Hintergrund | 14.08.2012 | Drucken | Teilen

Satellitentrio SWARM

Auf magnetischer Entdeckungsreise

Drei ESA-Sonden sollen in Kürze das Erdmagnetfeld genauer vermessen als je zuvor: Warum hat sich die irdische Schutzhülle in letzter Zeit so stark verändert?
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ESA-Satellit SWARM
© EADS Astrium

Es ist einer der letzten weißen Flecke der Erde. Nachdem Kontinente kartografiert, Meere durchsegelt und selbst die Lufthülle exakt vermessen wurde, ist das irdische Magnetfeld vielleicht das letzte große Mysterium. Ein kleiner Satellitenschwarm soll diese Wissenslücke nun schließen: SWARM, so sein Name, besteht aus drei Sonden, die im November 2012 vom russischen Raketenbahnhof Plessetzk aus ins All geschossen werden.

Mit dem Satellitentrio will die Europäische Raumfahrtagentur ESA die Magnetosphäre genauer untersuchen als je zuvor. Die Mission soll helfen zu verstehen, wie die Erde ein derartig starkes Magnetfeld aufrechterhalten kann, das eine wichtige Aufgabe erfüllt. Denn es bewahrt uns vor den rauen Teilchenwinden von der Sonne und aus den Tiefen des Alls. Derzeit verhält es sich jedoch merkwürdig: Seit Jahrzehnten wird es schwächer, was den Betreibern von Satelliten und von Kraftwerken am Boden Sorge bereitet.

Magnetfeld spielt verrückt

Wie das irdische Magnetfeld entsteht, gilt heute eigentlich als verstanden. Der innere Kern der Erde ist eine heiße Kugel aus Eisen und Nickel, die sich beständig mit dem äußeren flüssigen Erdkern dreht. Hier steigt erhitzte Materie spiralförmig auf: Ein überaus komplizierter Dynamo, der ein überraschend simples, zweipoliges Magnetfeld erzeugt, das unter anderem unsere Kompassnadeln auslenkt – aber mehr noch: Es reicht weit in den Weltraum hinaus und umgibt den Planeten vollständig mit einer gewaltige Schutzhülle. Nur nahe der Pole, wo die Feldlinien zusammenlaufen, können Teilchenwinde aus dem All gelegentlich herabsinken. Dann sorgen sie dort für farbenfrohe Polarlichter.

Ausschwärmen durchs Erdmagnetfeld
© EADS Astrium
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Charakteristischstes Merkmal der SWARM-Satelliten ist ihr vier Meter langer Ausleger, an dem ein hochsensibles Magnetometer befestigt ist. Auf seinem Orbit über die Pole werden die Sonden so die Magnetfeldlinien der Erde extrem detailliert aufzeichnen können.

Dabei ist dieses Feld jedoch alles andere als stabil, was vor allem mit der Sonne zu tun hat. Ihr eigenes Magnetfeld und der Sonnenwind – ein Strom geladener Teilchen – wirken dem irdischen Feld ständig entgegen. Sie verbiegen und verformen es, je nachdem wie aktiv die Sonne ist. Derzeit nähert sie sich sogar einem neuen Aktivitätsmaximum, was die Messungen von SWARM besonders interessant macht.

Vor allem wollen die Forscher aber überprüfen, ob sich das Erdmagnetfeld zukünftig weiter so stark verändert wie in den letzten Jahrhunderten. Das betrifft nicht nur die beiden Magnetpole – seit fast 180 Jahren schiebt sich der nördliche Pol immer weiter Richtung Nordwesten, kürzlich mit fast 50 Kilometern im Jahr. Obwohl Magnetkompasse in Zeiten moderner Navigationstechnik keine entscheidende Rolle mehr spielen, machen sich die Wissenschaftler darüber Sorgen. Denn das Feld bewegt sich nicht nur – es wird auch schwächer: in den letzten 150 Jahren um immerhin acht Prozent. Würde es bei dieser Zerfallsrate bleiben, müsste es rein rechnerisch in 1600 Jahren gänzlich verschwunden sein. An einer Stelle geht es sogar noch schneller. Im südlichen Atlantik nahm die Feldstärke seit dem Beginn von Satellitenmessungen im Jahr 1980 regional um zwölf Prozent ab. Hier sind Satelliten und sogar Flugreisende schon heute verstärkt der Teilchenstrahlung aus dem Weltraum ausgesetzt.

