„Swarm“ kartiert im Formationsflug das irdische Magnetfeld
Ein in Deutschland gebautes Satelliten-Trio hat heute Mittag seinen Weg in die polare Erdumlaufbahn antreten. In den kommenden vier Jahren werden die drei identischen Satelliten das Erdmagnetfeld, das in den letzten 150 Jahren immer schwächer geworden ist, erstmals präzise vermessen.
Drei identische Swarm-Satelliten umkreisen die Erde und vermessen das irdische Magnetfeld. Auf ihren Auslegerarmen befindet sich das Hauptmessinstrument, ein außergewöhnlich präziser Magnetometer.
Foto: ESA
Eine Rockot-Trägerrakete brachte das „Swarm“ genannte Trio vom russischen Weltraumbahnhof Plessezk aus auf polare Umlaufbahnen. Dort soll Swarm das Magnetfeld der Erde über vier Jahre lückenlos und mit bisher nicht gekannter Genauigkeit dreidimensional kartieren. Profitieren werden davon neben den Geoforschern viele andere Wissenschaftszweige. Der Schwarm aus drei baugleichen Satelliten gehört zum Programm der Europäischen Raumfahrtagentur ESA. An der wissenschaftlichen Konzeption und künftigen Auswertung der gewonnenen Daten hat das Deutsche Geoforschungszentrum (GFZ) in Potsdam großen Anteil.
Die Erde ist ein gigantischer Dynamo
Obwohl das Magnetfeld der Erde seit etwa 150 Jahren intensiv erforscht und vermessen wird, gibt es immer noch weiße Flecken. Carl Friedrich Gaus hatte im 19. Jahrhundert herausgefunden, dass das Magnetfeld aus dem Inneren der Erde stammt. Seitdem wird das unsichtbare Feld, das unseren Planeten vor energiereicher Strahlung aus dem Weltraum schützt, durch ein weltweites Netz geophysikalischer Observatorien kontinuierlich vermessen. Die geladenen Teilchen, etwa die sehr energiereiche Strahlung des Sonnenwindes, werden entlang der Magnetfeldlinien um die Erde herum gelenkt. Manchmal, wenn trotz des Schutzschildes Teilchenschauer in die Atmosphäre dringen, macht sich das in Störungen von Stromnetzen, Computern oder Navigationsnetzen bemerkbar.
Wie das irdische Magnetfeld überhaupt gebildet wird, war lange Zeit unklar. Heute ist die Dynamotheorie allgemein anerkannt. Sie basiert auf dem inneren Aufbau der Erde. Der Erdkern besteht aus Eisen, Nickel und Silizium und hat einen Durchmesser von etwa 1250 Kilometern. Der innere Kern wird von einem äußeren Kern aus flüssigem Eisen umschlossen, der elektrisch leitfähig ist. Dann folgt der 2900 Kilometer mächtige Erdmantel und schließlich die Erdkruste. Das magnetische Feld entsteht durch die Bewegung der flüssigen Materie im äußeren Erdkern. Dort bilden sich Strömungen durch aufsteigendes heißes Material, das sich bei gleichzeitiger Abkühlung vom heißen Kern fortbewegt und dann wieder in Richtung inneren Kern sinkt. Dieser sogenannte Geodynamo erzeugt etwa 95 Prozent des Magnetfeldes. Den Rest liefern magnetisierte Gesteine, Quellen außerhalb der Erde und Ozeanströmungen, die ihren Beitrag durch die Bewegung von leitfähigem Salzwasser leisten.
Das Erdmagnetfeld hat sich in 150 Jahren um zehn Prozent verringert
Das Erdmagnetfeld ist allerdings kein statisches Gebilde. Es variiert ständig. Dabei ändert sich nicht nur die Feldstärke, die derzeit immer geringer wird, auch die Pole werden verschoben. Die Feldstärke hat sich in den letzten 150 Jahren um zehn Prozent verringert. Würde es bei dieser Zerfallsrate bleiben, müsste es rein rechnerisch in 1600 Jahren gänzlich verschwunden sein. In einigen Regionen, wie im Südatlantik, verläuft die Abschwächung sogar noch stärker, es bilden sich Anomalien des Gesamtfeldes. Die Forscher sind sich allerdings einig, dass das Erdmagnetfeld nicht völlig verschwinden wird. Seit fast 180 Jahren schiebt sich der nördliche Pol immer weiter in Richtung Nordwesten, seit 2000 teilweise mit bis zu 65 Kilometern im Jahr. Dies könnte der Beginn einer Umpolung des Magnetfeldes sein, so dass der Nordpol zum Südpol wird und umgekehrt.
Das Magnetfeld umgibt die Erde wie eine Hülle und schützt uns vor kosmischer Strahlung und dem Sonnenwind. Wie bei einem gigantischen Dynamo wird das Magnetfeld hauptsächlich durch einen flüssigen heißen Strom aus Eisen, der 30.000 Kilometer unter unseren Füßen fließt, erzeugt.
Quelle: ESA
Derartige Umpolungen hat es in den vergangenen 40 Millionen Jahren etwa 70 Mal gegeben, die letzte vor 780.000 Jahren. Die erdgeschichtlich gesehen rasanten Veränderungen im Südatlantik könnten ein Hinweis auf die nächste Umpolung sein. Vielleicht läuft ein Teil des Dynamos bereits verkehrt herum. Noch weiß niemand, wie stark sich das Erdmagnetfeld abschwächen wird und welche Folgen sich für das Leben auf der Erde durch eine Umpolung ergeben. Außerdem ist der Mechanismus, der diese Änderungen bewirkt, noch nicht vollends geklärt.
Nutzen der Swarm-Mission auch für die Schifffahrt
Mit Hilfe der Swarm-Daten wollen die Geoforscher nun die genauen Zusammenhänge herausfinden. Die drei identischen Satelliten werden die Erde wie einen Schwarm umrunden. Ausgerüstet sind sie mit den präzisesten Magnetometern, die jemals gebaut wurden. Aufgrund ihrer geschickt gewählten Umlaufbahnen können sie das Magnetfeld erstmals komplett und dreidimensional vermessen. Parallel dazu wird auch eine 3D-Karte des elektrischen Feldes erstellt. Beide Felder sind eng miteinander verbunden. Durch die Verknüpfung der Daten hoffen die Geoforscher auf neue Erkenntnisse.
Die gewonnenen Daten werden aber auch Wissenschaftlern anderer Fachgebiete nützlich sein und praktischen Nutzen haben. Denn trotz der GPS-Signale verlassen sich Luft- und Schifffahrt nicht darauf, sondern nutzen den Kompass auch weiterhin als Referenzinstrument. Dazu gehören aber auch genaue Karten, die wegen der Magnetfeldänderungen – insbesondere wegen der Polverschiebungen – auf Basis der weltweiten regelmäßigen Vermessungen alle fünf Jahre aktualisiert werden müssen.
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