Faltblatt Swarm, GFZ

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SWARM
Satelliten-Trio auf Forschungsreise
durch das Erdmagnetfeld
Die SWARM Mission wurde von der Europäischen
SWARM wird das Erdmagnetfeld und -Schwerefeld von
Raumfahrtbehörde ESA mit dem Ziel der genauen Erfor-
drei Orten aus gleichzeitig registrieren. Weitere Ziele
schung des Erdmagnetfelds, dessen Stärke, Orientie-
der Mission sind die Beobachtung von Stromsystemen
rung sowie seiner zeitlichen Veränderungen initiiert.
in der Magnetosphäre und Ionosphäre sowie die Be-
Diese Mission ist die fünfte Earth Explorer Mission der
schreibung des Systems Thermosphäre/Ionosphäre.
ESA und ist eingegliedert in das Living Planet Program-
Neben der Grundlagenforschung zur Untersuchung der
me der ESA, das sich mit der Erkundung des Systems
globalen Dynamik, dienen die Meßdaten praktischen
Erde befasst. Einzigartig bei SWARM ist die Untersu-
Zwecken, z. B. zur verbesserten Orbitbestimmung, zur
chung des Erdmagnetfelds mittels einer Konstellations-
Weltraumwettervorhersage und der zuverlässigeren
mission, bei der drei baugleiche Satelliten die Erde auf
GPS-Navigation.
verschiedenen Umlaufbahnen umkreisen.
SWARM Flotte, künstlerische
Darstellung (ESA/AOES
Medialab).
Helmholtz-Zentrum Potsdam
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg · 14473 Potsdam
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Fax:
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Satelliten-Trio auf Forschungsreise durch das Erdmagnetfeld
Optische Bank mit dem
Vektormagnetometer
Kernstück und wird die Richtung und Geschwindigkeit
der eintreffenden Ionen messen. Von diesen Größen
(Kugel) und drei Stern-
kann die Ionendrift, das umgebende elektrische Feld,
kameras (die dritte ist
die Ionenart und -temperatur abgeleitet werden. Zwei
verdeckt), (Astrium).
zusätzliche Langmuir-Sonden messen die Elektronendichte und -temperatur.
Ein GPS-Empfänger ermöglicht die genaue Orbitbestimmung. Zur Ü berprüfung der Positionsdaten dient ein Laser-Retroreflektor auf der Unterseite. Mit dessen Hilfe
lässt sich der Abstand vom Boden aus hochgenau vermessen. Der Magnetometermast des 3-achs-stabilisierten Raumfahrzeugs ist während des Flugs nach hinten
gerichtet. Die schlanke Form des Satelliten mit einem
geringen Querschnitt in Flugrichtung ermöglicht eine
lange Missionszeit in geringer Flughöhe.
SWARM Messinstrumente
Die SWARM-Satelliten sind mit einer Reihe sich ergänzender Messinstrumente ausgestattet. An der Spitze
des 4 Meter langen Instrumentenarms befindet sich ein
skalares Helium-Magnetometer zur hochgenauen Feldstärke-Bestimmung. In der Mitte des Auslegers ist das
Herzstück des Satelliten angebracht, die optische Bank,
mit dem Vektormagnetometer und den drei Sternkameras, die die Ausrichtung des Satelliten auf ein Tausendstel Grad genau ermitteln.
Für Schwerefeldmessungen ist im Schwerpunkt des Satelliten ein dreiachsiges Akzelerometer montiert. Durch
diese Position ist sichergestellt, dass das Messgerät
nicht durch die Orbitdynamik gestört wird, sondern ausschließlich die Kräfte misst, die auf das Raumfahrzeug
wirken, z. B. Luftwiderstand und Lichtdruck. Auch die
Messung von Luftdichte und Wind ermöglicht das Akzelerometer.
Die Erforschung der Ionosphäre erfolgt durch das elektrische Feldinstrument. Das Ionendriftmeter ist dessen
Anordnung der verschiedenen wissenschaftlichen Instrumente auf SWARM
(ESA/AOES Medialab).