Die Forscher sind sich allerdings einig: Völlig verschwinden wird das Erdmagnetfeld nicht. Geologen wissen seit Langem, dass sich das Feld in der Planetengeschichte vielfach umgepolt hat. Ein Prozess, der sich irgendwann wiederholen könnte, was die schnellen Veränderungen im Südatlantik vielleicht andeuten: "Diese zuvor unvorstellbare Geschwindigkeit ist wohl nur damit zu erklären, dass ein Teil des Dynamos schon verkehrt herum läuft", erläutert der für SWARM verantwortliche Forscher Hermann Lühr vom Geoforschungszentrum in Potsdam. "Der Geodynamo dürfte sein Feld dort schon massiv abgebaut und ein Gegenfeld erzeugt haben, das das Erdmagnetfeld dort abschwächt."

Himmelsbatterie und Erdströme

Während sich das Magnetfeld über die Jahrhunderte abschwächte, wurde am Boden und im Orbit viel sensible Technik installiert. In Hochspannungsleitungen und Telefonkabeln können die geladenen Teilchen aus dem All Ströme induzieren, wenn sie durch den magnetischen Schutzschirm gelangen. Neu ist diese Einsicht nicht: Schon 1847 beobachteten britische Wissenschaftler, dass durch vermeintliche "Erdströme" sämtliche Telegrafenleitungen Großbritanniens ausfielen, während über Südengland Polarlichter tanzten. Das hatte aber mitunter auch sein Gutes: Im Jahr 1866 konnten US-amerikanische Telegrafen dank der Induktionsströme kurzerhand von ihren Batterien getrennt und "über eine Stunde lang nur mit Hilfe der Himmelsbatterien" betrieben werden, schrieb damals US-Wissenschaftler G. B. Prescott.

Im Zeitalter kontinentaler Netzverbünde überwiegen jedoch die Probleme. Einer der schwersten Vorfälle dieser Art kappte im März 1989 in Kanada 6,5 Millionen Menschen vom Stromnetz – und hinterließ Schäden von über zehn Millionen US-Dollar. Auch die so genannten Halloweenausbrüche auf der Sonne im Herbst 2003 sorgten für Stromausfälle, Verlust von Satelliten und sogar Schäden an der Sonde Mars Odyssey in ihrer Bahn um den Roten Planeten. Selbst Ölpipelines im hohen Norden leiden: 1991 entdeckte der kanadische Magnetfeldforscher David Boteler, dass in den Rohren dann vermehrt Ströme fließen, durch die der Stahl schneller korrodiert, was das Risiko für Leckagen erhöht.

Formationsflug durch Ionosphärenlöcher

Den Betrieb dieser Infrastruktur sicherer zu machen, lautet deshalb das hochgesteckte Ziel der SWARM-Mission. Ihre Aufgabe ist es, genügend Daten zu liefern, um zukünftig vielleicht Schwankungen und die Abnahme des irdischen Magnetfelds besser vorherzusagen zu können. Zuvor gestartete Magnetfeldsonden wie der dänische Ørsted und der deutsche CHAMP waren dazu noch nicht in der Lage: Den Einzelsatelliten fehlte der Rundumblick. Wollten Forscher das gesamte Erdmagnetfeld verstehen, mussten sie für die gerade nicht durchflogenen Zwischenbereiche aufwändige Computermodelle zur Hand nehmen, die nicht immer die richtigen Ergebnisse lieferten.

