Quelle: NASA, Goddard Space Flight Center / Vanessa Thomas, 1. Mai 2026

Dieser gefangene Schwarm geladener Teilchen spielt eine wichtige Rolle dabei, wie die Erde auf sich ändernde Bedingungen im Weltraum reagiert – das sogenannte Weltraumwetter –, die sich auf die Technologien auswirken können, auf die wir uns verlassen, wie Satelliten und Stromnetze. Dennoch gibt es noch vieles, was wir über den Ringstrom nicht wissen.

Die NASA bereitet den Start einer Mission vor, die einen einzigartigen Einblick in den Ringstrom bieten soll. Die Mission mit dem Namen STORIE (Storm Time O+ Ring current Imaging Evolution) soll im Mai an Bord der 34. kommerziellen Versorgungsmission von SpaceX zur Internationalen Raumstation für die NASA starten. Die Mission ist Teil der Nutzlast des Space Test Program – Houston 11 (STP-H11), einer Partnerschaft zwischen der U.S. Space Force und der NASA. Sobald STORIE robotergesteuert an der Außenseite der Raumstation installiert ist (voraussichtlich wenige Tage nach ihrer Ankunft), wird es den außenliegenden Ringstrom beobachten und Wissenschaftlern dabei helfen, langjährige Fragen darüber zu beantworten, wie er wächst und schrumpft und aus welchen Partikeln er besteht.

„Diese Teilchen haben erhebliche Auswirkungen auf das Weltraumwetter“, sagte Alex Glocer, der leitende Forscher des STORIE-Projekts am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, wo das Instrument entwickelt und gebaut wurde. „Wir wollen verstehen, wie sich diese eingeschlossene Teilchenpopulation bildet und woher sie stammt.“

Diese Details sind besonders wichtig während Sonnenstürmen, wenn Ausbrüche der Sonne zu magnetischen Störungen auf der Erde führen können. Ähnlich wie die Van-Allen-Strahlungsgürtel der Erde, jedoch mit Teilchen geringerer Energie gefüllt, neigt der Ringstrom dazu, während Sonnenstürmen in Größe, Form und Intensität stärker zu schwanken als die Strahlungsgürtel. Zudem fließen im Ringstrom positiv und negativ geladene Teilchen in entgegengesetzte Richtungen und erzeugen so elektrische Ströme. Veränderungen dort können daher zu magnetischen Schwankungen und induzierten Strömen am Boden führen, was sich potenziell auf Pipelines und Stromleitungen auswirken kann. Der Ringstrom kann auch zur Ladungsbildung an der Oberfläche von Satelliten in der Erdumlaufbahn beitragen, was zu Störungen bei Raumfahrzeugen führen kann. Wenn die Energie im Ringstrom ansteigt, wird zudem ein Teil dieser Energie in die obere Atmosphäre übertragen, wodurch sich diese erwärmt, ausdehnt und einen größeren Luftwiderstand auf Satelliten ausübt, was dazu führen kann, dass das Raumfahrzeug früher als erwartet aus der Umlaufbahn gerät.

Es ist jedoch schwierig, den Ringstrom direkt zu untersuchen, da die darin enthaltenen Teilchen unsichtbar sind. „Man kann sie nicht einfach mit einer Kamera abbilden“, erklärte Glocer.

Stattdessen wird STORIE nach dem Leuchten energiereicher neutraler Atome (ENAs) suchen, die entstehen, wenn geladene Teilchen, die im Ringstrom gefangen sind, entkommen können. Die Teilchen erlangen ihre Freiheit, indem sie der äußeren Erdatmosphäre, der sogenannten Exosphäre, ein Elektron entziehen und dadurch neutral werden.

