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Langfristige Satellitenbeobachtungen zeigen, dass ein sich abschwächender Bereich im Magnetfeld der Erde über dem Südatlantik in den letzten zehn Jahren deutlich gewachsen ist. Neue Auswertungen der Daten der ESA-Mission Swarm belegen, dass sich die Anomalie seit 2014 um eine Fläche vergrößert hat, die fast die Hälfte des europäischen Kontinents entspricht. Ursachen sind veränderte Strömungsmuster tief im Inneren unseres Planeten, die das globale Erdmagnetfeld beeinflussen.
Ein rätselhafter Schwachpunkt, der weiter wächst
Die Süd-Atlantische Anomalie (SAA) wurde bereits im 19. Jahrhundert erstmals beschrieben; sie liegt südöstlich von Südamerika und kennzeichnet eine Region, in der das Erdmagnetfeld deutlich schwächer ist als anderswo. Mithilfe von elf Jahren hochpräziser Messungen der ESA-Satellitenkonstellation Swarm konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine stetige Ausdehnung dieser Schwachzone für den Zeitraum 2014 bis 2025 dokumentieren. Besonders auffällig ist, dass sich die Abschwächung seit etwa 2020 in einem Abschnitt des Atlantiks südwestlich von Afrika beschleunigt hat. Diese Entwicklung vergrößert die Anomalie effektiv um eine Fläche, die annähernd der Hälfte Europas entspricht und damit signifikante Konsequenzen für Raumfahrt und Navigation haben kann.
Swarm ist die erste speziell für Magnetfeldmessungen konzipierte Konstellation der ESA. Sie ist darauf ausgelegt, magnetische Signale zu trennen, die von verschiedenen Quellen stammen: dem Erdkern, dem Mantel, der Kruste, den Ozeanen sowie der Ionosphäre und der Magnetosphäre. Die drei baugleichen Satelliten liefern kontinuierliche, hochaufgelöste Datenreihen, die erforderlich sind, um diese Quellen zu entflechten und Veränderungen des schützenden Magnetfelds über die Zeit zu erkennen und zu quantifizieren. Diese Messungen sind grundlegend für die Erforschung der Geomagnetik und für praktische Anwendungen wie Satellitenschutz, Navigation und Weltraumwettervorhersage.
Swarm ist die erste Satellitenkonstellation der ESA zur Erdbeobachtung, die dafür entwickelt wurde, die magnetischen Signale aus Kern, Mantel, Kruste, Ozeanen, Ionosphäre und Magnetosphäre zu messen und Forschern Daten zur Verfügung zu stellen, mit denen sie die Komplexität unseres schützenden Magnetfelds untersuchen können.
Was im Inneren vor sich geht: umgekehrte Flusspatches und westliche Bewegung
Das Magnetfeld der Erde entsteht im flüssigen Eisen des äußeren Kerns in rund 3.000 Kilometern Tiefe. Konvektionsbewegungen in dieser elektrisch leitenden Flüssigkeit erzeugen elektrische Ströme und damit das geomagnetische Feld. Die Strömungen im Kern sind jedoch turbulent und zeitlich variabel, sodass nicht ein stabiles Dipolfeld wie bei einem starren Stabmagneten entsteht, sondern komplexe und sich wandelnde Strukturen.
Forscherinnen und Forscher führen das ungewöhnliche Verhalten der SAA auf sogenannte umgekehrte Flusspatches (reverse flux patches) an der Grenze zwischen äußerem Kern und dem darüberliegenden festen Mantel zurück. An diesen Stellen kehren sich die Magnetfeldlinien um: Statt aus dem Kern herauszutreten, biegen sie wieder in den Kern hinein. Professor Chris Finlay von der Technischen Universität Dänemark, Erstautor der Analyse, erklärt, dass sich einer dieser umgekehrten Flusspatches westwärts über die Region Afrikas bewegt und dort die Abschwächung verstärkt. Diese heterogene Dynamik zeigt, dass die Anomalie kein einheitlicher Block ist, sondern aus einem Flickenteppich besteht, der sich unterschiedlich in Richtung Afrika und in Richtung Südamerika entwickelt. Solche lokalen Besonderheiten der Kernströmung können regionale Schwächungen oder Verstärkungen des Magnetfelds hervorrufen und sich innerhalb weniger Jahre deutlich verändern.