Die drei SWARM Satelliten werden
mit einer Trägerrakete gestartet.
Anschließend werden sie zeitgleich
ausgesetzt und in verschiedene
Umlaufbahnen gebracht. Das Ausklappen des Instrumentenarms
wird eine der ersten Aktionen sein
(Astrium).
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Satelliten-Trio auf Forschungsreise durch das Erdmagnetfeld
Das geomagnetische Feld und seine Variabilität
Das Erdmagnetfeld setzt sich aus internen und externen
Anteilen zusammen. Die stärkste magnetische Quelle
ist das Kernfeld, erzeugt vom Geodynamo im flüssigen
Eisenkern. Einen kleineren Anteil am geomagnetischen
Feld tragen die magnetisierten Gesteine in der Erdkruste bei. Das im Erdkern erzeugte Feld ist einem ständigem Wandel unterworfen, der sog. Säkularvariation.
Schnelle Änderungen der Säkularvariation werden als
geomagnetische Jerks bezeichnet. Sie sind Anzeichen
für Änderungen im Geodynamo. Die SWARM-Flotte ermöglicht durch hochaufgelöste Messungen eine Kartierung der Feldverteilung an der Kern-Mantel Grenze, nahe dem Entstehungsort.
Die zwei nebeneinander fliegenden Satelliten werden
die Krustenmagnetisierung genau kartieren. Diese Karten können sowohl der geologischen Charakterisierung
Darstellung der Verteilung der Luftdichte in 400 km Höhe
während der Equinox-Monate. Die höchsten Dichten werden nicht am subsolaren Punkt gemessen, sondern entlang zweier Bänder, die sich südlich und nördlich des
magnetischen Äquators erstrecken (gestrichelte Linie).
(CHAMP, GFZ)
des Geländes dienen als auch zur Erkundung von Mineral- und Erzlagerstätten genutzt werden.
besonders ausgeprägt. Angetrieben durch den solaren Wind
werden elektrisch geladene Teilchen aus dem Weltraum ent-
Stromsysteme der Ionosphäre/Magnetosphäre
lang der geomagnetischen Feldlinien in die Hochatmosphä-
Elektrische Ströme in der planetaren Umgebung erzeugen
re befördert. Das SWARM-Paar in der tieferen Umlaufbahn
Magnetfelder, die schnellen Änderungen unterworfen sind.
soll zur eindeutigen Messung dieser sog. feldparallelen Strö-
Diese externen Felder können die Beobachtung von Kern-
me mittels der Rotation-B-Methode genutzt werden. Die Er-
und Krustenfeldern erheblich beeinträchtigen. Die Ströme
gebnisse sind relevant für die Erforschung der Atmosphäre,
der Ionosphäre sind in den hohen Breiten der Nordlichter
aber auch zur Korrektur der Kernfeldmodelle.
Erforschung der Hochatmosphäre
Die Erdatmosphäre ist kurzfristigen Änderungen unterworfen. Im Gegensatz zur globalen Erwärmung der
Troposphäre kommt es in den höheren Schichten zur
Abkühlung und Dichteabnahme. Die SWARM-Satelliten werden den Grad dieser Änderungen in Umlaufbahnhöhe aufzeichnen. Heutige Beobachtungen
konnten zeigen, dass das Klima und Wetterphänomene die Dynamik der Ionosphäre und Thermosphäre
beeinflussen. Wellen und Strömungen, die sich über
die verschiedenen Schichten der Atmosphäre ausbreiten, sollen durch SWARM dokumentiert werden.
Die Dynamik der ionosphärischen Partikel wird durch
das geomagnetische Feld gesteuert. Kürzlich wurde
nachgewiesen, dass auch die Eigenschaften der Neutralatmosphäre durch dieses Feld beeinflusst wird.
Radiales Magnetfeld an der Kern-Mantel-Grenze.