„Sobald diese geladenen Teilchen neutralisiert sind, unterliegen sie nicht mehr den Einflüssen des Erdmagnetfelds und sind nicht mehr gebunden“, sagte Glocer. „Sie können einfach in jede beliebige Richtung davonfliegen.“

Durch die Messung der Geschwindigkeit und Richtung der ENAs könnte STORIE dazu beitragen, langjährige Fragen über den Ursprung der Teilchen im Ringstrom zu beantworten – ob sie von einem aus der Sonne strömenden Teilchenstrom, dem sogenannten Sonnenwind, oder von der Erde stammen.

Das STORIE-Team hat das Instrument so konzipiert, dass es besonders auf positiv geladene Sauerstoffatome (O+) achtet, denn laut Glocer „stammt Sauerstoff, den man dort sieht, aus der Atmosphäre. Aus dem Sonnenwind gelangt nur sehr wenig davon dorthin.“ Wenn STORIE viele Sauerstoffatome nachweist, wissen die Wissenschaftler, dass der Ringstrom größtenteils aus der Erdatmosphäre stammt und nicht aus dem Sonnenwind.

Glocer und andere Wissenschaftler wollen außerdem herausfinden, ob sich die geladenen Teilchen des Ringstroms in schnellen Schüben oder langsam und allmählich ansammeln. „Ist es so, als würde man einen See mit dem stetigen Fluss eines Wasserfalls oder mit einer Menge Regentropfen füllen?“, sagte Glocer.

Frühere NASA-Missionen – wie IMAGE (Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration) und TWINS (Two Wide-angle Imaging Neutral-atom Spectrometers) – haben die ENAs des Ringstroms bisher aus der Vogelperspektive untersucht, wodurch sie den gesamten Ringstrom auf einen Blick erfassen konnten. Aus dieser Perspektive kann jedoch das von der Erde – im Zentrum des Rings – reflektierte ultraviolette Licht die ENA-Beobachtungen stören, und die Betrachtungsgeometrie erschwert es, gefangene Teilchen im Ringstrom nahe dem Äquator der Erde zu erkennen.

„Aus der Inside-Out-Perspektive von STORIE hat man die Erde im Rücken und kann diese gefangene Teilchenpopulation nahe dem Äquator sehen, die für andere Missionen schwer zu beobachten war“, sagte Glocer.

Einige Höhenraketenexperimente haben in der Vergangenheit kurze Einblicke in das Innere des Ringstroms geliefert, doch standen ihnen nur wenige Minuten zur Beobachtung zur Verfügung, und sie konnten bei jedem Flug nur einen Ausschnitt des Ringstroms erfassen. Die Aufnahmen von STORIE zeigen jeweils nur einen Ausschnitt des Ringstroms, doch während die Raumstation die Erde umkreist, wird STORIE etwa alle 90 Minuten ein vollständiges Bild des Ringstroms erstellen.

Während seiner sechsmonatigen Mission wird STORIE beobachten, wie sich der Ringstrom im Laufe der Zeit entwickelt, und es Wissenschaftlern ermöglichen, sein Verhalten während Sonnenstürmen mit dem bei ruhiger Sonnenaktivität zu vergleichen. Die Erkenntnisse von STORIE werden uns helfen, besser zu verstehen, wie die Erde auf Sonnenstürme reagiert, die Vorhersagen zum Weltraumwetter zu verbessern und die Auswirkungen des Weltraumwetters auf die Technologien, auf die die Menschheit angewiesen ist, abzumildern.

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• Weltraumwetter

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Quelle: GFZ 21. August 2024.