South Atlantic Anomaly 2025 compared to 2014
Warum die Anomalie für Satelliten und Raumfahrtoperationen wichtig ist
Die SAA ist mehr als eine geophysikalische Eigenheit: sie hat konkrete Auswirkungen auf Raumfahrthardware. Satelliten, die durch die Anomalie hindurchfliegen, sind höheren Flüssen energiereicher geladener Teilchen ausgesetzt, die in der Magnetosphäre eingeschlossen sind. Das erhöht die Strahlungsbelastung für Bordelektronik, Sensoren und empfindliche Halbleiter. Die möglichen Effekte reichen von Single-Event-Upsets (SEUs) und vorübergehender Fehlfunktion von Instrumenten bis zu signifikanten Ausfällen, Datenverlusten und einer beschleunigten Alterung elektronischer Komponenten. Für Ingenieurinnen und Ingenieure sowie Missionsplaner ist es daher unerlässlich, die Ausdehnung, Lage und Intensität der SAA fortlaufend zu überwachen, um Risiken für Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn, einschließlich wissenschaftlicher Missionen, Telekommunikationssatelliten und bemannter Systeme, zu mindern.
Über die Sicherheit von Satelliten hinaus beeinflussen Veränderungen des Erdmagnetfelds Navigationssysteme, die auf magnetischen Referenzen und Modellen beruhen, und sie verändern die Reaktion von Polarlichtern und Strahlungsgürteln auf Weltraumwetterereignisse. Die dynamischen Befunde von Swarm unterstreichen die Notwendigkeit kontinuierlicher Beobachtung, damit betriebliche Modelle für Luftfahrt, Schifffahrt und Geolokalisierungsdienste aktuell gehalten werden können. Praktische Maßnahmen umfassen die Aktualisierung von Strahlenbelastungskarten, die Härtung kritischer Komponenten und adaptive Betriebsstrategien, um die Verweildauer in besonders strahlungsreichen Regionen zu minimieren.
Swarms mehr als zehn Jahre umfassende Aufzeichnung: beispiellose Kontinuität
Die drei Swarm-Satelliten wurden am 22. November 2013 im Rahmen des Earth Explorer-Programms der ESA gestartet und liefern seitdem die längste ununterbrochene weltraumgestützte Messreihe der Geomagnetik. Ursprünglich als Technologiedemonstratoren geplant, haben die Raumfahrzeuge ihre geplante Lebensdauer deutlich überschritten und sind inzwischen unverzichtbar geworden für globale Magnetfeldmodelle, die Überwachung des Weltraumwetters und die Forschung zur Dynamik des Erdinneren. Die Kontinuität und die hohe Messgenauigkeit der Daten sind ein zentraler Vorteil gegenüber punktuellen oder kurzzeitigen Beobachtungen.
Der umfangreiche Datensatz von Swarm bildet die Grundlage für operative magnetische Feldmodelle, die in der Navigation eingesetzt werden, und ist essenziell, um Signale aus Kern, Kruste und Umgebungssphäre voneinander zu trennen. Anja Strømme, Swarm-Missionsmanagerin bei der ESA, berichtet, dass die Konstellation weiterhin gesund ist und man hofft, die Beobachtungen über 2030 hinaus zu verlängern. Das bevorstehende solare Minimum wird besonders saubere Messungen des Kernfelds erlauben, da Sonnenaktivität und stromführende Partikel in der Magnetosphäre abnehmen und Störungen aus der Weltraumumgebung reduziert werden.
Verschiebung magnetischer Hochwerte: Sibirien wächst, Kanada schrumpft
Die jüngsten Analysen von Swarm zeigen, dass das Magnetfeld sich nicht global gleichförmig abschwächt: Einige Regionen erleben stattdessen eine Verstärkung. Auf der Nordhalbkugel existieren zwei umfangreiche Hochfeldgebiete im Raum Kanada und Sibirien; auf der Südhalbkugel ist ein starkes Feld in Teilen des Südens erkennbar. Seit dem Start von Swarm hat sich das sibirische Hochfeldgebiet um etwa 0,42 % der Erdoberfläche vergrößert – eine Fläche in der Größenordnung Grönlands – während das kanadische Hochfeldgebiet um etwa 0,65 % der Erdoberfläche geschrumpft ist, was einer Fläche ähnlich der Indiens entspricht. Diese Umverteilungen stehen im Zusammenhang mit der Drift des magnetischen Nordpols in Richtung Sibirien und sind durch komplexe Strömungsmuster im Kern getrieben.
