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Satelliten, die das Magnetfeld der Erde messen, berichten von einer sich ausdehnenden "Delle" in der magnetischen Schutzschicht über dem Südatlantik. Neue, langfristige Daten zeigen, dass die South Atlantic Anomaly (SAA) sowohl an Fläche zugenommen als auch an Stärke abgenommen hat. Diese Veränderungen deuten auf unruhige Bewegungen tief im Erdinneren hin — Bewegungen, die erhebliche Auswirkungen auf Satellitenbetrieb, Navigation und Strahlenexposition haben können.
What the South Atlantic Anomaly is — and how we monitor it
Die SAA ist eine Zone über dem Südatlantik sowie Teilen Südamerikas und Südafrikas, in der das Erdmagnetfeld ungewöhnlich schwach ist. Aufgrund dieses lokal abgeschwächten Feldes können geladene Teilchen aus dem Weltraum näher an die Atmosphärenschichten herankommen und stärker mit Satelliten, Raumfahrzeugen und empfindlicher Elektronik interagieren. Für Betreiber von Raumfahrtmissionen ist die SAA damit eine beträchtliche Risikozone für Single-Event-Upsets (SEUs), erhöhte Sensorstörungen und die Akkumulation elektrischer Ladung an Bauteilen.
Erste Beobachtungen von ungewöhnlichen magnetischen Strukturen in dieser Region gehen bereits auf die 1960er Jahre zurück. Eine durchgehende, hochauflösende Überwachung war jedoch erst möglich, nachdem die Europäische Weltraumorganisation (ESA) 2013 die Swarm-Konstellation in Betrieb genommen hatte. Die drei Swarm-Satelliten arbeiten koordiniert, um das geomagnetische Feld zu kartieren, und liefern damit die längste kontinuierliche Datenreihe zur Entwicklung des Feldes, die heute verfügbar ist. Aus diesen Zeitreihen können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Veränderungen in Intensität, Form und Bewegung magnetischer Merkmale wie der SAA präzise ableiten und räumlich sowie zeitlich auflösen. Diese Messungen sind essenziell, um zwischen kurzzeitigen Störungen (z. B. durch solare Ereignisse) und langfristiger, säkularer Variabilität des Geodynamos zu unterscheiden.
New findings: growth, drift and a patchy structure
Aktuelle Auswertungen der Swarm-Daten deuten darauf hin, dass sich die SAA seit etwa 2014 deutlich vergrößert hat — um eine Fläche, die grob der Hälfte des Kontinents Europa entspricht — während ihre magnetische Intensität weiter abgenommen hat. Die Anomalie ist dabei nicht als ein einziges, statisches Loch im Feld zu verstehen; vielmehr verhält sie sich wie ein Verbund mehrerer zusammenhängender, aber unterschiedlich agierender Flecken, die sich in Form und Stärke regional verschieden entwickeln. Solche patchy Strukturen erschweren einfache statistische Beschreibungen und verlangen nach räumlich aufgelösten Modellen und Zeitreihenanalysen.
„Die South Atlantic Anomaly ist nicht einfach ein einzelner Block“, erläutert der Geophysiker Chris Finlay von der Technischen Universität Dänemark. „Sie verändert sich gegenüber Afrika anders als in der Nähe von Südamerika. In dieser Region passiert offenbar etwas Besonderes, das eine intensivere Abschwächung des Feldes hervorruft.“ Solche differenziellen Bewegungen lassen vermuten, dass lokale Fluss- oder Temperaturstrukturen im äußeren Kern sowie Mantelheterogenitäten die Feldtopologie komplex modulieren.
Die Swarm-Daten zeigen beispielsweise ein ungewöhnliches magnetisches Fluss-Feature, das westwärts über Afrika driftet; diese horizontale Verlagerung beeinflusst die regionale Stärke der SAA in diesem Sektor. Vergleichsbildserien aus den Jahren 2014 und 2025 machen sowohl die Ausdehnung als auch die Abnahme der Feldstärke anschaulich sichtbar und dokumentieren, wie dynamisch sich die Anomalie über Dekaden hinweg verändern kann. Solche zeitlich aufgelösten Karten sind wichtig, um Vorhersagemodelle zu validieren und um Einflüsse auf operative Systeme abzuschätzen.