21. August 2024 – Im Zeitalter einer schnell wachsenden Flotte von Satelliten im Weltraum ist die genaue Vorhersage von Weltraumwetterphänomenen wie sturmartigen Verstärkungen von elektromagnetischen Feldern und Teilchenströmen unerlässlich, um die Satelliteninfrastruktur vor Schäden und Systemausfällen zu schützen. Ähnlich wie die Genauigkeit von Wettervorhersagen auf der Erde von der genauen Kenntnis der aktuellen atmosphärischen Bedingungen abhängt, erfordert die Vorhersage der Wetterphänomene des erdnahen Weltraums ein tiefes Verständnis des aktuellen Zustands der dynamischen Strahlungsgürtel, die die Erde umgeben. Ein internationales Forschungsteam um Bernhard Haas und Yuri Shprits vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ hat – in Zusammenarbeit mit dem Sonderforschungsbereich „Data assimilation“ der Universität Potsdam – am Beispiel eines geomagnetischen Sturms gezeigt, wie das in der terrestrischen Wettervorhersage sehr leistungsfähige Prinzip der Datenassimilation hierfür genutzt werden kann. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, das aus einer Fülle von punktuellen Echtzeit-Messungen, in diesem Fall per Satellit, mithilfe physikalisch basierter Modelle fortlaufend einen stimmigen Gesamt-Ausgangszustand für die weiteren Prognosen ermittelt. Die Studie ist im Fachmagazin Nature Scientific Reports erschienen.

Hintergrund: Notwendigkeit und Herausforderung bei der Weltraumwettervorhersage
Die Strahlungsgürtel und der Ringstrom, die die Erde im Weltraum umgeben, stellen eine Bedrohung für Satelliten dar: Die dort fliegenden geladenen Teilchen können durch Effekte wie Aufladung oder Oberflächenladung an elektronischen Komponenten vorübergehende Fehlfunktionen oder irreversible Schäden verursachen. Bei geomagnetischen Stürmen, die die Teilchenströme verstärken und „verwirbeln“, steigt diese Gefährdungslage. Eine rechtzeitige Vorhersage solcher Gefahren kann Satellitenbetreibern helfen, ihre wertvollen Anlagen zu schützen.

Um die Teilchenströme um die Erde räumlich und zeitlich möglichst präzise vorhersagen zu können, ist es notwendig, den Ausgangszustand permanent möglichst genau zu kennen. Hierfür stehen aber nur punktuelle Messungen von einigen spezialisierten Satelliten zur Verfügung. Das globale Bild muss daraus mithilfe von Modellen errechnet werden.

Zwar sind in der Modellierung und Beschreibung der Ringströme grundsätzlich Fortschritte zu verzeichnen. So hat eine Mitte 2023 von Forschern des GFZ publizierte Studie einen bislang nicht berücksichtigten Verlustmechanismus von Teilchen im Ringstrom entdeckt, der die Genauigkeit der Weltraumwettervorhersage entscheidend verbessern könnte. Und mit physikalischen Modellen lässt sich die grundlegende Dynamik des Ringstroms in geomagnetisch ruhigen Zeiten bereits gut darstellen.

„Insbesondere bei hochdynamischen Ereignissen wie geomagnetischen Stürmen sind globale Zustandsbeschreibungen in nahezu Echtzeit aber immer noch eine Herausforderung“, sagt Bernhard Haas, Doktorand in der GFZ-Sektion Weltraumphysik und Weltraumwetter und Erstautor der Studie.

Übertragung einer Methode aus der Meteorologie: die Datenassimilation
Daher machten sich Haas und sein Team vom GFZ um Yuri Shprits, Leiter der Sektion und Professor an der Universität Potsdam, zusammen mit weiteren Forschenden des Sonderforschungsbereichs „Data Assimilation“ (SFB 1294) der Universität Potsdam sowie aus den USA und Japan die Vorteile der sogenannten Datenassimilation zunutze. Dieses Verfahren hat sich bereits in der Meteorologie als unverzichtbar erwiesen, wo ebenfalls kleine Unsicherheiten in der Kenntnis des aktuellen Zustands zu erheblichen Fehlern in zukünftigen Vorhersagen führen können.

