Helmholtz-Zentrum Deutsches Geoforschungszentrum

Sektion 2.7: Weltraumphysik und Weltraumwetter

Überblick

Die erdnahe Weltraumumgebung ist gefährlich und stellt ein erhebliches Risiko für Satelliten und Menschen im Weltraum dar. Derzeit gibt es hunderte aktive kommerzielle Satelliten, die für die Betreiber einen jährlichen Umsatz von mehreren zehn Milliarden Dollar generieren. Darüber hinaus gibt es eine Reihe weiterer Satelliten, die die Navigation, die Wettervorhersage und der Telekommunikation unterstützen. Häufige Satellitenausfälle, die durch das Weltraumwetter verursacht werden, haben im letzten Jahrzehnt ein starkes Interesse an der Erforschung und der Vorhersage des Weltraumwetters geweckt.

Wir sind bestrebt, die dynamische Entwicklung der gefährlichen Strahlungsumgebung des Weltraums besser zu verstehen und entwickeln Werkzeuge zur Erfassung und zur Vorhersage von negativen Auswirkungen der Weltraumumgebung, unter Verwendung von Modellen und Datenassimilation. Wir untersuchen fundamentale Prozesse in der erdnahen Umgebung und konzentrieren uns auf das Verständnis grundlegender Prozesse, die für die Entwicklung der Weltraumstrahlung verantwortlich sind. Unsere Forschung wird dazu beitragen, Satelliten sicher zu entwerfen und zu betreiben und Hochspannungsnetze sicher zu machen. Wir versuchen, eine Brücke zwischen unseren theoretischen Studien und dem High-Performance-Computing zu schlagen, um Werkzeuge zu entwickeln, die von Ingenieur:innen genutzt werden können.

Nachfolgend finden Sie weitere Details zu den Hauptforschungsgebieten unserer Abteilung:

Modellierung des Strahlungsgürtels

Die Strahlungsgürtel der Erde bestehen aus hochenergetischen Protonen und Elektronen, die vom Erdmagnetfeld im Bereich von 1,2~8 Re (Erdradien) vom Erdmittelpunkt entfernt eingefangen werden, was für Satellitenanlagen gefährlich sein kann. Unsere Gruppe verwendet Modellierungsansätze, um die dynamische Entwicklung der äußeren Strahlungsgürtel besser zu verstehen. Dazu entwickeln wir 3D- und 4D-Algorithmen für den "Versatile Electron Radiation Belt" (VERB), die uns helfen, wichtige Mechanismen zu verstehen, die die dynamische Entwicklung der Strahlungsgürtel steuern, wie z. B. radiale Diffusion, lokale Beschleunigung, lokaler Verlust, Abschattung der Magnetopause und elektrische Konvektion.

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Daten-Assimilation

Die Analyse der Beobachtung des Strahlungsgürtels stellt eine große Herausforderung dar, da Satellitenmessungen oft unvollständig und ungenau sind und nur eine begrenzte räumliche Abdeckung haben. Nichtsdestotrotz können durch Daten-Assimilation Beobachtungen mit Informationen aus physikalisch basierten Modellen angereichert werden, um Lücken zu füllen und zu einem besseren Verständnis der zugrunde liegenden dynamischen Prozesse zu führen. Wir haben ein Verfahren entwickelt, das eine effiziente Daten-Assimilation von mehreren Satellitenmissionen in das hochmoderne, auf partiellen Differentialgleichungen basierende Modell des "Versatile Electron Radiation Belt" der inneren Magnetosphäre ermöglicht (VERB-3D).

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Machine Learning

Methoden und Algorithmen des Machine Learnings (ML) können auf Fragestellungen des Weltraumwetters angewendet werden, um neue datengetriebene Modelle verschiedener physikalischer Phänomene im Weltraum zu entwickeln und bestehende physikalisch basierte Modelle zu verbessern. In unserer Gruppe verwenden wir ML-Algorithmen, um Vorhersagemodelle für die Elektronendichte in der Plasmasphäre und den Kp-Index zu entwickeln, welche wir wiederum zur Verbesserung unserer Strahlungsgürtelvorhersagen einsetzen.

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Ringstrom-Modellierung

Der Ringstrom ist ein elektrischer Strom, der die Erde in den Abständen zwischen ~3 und ~5 Erdradien vom Erdmittelpunkt in der Äquatorebene umgibt. Er spielt eine wesentliche Komponente für unser Verständnis der Magnetosphärendynamik und  geomagnetischer Stürme. Außerdem kann er menschliche Infrastrukturen wie Stromnetze in hohen Breitengraden oder Kommunikations- oder Navigationssatelliten beeinflussen. In unserer Arbeitsgruppe verwenden wir den "4D Versatile Electron Radiation Belt" Code (VERB-4D), um die Dynamik des Ringstroms zu modellieren.

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