Blick in das Erdinnere

Die SWARM-Satelliten basieren auf den erfolgreichen Missionen Champ und GRACE
5 Dezember 2005

Jules Vernes Reise zum Mittelpunkt der Erde wird die neue ESA-Mission SWARM indirekt nachvollziehen. Drei identische Satelliten sollen die bislang genaueste Vermessung des Erdmagnetfeldes und seiner Veränderungen vornehmen. Die Erkenntnisse werden unser Verständnis des Erdinnern und des Klimas verbessern.

Um neue Einblicke in die Zusammensetzung und die Prozesse im Erdinneren zu erhalten, braucht man heute weder zu graben noch zu bohren. Man muss vielmehr in den Erdorbit fliegen. Das Zauberwort heißt Satellitenfernerkundung. Direkte Einblicke in das Erdinnere vermitteln das Schwere- und Magnetfeld der Erde, deren orts- und zeitabhängige Variationen mit dynamischen Vorgängen im Erdkern in Verbindung gebracht werden.

Das Erdmagnetfeld als Schutzschild

Die Erde - eine Dynamo-Maschine

Die Erde mit einem mittleren Erdradius von 6370 km ist wie eine Zwiebel schalenförmig aufgebaut. Ihr innerer Kern ist vermutlich fest. Der Druck beträgt hier bis zu 4 Millionen bar und die Temperatur erreicht 5000 °C. Daran schließt sich der flüssige äußere Erdkern mit Temperaturen um bis zu 4000 °C an. Er besteht aus einer Nickel-Eisen-Schmelze. Diese wirkt aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit und im Zusammenwirken mit der Erdrotation wie ein gigantischer Dynamo und erzeugt so das Magnetfeld der Erde.

Durch Satellitendaten ist bekannt, dass das im Weltraum gemessene Magnetfeld der Erde durch insgesamt drei sich überlagernde Quellen gespeist wird. Der im Erdkern sowie im Erdmantel ablaufende Dynamo-Prozess bildet dabei die Hauptquelle. Hinzu kommen Anomalien, die durch magnetisierte Gesteinslagerstätten in der Erdkruste erzeugt werden. Beide Quellen bilden das Innenfeld. Dieses tritt mit den in den äußersten Bereichen der Erdatmosphäre, der Ionosphäre, fließenden elektrischen Strömen (Außenfeld) in Wechselbeziehung.

Für das Leben auf der Erde hat das Magnetfeld eine ganz entscheidende Bedeutung. Es dient zusammen mit der Erdatmosphäre als Schutzschild vor der gefährlichen solaren Strahlung, dem so genannten Sonnenwind. Träfen die elektrisch geladenen Teilchen der Sonne ungefiltert auf die Erdoberfläche, könnten höher entwickelte Lebensformen tödlich verstrahlt werden. Änderungen des Magnetfeldes können also existenzielle Auswirkungen sowohl für bestimmte Regionen der Erde als auch für den gesamten Planeten haben.

Verliert die Erde ihr Magnetfeld?

Dass sich das Magnetfeld der Erde ständig ändert und seine magnetischen Pole wandern, ist bekannt. In den letzten 150 Jahren hat die Magnetfeldstärke stetig abgenommen, was mit einem anstehenden Umkehren von magnetischem Nord- und Südpol zusammenhängt. Hält der Abbau an, verliert die Erde um das Jahr 4000 ihren kosmischen Schutzmantel. Dieser Vorgang ist nicht ungewöhnlich. In den vergangenen 40 Millionen Jahren gab es etwa 70 Magnetfeldumpolungen, die letzte vor etwa 750 000 Jahren. Eine zeitliche Gesetzmäßigkeit ist nicht erkennbar. Welche lebensbedrohenden Auswirkungen damit der menschlichen Zivilisation auf der heute dicht bevölkerten Erde eines Tages drohen, ist noch vollkommen unklar.

Durch gesicherte Satellitenmessungen ist bekannt, dass das Magnetfeld allein im Bereich des Südatlantiks in den letzten 25 Jahren um dramatische 12 Prozent abgenommen hat. Bereits heute erfahren niedrig fliegende Satelliten 90 Prozent ihrer Schädigungen durch hochenergetische Teilchen im Bereich der südatlantischen Anomalie.

ESA-Mini-Raumflotte SWARM

Bisherige Missionen, vor allem Cluster (ESA), CHAMP (D) und GRACE (USA/D), haben ebenfalls zweifelsfrei bewiesen, dass darüber hinaus ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen Magnetfeld, Atmosphäre und Klima besteht. Noch weitestgehend unbekannt sind jedoch die langfristigen Auswirkungen eines sich ändernden Magnetfeldes auf das irdische Klimageschehen. Dies will die ESA-Mission mit dem bezeichnenden Namen SWARM (engl. Schwarm) nun klären. SWARM ist eine weitere Erderkundungsmission im Rahmen des ESA-Programms Living Planet. Sie soll die bisher genaueste Vermessung des Erdmagnetfeldes und seiner zeitlichen Veränderungen vornehmen. Zwei nebeneinander fliegende Satelliten auf einer Höhe von 450 km und ein weiterer einzelner Satellit auf einer Höhe von 530 km werden hierbei die Swarm-Konstellation bilden. Alle drei Satelliten werden mit nur einer einzigen Trägerrakete gestartet.

Von polaren Umlaufbahnen aus wird das aus identischen Satelliten bestehende Trio hochpräzise Messungen der Stärke und der Ausrichtung des Magnetfeldes vornehmen. Mit den dann gewonnenen Beobachtungsdaten hoffen die Wissenschaftler, die verschiedenen Quellen des Erdmagnetfelds unterscheiden und in Modellen erklären zu können.

Der ESA-Auftrag zur Entwicklung und zum Bau der Mini-Satellitenflotte ging nach Friedrichshafen. EADS Astrium wird als industrieller Hauptauftragnehmer die drei Swarm-Satelliten innerhalb von 48 Monaten fertig stellen und hierfür ein deutsch-englisches Team einsetzen. Die Kosten für den Bau der drei Raumflugkörper liegen bei rund 86 Mill. Euro.

Warnung vor Strahlengefahren

Der Start der SWARM-Raumflotte ist für 2009/10 geplant. Die neue ESA-Mission wird damit auch die Forschungen des CHAMP-Satelliten fortsetzen. Das Multitalent des GeoForschungsZentrums Potsdam liefert bereits seit 2000 – bis voraussichtlich Ende 2008 – präzise Daten u.a. über das Magnetfeld der Erde.
Die immer bessere Kenntnis des Magnetfelds hat aber auch einen ganz praktischen Nutzen. Erwartet werden vor allem eine zukünftig sehr viel genauere Navigation von Schiffen und Flugzeugen, die Entdeckung neuer Ressourcen im Erdinneren, eine bessere Vorhersage des Weltraumwetters und eine rechtzeitige Warnung vor Strahlengefahren.

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