Als Datenassimilation bezeichnet man das Zusammenführen von Informationen aus Messungen und physikalischen Modellen. Ein zugrundeliegender Algorithmus ist beispielsweise der auch in der vorliegenden Studie verwendete Kalman-Filter. In einer iterativen Schleife wird der zukünftige Zustand auf Basis der jeweils aktuell verfügbaren Messdaten und des zugrundeliegenden physikalischen Modells permanent neu abgeschätzt, inklusive Angabe der dazugehörigen Unsicherheit.

Auch im Bereich der Weltraumwettervorhersage ist die Assimilierung von Echtzeitdaten der Teilchenflüsse, die von Satelliten bereitgestellt werden, ein Schlüssel, um Erkenntnisse über den gegenwärtigen Zustand der Weltraumumgebung zu gewinnen und Analysen nach extremen Ereignissen wie geomagnetischen Stürmen durchzuführen.

Validierung des Ansatzes mit Daten aus einem geomagnetischen Sturm 2017
Während bisherige Bemühungen, mit diesem Ansatz zu arbeiten, aufgrund begrenzter Datenmengen nicht quantitativ validiert werden konnten, boten die Van-Allen-Sonden der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA und der Arase-Satellit der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine einzigartige Gelegenheit hierfür: Es umkreisten gleich mehrere hochspezialisierte Satelliten gleichzeitig die Erde. Sie konnten während des geomagnetischen Sturms am 7. September 2017 hochpräzise Daten über die Teilchenflüsse liefern. Dabei befanden sich die Van-Allen-Sonden auf der Tagseite der Erde, Arase auf der gegenüberliegenden Nachtseite. Diese Kombination ermöglichte es den Forschenden, die Ergebnisse der Assimilierung von Daten eines Satelliten durch die des anderen zu validieren und die globale Reaktion des Ringstroms während dieses Ereignisses zu untersuchen.

Resümee
„Die Ergebnisse unserer Studie unterstreichen, dass die Datenassimilation bei geomagnetischen Stürmen, bei denen die Vorhersage des dynamischen Systems schwierig ist, zu einem entscheidenden Instrument wird. Dabei reicht die Assimilierung von Messungen eines einzigen Satelliten aus, um die globalen Modellergebnisse erheblich zu verbessern. Das stellt die traditionellen Annahmen in der Meteorologie in Frage, wo oft große Datenmengen für die Assimilierung verwendet werden“, resümiert Bernhard Haas.

Yuri Shprits betont: „Das am GFZ betriebene Ringstrommodell kombiniert alle verfügbaren Daten, auch von anderen Satelliten, mit unserem hochmodernen Modell und liefert so die genaueste Rekonstruktion des aktuellen Zustands der gefährlichen Weltraumumgebung sowie präzise Vorhersagen für die Zukunft. Diese Forschung ebnet den Weg für eine neue Art von Vorhersagen auf der Grundlage von Messungen, die zum Schutz unserer wertvollsten Güter im Weltraum beitragen werden.“

Originalstudie:
Haas, B., Shprits, Y.Y., Wutzig, M. et al. Global validation of data-assimilative electron ring current nowcast for space weather applications. Sci Rep 14, 2327 (2024).
doi.org/10.1038/s41598-024-52187-0
https://www.nature.com/articles/s41598-024-52187-0
pdf: https://www.nature.com/articles/s41598-024-52187-0.pdf

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• Weltraumwetter

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Quelle: GFZ 21. Juni 2023.

21. Juni 2023 – Geladene Teilchen aus dem Weltraum werden vom Magnetfeld der Erde eingefangen. Sie fließen dann auf einer kreisförmigen Bahn um die Erde und bilden den so genannten Ringstrom. Das Wissen um seine Dynamik ist wichtig, weil er wiederum das Erdmagnetfeld und die Atmosphäre beeinflusst und gefährliche Bedingungen für Satelliten schaffen kann. Insbesondere das Verhalten während geomagnetischer Stürme, die von verstärkter Sonnenaktivität verursacht werden, ist bislang nicht vollständig verstanden. Hierfür genutzte Modelle haben die Stärke des Ringstroms bisher systematisch überschätzt. Das haben Forschende um Bernhard Haas und Yuri Shprits vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ in einer Studie im Fachmagazin Nature Scientific Reports gezeigt. Sie analysierten die Teilchenbahnen während geomagnetischer Stürme und identifizierten einen bislang nicht berücksichtigen Teilchen-Verlust-Prozess durch Streuung an sogenannten Plasmawellen.

