SWARM – Europa untersucht das irdische Magnetfeld

Am Freitag, den 22. Januar 2013, kurz nach 13 Uhr MEZ erhob sich mit lautem gegrummel die Rockot Rakete vom russischen Kosmodrom Plesetsk und verschwand kurz drauf in den dichten Wolken. Auf ihrer Spitze warteten die drei Swarm-Satelliten auf ihren Transfer in die Umlaufbahn. Gut 1 Stunde und 40 Minuten später war klar, dass der Start, die Trennung der Satelliten von der Trägerrakete erfolgreich war und die Satelliten in ihrem Orbit um die Erde angekommen waren. Sie sendeten Signale zur Bodenstation.
Glückwunsch an die Europäische Raumfahrt Organisation ESA und das Kontrollzentrum ESOC in Darmstadt zu der neuen Erdbeobachtungsmission Swarm.

Was ist Swarm?

Quelle: Oliver Debus

Swarm ist eine Erdbeobachtungsmission bestehend aus drei baugleichen Satelliten, deren Aufgabe es ist das Erdmagnetfeld zu untersuchen. Sie umkreisen die Erde auf polaren Umlaufbahnen, d.h. ihre Bahn führt sie über die magnetischen Pole der Erde. In einer Höhe von etwa 300 bis 530 Kilometern fliegen die etwa 9 Meter langen, 1,5 Meter breiten, 1 Meter hohen und 473 Kilogramm schweren Forschungsroboter um die Erde, deren Form eher an die Sternzerstörer von Star Wars als an hochmoderne Messgeräte erinnern.

Quelle: ESA

Zwei Satelliten umkreisen die Erde leicht versetzt auf beinahe parallelen Bahnen, die sich an den Polen kreuzen. Die Höhe der Bahnen liegen zwischen 300 und 460 Kilometern. Der dritte Satellit hat eine Bahn, die um gut 90° zu den beiden anderen versetzt ist und höher liegt. Er umkreist die Erde in einer Höhe von 530 Kilometern. Dadurch ist es möglich das Erdmagnetfeld mit einer bisher nicht erreichten Auflösung zu vermessen.

Die wissenschaftlichen Instrumente sind teils im eigentlichen Satellitenkörper untergebracht aber auch teils im ausschwenkbaren Gerätearm installiert. Das läßt die Satelliten wie einen Rochen aussehen.

Die Instrumente

Um ihre Mission erfolgreich auszuführen sind die Satelliten mit verschiedenen teils neu entwickelten Messgeräten ausgestattet um das Magnetfeld und das elektrische Feld um die Erde zu messen. Damit man ein genaue Vorstellung vom Aussehen beider Felder umd die Erde erhält sind die Orbiter auch mit Geräten zur Bestimmung des genauen Ortes über der Erde ausgestattet.

Quelle: ESA

Am Kopf des Satellitenkörpers befinden sich zwei Instrumenten zur Messung des elektrischen Feldes. Zwei Thermal-Ion Imagers und zwei Langmuir Sonden an der Unterseite. Die Thermal-Ion Imagers messen das Plasma, geladenes Gas in diesem Bereich der Erdatmosphäre. Es mißt die Ionen im Gas und bestimmt die Dichte des Plasma, sowie Richtung und Geschwindigkeit der Ionen. Dies geschieht mit einer hohen Auflösung. Man möchte so eine 3 dimensionale Ansicht des elektrischen Feldes um die Erde bekommen. Mit den beiden Langmuir Sonden wird die Elektronendichte, die Elektronentemperatur des Plasmas sowie das elektrische Potential des Satelliten gemessen.

Quelle: ESA

Am ausfahrbaren Gerätearm, der wie ein Schwanz am Ende des Orbiters sitzt, befinden sich die Messgeräte für die Untersuchung des Magnetfeldes. Ganz am Ende sitzt das Absolute Scalar Magnetometer, der Sensor zur Messung der absoluten Stärke des iridschen Magnetfeldes. Das Gerät ist mit Helium-4 Gas gefüllt, das von dem Magnetfeld unterschiedlich stark aufgeladen wird. Dies führt zu einer Veränderung der Absortionseigenschaften des Heliums wenn es, wie in dem Sensor mit Licht bestrahlt wird. In der Mitte des Armes sitzt das Vector Field Magnetometer, mit die Größe und Richtung des Magentfeldes bestimmt wird. Zur exakten Bestimmung der genauen Richtung des Magentfeldes ist das Magnetometer mit dem Startracker gekoppelt, der die Ausrichtung des Magnetometers nach bestimmten Leitsternen vermessen kann.
Im Satellitenkörper ist der Accelerometer eingebaut der die auf den Satelliten wirkende Beschleunigungskräfte mißt, die nicht auf das irdische Schwerefeld zurückgehen, sondern durch die Veränderung der Atmosphärendichte bewirkt werden. Damit will man bestimmen wie der Sonnenwind sich auf die Dynamik der oberen Atmosphäre auswirkt. Die exakte Position der Satelliten wird zum einen über GPS, zum anderen über den Laser retroflector bestimmt.