Das Verschieben des Gleichgewichts zwischen diesen Hochfeldregionen hat praktische Folgen: es verändert die magnetische Deklination und kann Navigation und Karten beeinflussen, insbesondere Systeme, die noch immer auf magnetische Referenzen angewiesen sind. Für maritime Navigation, invasive Vermessungen und bestimmte landgestützte Anwendungen sind solche regionalen Änderungen von Bedeutung, weil sie regelmäßig aktualisierte geomagnetische Modelle erfordern. Die Fähigkeit von Swarm, regionale Hoch- und Tiefwerte zu verfolgen, liefert wertvolle Eingaben für die Modellierung und Vorhersage dieser Veränderungen.
Expertinnen- und Experteneinschätzung
Dr. Maya Patel, eine Geophysikerin mit Schwerpunkt auf Kernprozessen, gibt eine Einschätzung zur Bedeutung kontinuierlicher Beobachtung: "Der Erdkern ist ein chaotischer Motor. Kleine Veränderungen in den Strömungsmustern können magnetische Merkmale an der Oberfläche innerhalb weniger Jahre neu ordnen. Swarms langer Messzeitraum ist die einzige Möglichkeit, diese Umorganisierungen in Echtzeit zu erkennen und in Modelle einzuspeisen, die von Industrie und Forschung genutzt werden. Ohne diese anhaltende Messreihe wären wir blind gegenüber subtilen Vorläufern größerer Feldumstellungen." Ihre Aussage betont die Notwendigkeit konstanter Datenerhebung, um sowohl kurzfristige Schwankungen als auch längerfristige Trends wie Feldumkehrungen oder Exkursionen besser zu verstehen.
Wissenschaftlicher Kontext und Ausblick
Die beobachtete Ausdehnung der SAA verdeutlicht die Kopplung zwischen den Flüssigkeitsbewegungen im Erdkern und dem Magnetfeld, das wir an der Oberfläche und im erdnahen Raum messen. Um aus Beobachtungen belastbare Vorhersagen zu machen, kombinieren Wissenschaftler Satellitendaten mit numerischen Modellen von Kernströmungen und mit Modellen zur Leitfähigkeit des Mantels. Solche Modellierungen erlauben es, beobachtete Feldänderungen auf zugrundeliegende physikalische Prozesse zurückzuführen und Vorhersagen für die kurz- bis mittelfristige Entwicklung des Magnetfelds zu erstellen. Ein besseres Verständnis der Mantelleitfähigkeit, der Kern-Mantel-Grenzbedingungen und der Energiequellen für Kernströmungen ist dabei zentral.
Die Fortführung von Swarm, ergänzt durch Bodenbeobachtungen an geomagnetischen Observatorien und durch zukünftige Missionen, wird helfen, Phänomene wie geomagnetische Jerks, säkulare Variation sowie mögliche langfristige Trends hin zu Feldumkehrungen oder -exkursionen detaillierter zu untersuchen. Für Raumfahrtagenturen und Betreiber von Satelliten stehen kurzfristig die Aktualisierung von Strahlenbelastungskarten, die Härtung sensibler Systeme sowie die Optimierung von Bahnplanung und Betriebszeiten im Vordergrund, um die Expositionsdauer in stark belasteten Regionen zu verringern.
Für die Forschung bietet die SAA ein natürliches Labor, um Kernprozesse in Aktion zu studieren und Modelle zu validieren, die tiefe Erdvorgänge mit Auswirkungen auf das Weltraumwetter verknüpfen. Gleichzeitig liefert Swarm entscheidende Daten für die Entwicklung robuster geomagnetischer Produkte, die in Navigation, Telekommunikation, Erdbeobachtung und kritischer Infrastruktur Anwendung finden.
Mit dem Wachsen des Swarm-Datensatzes steigt auch unsere Fähigkeit, die Entwicklung des unsichtbaren Schutzschilds der Erde kontinuierlich zu beobachten. Diese detaillierte und dauerhafte Perspektive ist nicht nur für die Grundlagenforschung unverzichtbar, sondern auch für die praktische Aufgabe, Satellite und Dienste zu schützen, von denen moderne Gesellschaften in Wirtschaft, Sicherheit und Kommunikation abhängen.
Quelle: scitechdaily
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