Expeditionen ins Erdinnere und in den Weltraum
Mit Hilfe von Satelliten gelangen in den letzten Jahren die ersten – noch unvollständigen – dreidimensionalen Vermessungen des Erdmagnetfeldes. Das mit höchster Präzision arbeitende Swarm-Trio soll alle bekannten Daten hinsichtlich der Qualität sowie der zeitlichen und räumlichen Genauigkeit toppen. Die von den Satelliten gelieferten hochauflösenden Messungen von Stärke, Ausrichtung und Schwankungen des Erdmagnetfelds sowie Messungen der elektrischen Feldstärke bilden die Basis, um verschiedene Quellen des Erdmagnetfelds unterscheiden und in Modellen erklären zu können.
Durch Kombination mit Daten anderer Weltraummissionen wie Cluster (ESA), CHAMP (Deutschland) oder STEREO (USA) erhoffen sich die Wissenschaftler neue Einblicke in die Entwicklung des Erdmagnetfeldes und seinen komplexen Wechselwirkungen mit der Ionosphäre, den oberen Atmosphärenschichten, der solaren Partikelstrahlung (Sonnenwind) sowie seinen möglichen Einfluss auf das Klima.
Der Blick ins Innere der Erde
Eine direkte Erkundung des Erdinneren ist nur bedingt möglich. Die bislang tiefste Bohrung der Welt – sie liegt auf der russischen Halbinsel Kola – erreichte zwar sensationelle 12.262 Meter. Doch der Mittelpunkt der Erde liegt in 6371 Kilometer Tiefe. Das ist bestenfalls ein oberflächliches Kratzen an der bis zu 100 Kilometer mächtigen Erdkruste. 6.359 Kilometer liegen noch im Dunkeln.
Um in das Erdinnere schauen zu können, muss man jedoch heute weder graben noch bohren. Das Zauberwort heißt Geofernerkundung. Die drei Swarm-Satelliten werden Jules Vernes Reise zum Mittelpunkt der Erde indirekt nachvollziehen. Einen direkten Einblick in das Erdinnere vermitteln nämlich das irdische Schwere- und Magnetfeld, deren orts- und zeitabhängige Veränderungen mit dynamischen Vorgängen im Erdkern in Verbindung gebracht werden.
Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die Konvektionsbewegungen im äußeren flüssigen Kern und die Rotationsbewegungen des inneren Kerns ziehen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden auch die Forschungsergebnisse ergänzen, die bei den Geoflow-Experimenten der Brandenburgisch-Technischen Universität Cottbus an Bord der Internationalen Raumstation gewonnen wurden. Bei Geoflow handelt es sich um eine kleine künstliche Erde, in der die Konvektionsbewegungen im flüssigen äußeren Kern der realen Erde modelliert werden.
Swarm wird erstmals globale 3D-Karten der elektrischen Leitfähigkeit im Erdmantel liefern. Damit können die Forscher mittels örtlicher Messwertvariationen den Erdmantel unter die Lupe nehmen und so dessen Zusammensetzung, Temperaturverläufe und den Wassergehalt bestimmen.
Die Erde-Sonne-Connection
Als Magnetosphäre bezeichnet man jenes Raumgebiet um die Erde, in der das Erdmagnetfeld dominiert. Sie wird vor allem durch den anströmenden Sonnenwind geformt und ständig durchgeschüttelt. Auf der sonnenzugewandten Seite erfolgt eine Stauchung, es bildet sich eine Bugstoßwelle. Auf der sonnenabgewandten Seite zieht der Sonnenwind die Magnetosphäre zu einem Schweif auseinander. Die Wechselwirkungen der Sonnenwindmagnetfelder mit dem irdischen Feld führen zu komplizierten Teilchenströmen und Verformungen besonders in Polnähe. Dort können dann hochenergetische Teilchen bis in die oberen Atmosphärenschichten vordringen und unter anderem die farbenfrohen Polarlichter erzeugen.
Um diesen Zusammenhängen auf die Spur zu kommen, hat die ESA vor 13 Jahren die aus vier baugleichen Satelliten bestehende Cluster-Flotte gestartet. Das Quartett hat besonders die Auswirkungen der Sonnenstürme auf das Erdmagnetfeld untersucht. Die Daten haben gezeigt, dass die Magnetosphäre einen viel komplexeren Aufbau aufweist, als bislang angenommen. Im Gegensatz zu Cluster werden die drei baugleichen Swarm-Satelliten aus niedrigen Umlaufbahnen die Wechselbeziehungen in den oberen Atmosphärenschichten und in der Ionosphäre untersuchen.