Mit Hilfe der sich ergänzende Instrumentierung auf
Gelb/rote Farbtöne entsprechen der Polarität der Nord-
SWARM werden diese unerwarteten Zusammenhän-
hemisphäre, blaue Töne zeigen die Polarität der südlichen Hemisphäre. Auffällig sind einige gelbe Bereiche
auf der Südhalbkugel mit umgekehrter Polarität. Deren
Entwicklung sollte beobachtet werden (CHAMP, GFZ).
ge zukünftig genauer untersucht.
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Satelliten-Trio auf Forschungsreise durch das Erdmagnetfeld
Weltraumwetter
Das Magnetfeld der Erde bildet ein wirkungsvolles
Schutzschild gegen hochenergetische Strahlung aus
dem Weltraum. In manchen Regionen der Erde ist die
Feldstärke gering, beispielsweise im südlichen Atlantik,
und Raumfahrzeuge erleben hier häufig Fehlfunktionen.
Eine Aufgabe für SWARM ist daher das Beobachten und
Vorhersagen der Entwicklung dieser südatlantischen
Anomalie (SAA). Starke ionosphärische Ströme, die oft
im Zusammenhang mit Nordlichtern auftreten, können
störende Ströme in Ü berlandleitungen hervorrufen.
SWARM kann dazu beitragen, die Kopplungsmechanismen zu ermitteln. Radiowellen können beim Durchgang
durch das Plasma der Ionosphäre ebenfalls gestört werden, wodurch sich die Satellitenkommunikation und
GPS-Navigation verschlechtert. SWARM wird auch hier
Unregelmäßigkeiten identifizieren und Wahrscheinlichkeitsaussagen über Zeit und Ort des Auftretens der Stö-
Eine Aurora (Nordlicht) in den hohen Breiten entsteht durch Wechselwirkungen zwischen dem geomagnetischen Feld mit geladenen Teilchen des Sonnenwinds. Auroras
gehen einher mit starken elektrischen Strömen, die Störungen in Überlandleitungen
hervorrufen können (Bildquelle: Jouni Jussila).
rungen treffen.
Zahlen und Fakten zur SWARM Mission
Start:
November 2013 (Plessezk, Russland)
Missionsdauer:
4 Jahre
Trägerrakete:
Rockot
Satellitenmasse:
je ca. 500 kg
Orbit-Typ:
zirkular, polar
Bahnhöhe:
Sat. A, B: 450-300 km
Sat. C: 530 km
Inklination:
Sat. A, B: 87.3°
Sat. C: 88.0°
Separation:
Sat. A-B: 1.4° in geogr. Länge
Die Stärke des geomagnetischen Felds an der Erdoberfläche ist ungleich verteilt (CHAMP,
GFZ). Der schützende Effekt ist schwächer im Bereich des Südatlantiks. Die weißen Punkte
zeigen Orte, an denen Fehlfunktionen bei Raumfahrzeugen auftraten (TOPEX/Poseidon).
SWARM Projektbüro Deutschland
Das SWARM Projektbüro am GFZ in Potsdam koordider SWARM-Daten durch deutsche Unternehmen
und Forschungsinstitute. Es initiiert Programme zur
Forschungsförderung und Finanzierung. Außerdem
werden die Medien und die Öffentlichkeit über die
Inhalte und Ziele der SWARM-Mission informiert.
Das SWARM Projektbüro wurde von der Bundesrepublik Deutschland eingerichtet, Auftraggeber: Raumfahrtmanagement
des
Deutschen
Zentrums
für Luft- und Raumfahrt e.V. mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie basierend auf einen Beschluss des Deutschen Bundestags (FKZ 50EE0916).
Europäische Weltraumorganisation (ESA):
http://www.esa.int/esaLP/LPswarm.html
EADS-Astrium
http://www.astrium.eads.net/de/programme/swarm.html
SWARM Projektbüro Deutschland:
http://www.swarm-projektbuero.de/
c/o Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Telegrafenberg, D-14473 Potsdam, Germany
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niert die wissenschaftliche und technische Nutzung