Der Ringstrom und seine Effekte
Der Weltraum ist erfüllt vom interplanetaren Medium, einem Mix aus Protonen, Elektronen und anderen geladenen Teilchen, die u.a. von der Sonne ausgestoßen werden. Ein Teil dieser geladenen Partikel wird vom Magnetfeld der Erde eingefangen. Sie fließen dann als sogenannter Ringstrom auf einer kreisförmigen Bahn in der Äquatorebene im Abstand von einigen Erdradien um die Erde.

Je nach Sonnenaktivität kann sich der Ringstrom dynamisch verändern. Eine möglichst genaue Kenntnis darüber ist wichtig, weil der Ringstrom diverse Auswirkungen auf die Erde und ihre Umgebung hat: Er kann gefährliche Oberflächenladungseffekte auf Satelliten verursachen, was deren Betrieb und Funktionsweise erheblich beeinträchtigen kann. Ringstromelektronen können über Streuprozesse in die Atmosphäre gelangen und dort über die Bildung von Stickoxiden zur Zerstörung von Ozon beitragen. Und nicht zuletzt kann der Ringstrom das Nettomagnetfeld der Erde schwächen. Um das Magnetfeld im Erdinneren möglichst genau studieren zu können, muss man äußere Einflüsse wie den des Ringstroms rechnerisch entkoppeln.

Der Ringstrom kann seit langem im Weltraum und von der Erde aus gemessen werden. Solche Messungen wurden erstmals 1806 von Alexander von Humboldt in Berlin durchgeführt. Er prägte auch den Begriff „Magnetsturm“ für die von verstärkter Sonnenaktivität verursachten Änderungen des Erdmagnetfeldes.

Auswirkungen geomagnetischer Stürme auf den Ringstrom
Obwohl der Ringstrom seit Jahrzehnten wissenschaftlich untersucht wird – sowohl mit Messungen als auch über Modellierung und Computersimulation –, ist noch immer nicht vollständig verstanden, wie er sich während geomagnetischer Stürme verändert. Das liegt daran, dass es viele verschiedene Prozesse gibt, die auf unterschiedlichen Zeitskalen zu seinem Verhalten beitragen.

Neue Modellierungsansätze zeigen Teilchenverlust
Eines der Hauptmerkmale eines geomagnetischen Sturms ist ein verstärkter Teilchenfluss im Ringstrom. Allerdings wurde die Anzahl der Elektronen vor allem zu Beginn der Stürme von bisherigen Modellen systematisch überschätzt, insbesondere auf der Nachtseite der Erde. Das haben Wissenschaftler:innen um Bernhard Haas und Yuri Shprits vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ und der Universität Potsdam in einer Studie gezeigt, die im Fachmagazin Nature Scientific Reports erschienen ist. Als Ursache ermittelten sie bislang nicht berücksichtigte Teilchenverlustprozesse.

Ausgangspunkt für die Analysen der Forschenden waren starke Diskrepanzen zwischen Modellvorhersagen und Messungen der inneren Magnetosphäre der Erde während starker geomagnetischer Stürme.

Für genauere Untersuchungen betrachtete das Team des GFZ ein spezielles Magnetsturm-Event, nämlich den sogenannten St.-Patricks-Day-Sturm vom 17. März 2013. Er wurde schon verschiedentlich studiert und zeigt eine klare Unterscheidbarkeit zwischen starker und schwacher geomagnetischer Aktivität.

