daran, damit Level 2 Datenprodukte für das European Space Weather Service Network anzupassen, um so die Palette seiner bereits regelmäßig an die Europäische Weltraumorganisation gelieferten Produkte zu erweitern.

Satellitendatenprodukte des GFZ
Weltraumwetterprodukte des GFZ
10 Jahre Swarm Mission (Artikel vom 22.11.2023)
Mehr Informationen zur Swarm Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA

Das Erdmagnetfeld und seine Magnetosphäre zeigen bedeutende Schwankungen auf Zeitskalen von Stunden (geomagnetische Stürme) bis zu Jahrmillionen (Feldumkehrungen). Magnetische Messdaten beinhalten:

• Anteile von dem durch Geodynamoprozesse im äußeren Erdkern erzeugten Hauptfeld
• Anteile des Lithosphärenfeldes magnetisierter Gesteine und geologischer Strukturen
• Anteile von sehr variablen Magnetfeldern von Stromsystemen in Ionosphäre und Magnetosphäre
• sekundäre Anteile aus Induktion inleitfähigen Strukturen in Erdkruste und Erdmantel

Zum Verständnis der einzelnen Quellen mit ihrer Bedeutung für die Entwicklung des Hauptfelds, Weltraumwetterbedingungen und die Interpretation von Krustenanomalien ist eine klare Trennung der Anteile notwendig. Dies ist nach wie vor eine Herausforderung und bedarf weiterer Forschung.

GFZ-Modelle des erdmagnetischen Feldes

Ausführliche Informationen zu allen Geomagnetischen Observatorien des GFZ

Die Überwachung und Vorhersage des Weltraumwetters wird derzeit von einigen Weltraumwetterzentren weltweit durchgeführt. Zuverlässige Vorhersagen während aktiver geomagnetischer Bedingungen können den Satellitenbetreibern helfen, die Satelliten in einen Schutzmodus zu versetzen, Wartungsarbeiten zu vermeiden, Warnungen auszugeben und die Gründe für Anomalienbesser zu verstehen. Das GFZ stellt wichtige Vorhersagen für das Weltraumwetter in Echtzeit zur Verfügung, wie z. B. für den Ringstrom, die Plasmasphäre und die Strahlungsgürtel. Wir entwickeln zudem Modelle der gesamten Weltraumumgebung (Heliosphäre, Magnetosphäre sowie Ionosphäre).

Der Strahlungsgürtel besteht aus hochenergetischen Protonen und Elektronen. Der innere Strahlungsgürtel ist relativ stabil, während der äußere Strahlungsgürtel hochdynamisch ist und eine dramatische Variabilität über Zeitskalen von Minuten bis Stunden aufweist. 

Am GFZ entwickeln wir 3D und 4D Algorithmen für den "Versatile Electron Radiation Belt" und bieten eine 6-tägige Vorhersage, die stündlich aktualisiert wird. Unsere Forschung beschäftigt sich mit Steuerungsmechanismen des Strahlungsgürtels wie der radialen Diffusion, der lokalen Beschleunigung, dem lokalen Verlust, der Abschattung der Magnetopause und elektrischer Konvektion. Auch beeinflussen niederenergetische Elektronen in Plasmaschicht und Ringstrom die Dynamik des Strahlungsgürtels. Wir verbinden zwei Modelle, um Interaktion der Teilchen in der inneren Magnetosphäre besser zu verstehen.

Mehr Informationen zur Forschung und Vorhersage des äußeren Strahlungsgürtels (engl.)

In dem European Research Council Projekt „Waves in the Inner Magnetosphere and their Effects on Radiation Belt Electrons | WIRE“, das von Dr. Dedong Wang geleitet wird, werden Wellen und energiereiche Elektronen in der Weltraumumgebung quantifiziert. Mithilfe dieser Daten sollen die Dynamik energiereicher Teilchen besser verstanden und die schädliche Strahlung im Weltraum genauer vorhergesagt werden. Das Projekt beschäftigt sich zudem mit der Frage, warum die Strahlungsgürtel der Erde unterschiedlich auf geomagnetische Stürme reagieren, die etwa die gleiche Intensität haben. 

Weitere Informationen zum Forschungspreis und dem WIRE-Projekt

Bei ultra-relativistischen Energien bewegen sich Elektronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. Es kommen dann die Gesetze der Relativitätstheorie zum Tragen. Die Masse der Teilchen wächst um einen Faktor zehn, für sie vergeht die Zeit langsamer und Entfernungen werden kürzer. Mit derart hohen Energien werden die geladenen Teilchen zur Gefahr für Satelliten: Weil sie nicht abschirmbar sind, können sie aufgrund ihrer Ladung die empfindliche Elektronik von Satelliten zerstören. Ihr Auftreten vorherzusagen, ist daher für eine moderne Infrastruktur sehr wichtig.

Wissenschaftler:innen am GFZ untersuchen die Bedingungen für die enormen Beschleunigungen der Elektronen mithilfe von detaillierten Messungen im Strahlungsgürtel. Der Strahlungsgürtel umgibt donut-förmig die Erde im erdnahen Weltraum. Ein Gemisch aus positiv und negativ geladenen Teilchen bildet im Strahlungsgürtel ein sogenanntes Plasma. Wellen dieses Plasmas entstehen durch Fluktuationen des elektrischen und magnetischen Feldes und werden durch Sonnenstürme angeregt. Diese Plasmawellen wiederum sind eine wichtige Triebkraft für die Beschleunigung der Elektronen, also die ultra-relativistischen Energien.

Die Wissenschaftler:innen konnten sowohl Sonnenstürme beobachten, die ultra-relativistische Energien verursachen, als auch Sonnenstürme, die das nicht tun. Sie haben festgestellt, dass ultra-relativistische Energien vermehrt auftreten, wenn die Plasmadichte nur etwa zehn Teilchen pro Kubikzentimeter beträgt. Die Plasmadichte wiederum kann aus gemessenen Fluktuationen des elektrischen und magnetischen Feldes berechnet werden.

Zum GFZ-Artikel: "Wie kommen erdnahe Elektronen auf beinahe Lichtgeschwindigkeit?"

Der irdische Ringstrom ist ein elektrischer Strom, der die Erde in den Abständen zwischen ~3 und ~5 Erdradien vom Erdmittelpunkt in der Äquatorebene umgibt. Während geomagnetischer Stürme verstärkt sich der Ringstrom und verringert das Erdmagnetfeld. In der Erholungsphase des Sturms klingt der Ringstrom aufgrund von Streuung der geladenen Teilchen durch Feldänderungen, Plasmawellen (z.B. elektromagnetische Ionen-Zyklotron-Wellen) oder Ladungsaustausch mit neutralen Atomen ab. Der Ringstrom ist eine entscheidende Komponente für unser Verständnis der Magnetosphärendynamik und geomagnetischer Stürme. Er kann in hohen Breitengraden kritische Infrastrukturen wie Stromnetze oder Kommunikations- und Navigationssatelliten beeinflussen.

Informationen zur Erforschung und Modellierung des irdischen Ringstroms am GFZ

Zur GFZ-Webseite "Space Weather"

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