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GeoWerkstatt-Projekt des Monats Juli 2020 - Stürme in der Thermosphäre

Stürme in der Thermosphäre – was Satellitendaten verraten

GeoWerkstatt-Projekt des Monats Juli 2020

Projekt: Unterstützung bei der Analyse und Verarbeitung von Swarm Beschleunigungsdaten

Forschende: Dr. Sergiy Svitlov, Dr.-Ing. Akbar Shabanloui, B. Sc. Daniel Rotter, Prof. Dr.-Ing. Jakob Flury

Projektidee: Beschleunigungsdaten der Swarm-Satelliten gewinnen, um das Weltraumwetter in der oberen Erdatmosphäre zu untersuchen

Seit jeher waren Menschen von Polarlichtern fasziniert und haben versucht, dieses Phänomen mithilfe von Mythologie und Wissenschaft zu erklären. Heutzutage wissen wir, dass eine komplexe Wechselwirkung zwischen geladenen und neutralen Teilchen im Erdmagnetfeld Polarlichter auslöst. Doch detaillierte Kenntnisse über die Dichte der Thermosphäre, eine der oberen Schichten der Erdatmosphäre, sind nicht nur nützlich, um dieses Phänomen zu erklären, sondern auch nötig, um zahlreiche wissenschaftliche Fragestellungen zu beantworten: Wie die Sonne das Erdklima beeinflusst, wie sich Radiowellen durch die Atmosphäre ausbreiten, und um Satellitenbahnen präzise zu modellieren, insbesondere um so mögliche Kollisionen zwischen Raumfahrzeugen und Weltraummüll vorherzusagen und zu verhindern.

© ESA/ATG Medialab
Abbildung 1. Swarm Konstellation

Die Satellitenmission Swarm ist Teil des Earth Explorer Programms der ESA und umfasst eine Konstellation aus drei baugleichen Satelliten (siehe Abbildung 1), die am 22. November 2013 starteten. Ziel dieser Mission ist die bisher beste globale Vermessung der Erdmagnetfelds und seiner Schwankungen. Die Satelliten Swarm A, Swarm B, und Swarm C sind dafür jeweils mit einer Vielzahl an Instrumenten ausgestattet: Vectorfeldmagnetometer, absolute Skalarmagnetometer, ein Electric Field Instrument, GPS-Empfänger, Laserreflektor, Sternkameras und dreiachsige elektrostatische Akzelerometer.

Die Beschleunigungssensoren an Bord der Swarm-Satelliten machen es möglich, die Neutraldichte der oberen Atmosphäre (Thermosphäre) in Bahnhöhen von etwa 460 km (Swarm A und C) und 530 km (Swarm B) sowie die thermosphärischen Winde zu bestimmen. Mit dadurch gewonnenen zusätzlichen Informationen lässt sich die Dynamik der oberen Atmosphäre untersuchen.

Die unbearbeiteten Daten der Swarm Akzelerometer werden nicht an die Nutzer verteilt, da sie durch eine Vielzahl von Störungen beeinflusst sind. Um den wissenschaftlichen Nutzen der Mission zu verbessern, wurde deshalb das internationale Konsortium Swarm DISC mit einem Projektbüro bei DTU Space – dem dänischen nationalen Raumfahrtinstitut – gegründet. Als Vertragspartner der ESA entwicklen wir am Institut für Erdmessung der Leibniz Universität Hannover eigene Softwarewerkzeuge und sorgen für die operationelle Datenverarbeitung, sodass korrigierte und kalibrierte Daten des Swarm C Akzelerometers für den Zeitraum von Februar 2014 bis April 2020 öffentlich verfügbar sind: ftp://swarm-diss.eo.esa.int/Level2daily/Latest_baselines/ACC/CAL/

© ife
Abbildung 2. Swarm C Dichten als Funktion der Zeit und des Arguments der Breite (obere Teilgrafiken) und Indizes der solaren und geomagnetischen Aktivität (untere Teilgrafiken).

Abbildung 2 zeigt die Thermosphärendichten, die aus diesen korrigierten und kalibrierten Beschleunigungen von Swarm C berechnet wurden (obere Teilgrafiken), sowie die Indizes der solaren und geomagnetischen Aktivität (untere Teilgrafiken) [Ch. Siemes et al. 2016 Swarm accelerometer data processing from raw accelerations to thermospheric neutral densities, Earth, Planets and Space 68-92]. Das "Argument der Breite" bezeichnet den vom aufsteigenden Bahnknoten aus gemessenen Winkel entlang der Umlaufbahn, wobei 0° und 180° den aufsteigenden bzw. absteigenden Äquatorübergängen entsprechen, während 90° und 270° den nördlichsten und südlichsten Punkten in der Umlaufbahn entsprechen. Die linken Teilgrafiken zeigen die Daten eines Jahres, während die rechten Teilgrafiken die 10 Tage rund um den geomagnetischen Sturm am St. Patrick's Day im März 2015 detailliert darstellen. Der Vergleich dieser Teilgrafiken macht dabei deutlich, dass während des Sturms die Dichte um mehr als das Dreifache zunahm im Vergleich zu den ruhigen Verhältnissen vor dem Sturm. Die bisher veröffentlichten Daten der Akzelerometer sind nützlich, um die Entwicklung und das Ausmaß der Anomalien in den thermosphärischen Neutraldichten zu untersuchen.