Die Größe und Stärke der Anomalie 2014 (oben) und 2025 (unten). (ESA)
What’s happening deep inside Earth?
Das Erdmagnetfeld entsteht im äußeren Kern: Dort zirkuliert geschmolzenes Eisen, das elektrisch leitfähig ist, und durch Konvektion und Rotation den so genannten Geodynamo antreibt. Auf großen Skalen erzeugt dieser Prozess ein annähernd dipolares Feld — vergleichbar mit einem Stabmagneten mit einem magnetischen Nord- und Südpol — doch die reale Feldstruktur enthält zahlreiche regionale und zeitliche Abweichungen. Unterhalb der SAA verläuft die Feldtopologie ungewöhnlich: An bestimmten Stellen tritt magnetischer Fluss nicht erwartungsgemäß aus dem Kern in der südlichen Hemisphäre aus, sondern lokale Flecken zeigen Fluss, der scheinbar wieder in den Kern versinkt oder sich komplexer umsetzt.
Eine plausible Ursache für diese Anomalien ist die sogenannte African Large Low-Shear-Velocity Province (LLSVP), eine massiv große, heiße und dichte Zone in der Nähe der Kern-Mantel-Grenze unter Afrika. Seismische Tomographie zeigt diese LLSVP als Bereich mit verringerter Scherwellen-Geschwindigkeit; solche thermisch-dichten Strukturen können die Konvektionsmuster im äußeren Kern stören, lokale Strömungen umlenken und damit die Oberflächen-Konfiguration des Magnetfeldes beeinflussen. Kurz gesagt: Das, was Swarm in der hohen Erdumlaufbahn registriert, ist ein Fingerabdruck dynamischer Prozesse, die sich viele tausend Kilometer unter unseren Füßen abspielen. Die Kopplung zwischen Mantelheterogenitäten (wie LLSVP), Kernflüssen und magnetischer Feldentwicklung bleibt ein zentrales Forschungsthema in der Geodynamik.
Why this matters: satellites, navigation and radiation
- Satellites and electronics: Ein abgeschwächtes Magnetfeld bedeutet weniger Abschirmung gegenüber energiereichen, geladenen Teilchen. Satelliten, die durch die SAA fliegen, sind daher anfälliger für Single-Event-Upsets (SEUs), erhöhte Sensorstörungen, elektronische Fehlfunktionen oder die Ansammlung statischer Ladungen, die Instrumente und Bordelektronik beeinträchtigen können. Betreiber müssen deshalb Strahlungsverträglichkeit (radiation hardening), redundante Systeme und spezielle Betriebsmodi in SAA-Passagen einplanen.
- Navigation systems: Manche Navigationsverfahren und geomagnetischen Referenzmodelle stützen sich weiterhin auf magnetische Messgrößen. Schnelle oder unregelmäßige Änderungen der Feldstruktur können Kalibrierungen erschweren und erfordern regelmäßige Updates geomagnetischer Referenzmodelle (z. B. das World Magnetic Model, WMM), die von Fluglinien, Schifffahrt und Militär genutzt werden. Ungenauigkeiten im geomagnetischen Modell wirken sich direkt auf Kompass-basierte Navigation und auf Algorithmen aus, die Magnetfelddaten zur Lagebestimmung heranziehen.
- Aviation and human exposure: Astronauten, Besatzungsmitglieder von Höhenflugzeugen und Passagiere auf regelmäßigen Hochstreckenflügen sind in Gebieten schwächerer Magnetfelder einer höheren Ionisierungsstrahlung ausgesetzt. Zwar sind die zusätzlichen Dosen in vielen Fällen relativ gering, doch für Langzeitmissionen, häufige Flugrouten und besonders strahlenempfindliche Berufsgruppen sind genaue Abschätzungen und Monitoring notwendig, um Gesundheitsrisiken zu bewerten und Schutzmaßnahmen zu planen.