Deshalb starten gleich drei SWARM-Satelliten in eine polare Umlaufbahn, die von Nord nach Süd regelmäßig jeden Bereich des erdnahen Magnetfelds im Blick haben. Nur zwei davon fliegen direkt nebeneinander in einem Abstand von maximal 150 Kilometern. Sie werden das wichtigste Ziel der Mission wahrnehmen und das Magnetfeld in seiner ganzen Veränderlichkeit erfassen. Rund 150 Kilometer darüber behält der dritte Satellit den Überblick. Er bewegt sich etwas langsamer und ist deshalb nicht Teil des starren Formationsflugs. Doch erst er macht es möglich, Löcher in der Ionosphäre zu vermessen, einer hohen und dünnen Luftschicht, die stark vom Magnetfeld beeinflusst wird. Störungen in dieser Schicht behindern schon einmal Funkverbindungen, weil sie selbst Radiowellen aussenden. Besonders in tropischen Gebieten wie über Brasilien nimmt durch die Funklöcher auch die Genauigkeit des Navigationssystems GPS ab – oft kurz nach Sonnenuntergang und nach bisher kaum verstandenen Gesetzmäßigkeiten.

Magnetfeld durchmessen

Das Innenleben der SWARM-Satelliten ist nicht sonderlich neu. Es orientiert sich am 2010 verglühten CHAMP, der Ende der 1990er Jahre ebenfalls in Potsdam ersonnen wurde. Nicht nur äußerlich ist die Ähnlichkeit groß: Ein barrenförmiger Rumpf mit darauf platzierten Solarzellen trägt einen vier Meter langen Ausleger mit dem wichtigsten Instrument, dem Vektorfeld-Magnetometer. Es soll die Richtung des Erdmagnetfelds exakt vermessen, ein skalares Magnetometer misst auch seine absolute Stärke. Außerdem müssen die Raumschiffe sicher bestimmen, wo genau sie aktuell operieren. Zu diesem Zweck orientieren sie sich mit Hilfe von GPS. Ihre Flughöhen können zusätzlich mit kleinen Spiegeln überprüft werden. Auf sie kann vom Boden aus ein Laserstrahl gerichtet werden, aus dessen Laufzeit sich der Abstand millimetergenau ergibt.

Wirklich neu ist letztlich nur die Datendichte der Messungen, die sich schon aus dem Gruppenflug ergibt. Dadurch wollen die Forscher erstmals das im Erdorbit gemessene Magnetfeld in seine verschiedenen Verursacher unterteilen. In erster Linie sind das Sonne und Erdkern – aber es gesellen sich viele kleinere Effekte dazu: Beispielsweise planen die Wissenschaftler, die irdischen Meeresströmungen zu vermessen – einzig anhand ihrer magnetischen Signatur. Das salzige Meerwasser enthält nämlich gelöste Ladungsträger, die sich ständig durch das irdische Magnetfeld bewegen. Sie erzeugen dabei elektrische Ströme, die wiederum das Magnetfeld selbst verändern. Bislang existiert diese Idee nur auf dem Papier. Aber zumindest theoretisch ließen sich damit bewegte Wassermassen bis in einige Kilometer Tiefe verfolgen – sogar bis weit unter dicke Packeisschichten.

Nach Abzug aller Störeffekte bleibt schließlich der irdische Dynamo selbst. Geophysiker beschreiben das Feld aus dem Erdkern heute mit mehreren, konkurrierenden Computermodellen. Sie heißen Frozen Flux oder Helical Flow – und keines davon kann alle Effekte erklären: Die Abschwächung des Felds selbst, die Anomalie im Südatlantik und viel kleinere Schwankungen, die immer mal wieder auftreten und bis heute kaum vorhersagbar sind. SWARM ist auf gutem Wege das zu ändern – und zu einem der letzten weißen Flecke der Erde vorzudringen.

© Spektrum.de
Ausschwärmen durchs Erdmagnetfeld
© EADS Astrium

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