Die Missionsziele

Quelle: ESA

Die Ziele der für 4 Jahre ausgelegten Swarm Mission ist die Untersuchung des Erdmagnetfeldes in einer bisher unbekannten Auflösung. Die Forscher erhoffen sich damit Antworten auf bisher noch ungelöste Fragen das Magnetfeldes, seiner Entstehung und Entwicklung, sowie der Wechselwirkung mit dem Sonnenwind. Über das Magnetfeld möchte man einen Einblick in das Innere der Erde gewinnen und so etwas über die Dynamik des flüssigen Erdkerns, der Prozesse die den Erddynamo an Laufen halten und der Wechselwirkung zwischen Erdkern und Erdmantel erfahren. Daneben möchte man etwas über den Magnetismus der Erdkruste und dessen geologischen Kontext erforschen, Desweiteren möchte ein räumlichen Bild der elektrischen Leitfähigkeit des Erdmantels in Bezug zu seinem Aufbau erarbeiten. Weiterhin möchte man wissen inwieweit Meeresströmungen einen Beitrag zum Erdmagnetfeld leisten.
Zu den Missionsaufgaben gehört auch die Untersuchung inwieweit die Sonne die Erde beeinflußt. Dazu soll die elektrischen Ströme in der Magnetosphäre und der Ionosphäre gemessen werden. So hofft man mehr über den Einfluß des Sonnenwindes auf die obere Atmosphäre zu erfahren.

Warum braucht man das?

Wir leben in einer hochtechnisierten Welt. Unser Leben ohne Strom aus der Steckdose, Satellitennavigation oder Nachrichtenübermittlung über Satelliten ist kaum noch vorstellbar. Vor kosmischen Einflüssen, wie beispielsweise dem durch den Sonnenwind verursachtem Weltraumwetter schützt uns zum einen die Erdatmosphäre, aber noch viel wichtiger ist das Erdmagentfeld. Das dies kein sicherer Schutz ist, habe schon früher durch starke Sonnestürme verusachte lokalen Ausfälle der Stromversorgung oder des Funknetzes gezeigt.

Das Erdmagnetfeld hat seinen Ursprung im Innern der Erde. Quelle: ESA

Das Erdmagnetfeld entsteht im Innern unseres Planeten. Der aus flüssigem Eisen bestehende Erdkern wirkt wie ein Dynamo und erzeugt durch bewegte Ladungen ein Magnetfeld, das unsere Erde vor geladenen Partikel aus dem Weltraum schützt. Die Magmaströme im Erdmantel, sowie die Erdkruste und die Meeresströmungen tragen einen Teil zum Magnetfeld bei, das zwischen 60.000 bis 120.000 Kilometer in den Weltraum hinausragt. Es wird auch vermutet, das die Atmosphäre auf des irdische Magnetfeld durch elektrische Ströme einwirkt.
Es ist ein Schutzschild, dass uns vor hochenergetischen geladenen Teilchen von der Sonne und aus dem Kosmos schützt.
Durch den Sonnenwind wird das irdische Magnetfeld verzerrt und die geladenen Teilchen im Sonnenwind und den gelegentlich auftretenden Sonnenstürmen werden zu den Polen gelenkt und erzeugen dort unter anderem faszinierende Polarlichter. In Polnähe können sie aber auch zu Schäden in der elektrischen Infrastruktur oder des Kommunikationsnetzes führen. Forschungen haben aber auch gezeigt, dass das Erdmagnetfed nicht stabil ist, sondern Schwankungen unterliegt.

In der ozeanischen Kruste haben magnetische Umpolungen ihre Spuren hinterlassen. Quelle: ESA

Das Magnetfeld verändert seine Stärke und es kam in geologischen Zeiträumen zu Umpolungen des Magnetfeldes. Diese habe ihre Spuren zum Beispiel im der ozeanischen Kruste hinterlassen und sind messbar. Auch das heutige Magnetfeld schwächt sich ab und die Magnetpole wandern. Warum das passiert ist noch nicht verstanden. Was das für Folgen haben kann, darüber wird spekuliert wird. Wann der nächste Polshift kommt, so nennt man die Umpolung des Magnetfeldes ist offen.

Kein Wunder also, dass man mit einer Mission wie Swarm diese Fragen nachgehen will und das Erdmagnetfeld untersucht. Man möchte die Prozesse die zu seiner Entstehung und seiner Entwicklung aber auch zu der Fluktation des Feldes führen besser verstehen. Mit diesem Wissen kann man Technologien entwickeln, die uns besser vor den Gefahren durch des Weltraumwetter entstehen.

Rockotträgerrakete mit den drei Swarm-Satelliten. Quelle: Oliver Debus

Es ist also eine wichtige Mission, mit der die Europäische Raumfahrtorganisation ESA einen bedeutenden Beitrag zum Schutz der Menschheit beiträgt.
Wünschen wir der Mission viel Erfolg und den Sonden das sie bei bester „Gesundheit“ bleiben.

 

 

 

 

 

 

 

Weiterführende Links:

Erlebnisbericht vom Startevent im ESOC in Darmstadt.
Bilder vom Startevent
ESA Webseite zu Swarm
Swarmartikel bei Physik Journal

Videos:
ESA Video Einführung zum Magnetfeld (engl.)

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ESA Video über die Swarm-Mission (engl.)

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ESA Video über das Erdmagnetfeld und Swarm (engl.)

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Replay des Launch-Events im ESOC in Darmstadt (engl.)

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Autor: Oliver Debus

Seit 1983 Amateurastronom und seit 1988 in der astronomischen Volksbildung tätig.

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