Das Verständnis der SAA ist daher nicht nur von wissenschaftlichem Interesse, sondern hat unmittelbare praktische Relevanz für Satellitenbetreiber, Luftverkehrsunternehmen, Raumfahrtagenturen und Anbieter von Navigationsdiensten. Früherkennung, robuste Modellierung und operative Gegenmaßnahmen sind Schlüssel, um Risiken durch geomagnetische Variabilität zu minimieren.
Mission details and future prospects
Die Mission der drei Swarm-Satelliten wurde gezielt entworfen, um zeitliche und räumliche Änderungen des geomagnetischen Feldes aufzulösen. An Bord befinden sich hochpräzise Magnetometer sowie ergänzende Sensoren, die Feldintensität, Feldorientierung und relevante Umgebungsparameter messen. Durch die koordinierte Erfassung von Punktmessungen über die Zeit können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kurzzeitige Fluktuationen (z. B. durch solare Stürme oder ionosphärische Ströme) von langfristigen säkularen Änderungen trennen und so die Modelle des Geodynamos verbessern. Swarm liefert damit nicht nur empirische Beobachtungen, sondern auch unverzichtbare Daten zur Validierung numerischer Modelle und Inversionsansätze.
Anja Strømme, Swarm-Missionsleiterin bei der ESA, kommentiert: „Es ist wirklich großartig, das Gesamtbild unseres dynamischen Planeten dank der verlängerten Zeitreihen von Swarm zu sehen. Die Satelliten sind alle in gutem Zustand und liefern exzellente Daten, sodass wir hoffen, diesen Datensatz über 2030 hinaus fortführen zu können. Insbesondere während eines solaren Minimums ergeben sich dann oft besonders klare Einblicke in die intern verursachten Magnetfeldänderungen.“
Jenseits der Swarm-Mission werden Fortschritte in bodengestützten Messnetzwerken, Rechenmodellen und Laboruntersuchungen zur Fluiddynamik und Magnetismus die Hypothesen über die Verbindung zwischen tiefen Mantelstrukturen wie der LLSVP und oberflächlichen magnetischen Anomalien weiter überprüfen. Insbesondere kombinierte Ansätze aus seismischer Tomographie, numerischer Geodynamik und geomagnetischer Inversionsanalyse versprechen ein besseres Verständnis der kausalen Ketten vom Kern bis zur Magnetosphäre.
Expert Insight
Dr. Laura Mendes, eine Raumfahrtphysikerin, die nicht an der Swarm-Analyse beteiligt war, ordnet die Befunde ein: „Stellen Sie sich den Erdkern als einen turbulenten Ozean aus flüssigem Metall vor. Lokal auftretende Wirbelbewegungen und großskalige Temperaturanomalien im Mantel können diese Strömungen so umleiten, dass sich das Magnetfeld über Jahre bis Jahrzehnte verändert. Was Swarm zeigt, ist in gewisser Weise das Wetter des Geodynamos — und wie das Wetter kann es schnell, regional unterschiedlich und überraschend sein.“
Ihr praktischer Hinweis an Ingenieure und Planer lautet: „Für Satellitenentwickler und Missionsplaner ist die Botschaft klar — rechnen Sie mit regionaler magnetischer Variabilität und gestalten Sie Systeme sowie Abläufe so, dass sie gelegentliche Zunahmen der Teilchenaktivität tolerieren können. Dazu gehören robuste Fehlerkorrekturen, redundante Sensoren, flexible Betriebsmodi und regelmäßige Aktualisierungen geomagnetischer Modelle.“
Während Swarm die Zeitreihe weiter verlängert, erwarten Fachleute präzisere Vorhersagemodelle, die früher warnen können, wenn Änderungen drohen, operative Raumfahrtinfrastruktur zu beeinträchtigen. Vorläufig bleibt die Süd-Atlantische Anomalie ein anschauliches Beispiel dafür, wie dynamisch und miteinander verknüpft sowohl das Erdinnere als auch die nahe Umgebung unseres Planeten sind. Die Kombination aus Langzeitbeobachtung, Modellierung und interdisziplinärer Forschung wird in den kommenden Jahren entscheidend sein, um Risiken zu mindern und die physikalischen Mechanismen hinter der Anomalie endgültig aufzuklären.
Quelle: sciencealert
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