Ursachensuche für geringeren Teilchenfluss im Ringstrom
Grundsätzlich gibt es im Ringstrom eine permanente Partikelfluktuation: Neue Partikel werden eingefangen, andere wieder ausgestoßen. Dafür spielt auch die Position im Ringstrom eine Rolle, also ob man zum Beispiel die der Sonne zugewandte Tag- oder die ihr abgewandte Nachtseite betrachtet. Denn die Magnetosphäre der Erde ist hier jeweils sehr unterschiedlich ausgeprägt.

Die Forschenden klärten zunächst, dass die Ursache der festgestellten Überschätzung der Elektronenanzahl nicht in der Modellierung der Quellprozesse lag. Stattdessen fanden sie von bisherigen Modellen unberücksichtigte Verlustprozesse.

Hierfür analysierten sie die Bahnen von Elektronen nach ihrem Eintritt in den Ringstrom. Mithilfe von Simulationsrechnungen fanden sie heraus, dass ein Teil der Elektronen höchstwahrscheinlich durch Wechselwirkung mit sogenannten Plasmawellen wieder aus dem Ringstrom in die Atmosphäre gestreut wird. Als Plasma wird ein Zustand bezeichnet, in dem positiv und negativ geladene Teilchen vorherrschen. Beispielsweise durch Schwankungen in der Teilchendichte entstehen Plasmawellen, die mit schwankenden elektrischen und magnetischen Feldern einhergehen und so wieder auf geladene Teilchen rückwirken können.

Resümee und Ausblick
„Diese Prozesse wurden von bisherigen Modellen des Ringstroms nicht ausreichend genau erfasst. Mit unserem Ansatz konnten wir bislang nicht berücksichtigte Elektronen-Verluste empirisch quantifizieren und zeigen, dass sie extrem stark sein müssen. Wir haben zwei Arten von Plasmawellen identifiziert, die für die Streuprozesse verantwortlich sein könnten. Der physikalische Mechanismus ist aber noch nicht vollständig verstanden und wird Gegenstand künftiger Studien sein. Eine genaue Lokalisierung der Verlustprozesse im Ringstrom ist mit unserer Methode nicht möglich, aber unsere Berechnungen deuten darauf hin, dass die Prozesse in dem Ringsektor stattfinden, der vor Mitternacht liegen muss“, resümiert Bernhard Haas, Erstautor der Studie und Doktorand am GFZ.

Yuri Shprits, am GFZ Leiter der Sektion 2.7 „Weltraumphysik und Weltraumwetter“ und Professor an der Universität Potsdam, ergänzt: „Das ist ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Dynamik von Teilchen in dieser Region des Weltraums und hilft uns, das Verhalten des Ringstroms während geomagnetischer Stürme besser zu modellieren und vorherzusagen. Das ist wiederum die Voraussetzung, um Satelliten vor den entsprechenden schädlichen Auswirkungen zu schützen, sowie das Magnetfeld der Erde in ihrem Inneren und die Auswirkungen dieser Teilchen auf die Atmosphäre und damit auch auf das Klima besser zu verstehen.“

Da sich der Ringstrom sowohl auf die Atmosphäre wie die Gefährdung von Satelliten auswirkt, trägt diese Studie zu Topic 1 „Atmosphäre im Globalen Wandel“ und Topic 3 „Ruhelose Erde – Vorhersage von Geogefahren ermöglichen“ unseres Forschungsprogramms „Changing Earth – Sustaining our Future“ der Programmorientierten Förderung PoF IV von Helmholtz Erde und Umwelt bei.

Originalpublikation:
Haas, B., Shprits, Y.Y., Allison, H.J. et al. A missing dusk-side loss process in the terrestrial electron ring current. Sci Rep13, 970 (2023). DOI: 10.1038/s4159-023-28093-2, https://www.nature.com/articles/s41598-023-28093-2, pdf: https://www.nature.com/articles/s41598-023-28093-2.pdf.

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• Die Van-Allen-Gürtel

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