Sektion 2.8: Magnetosphärenphysik

PAGER kombiniert Modelle von der Sonnenoberfläche bis zur inneren Magnetosphäre der Erde

11.02.2020 - GFZ leitet Horizon 2020-Projekt zur Vorhersage des Weltraumwetters Regierungsbehörden und Unternehmen, zum Beispiel Satellitenbetreiber und -hersteller, benötigen Weltraumwettervorhersagen mit langen Vorlaufzeiten und einer hohen statistischen Sicherheit, die auf spezifische technische Systeme zugeschnitten sein sollten. Diese Erfordernisse werden im neuen PAGER-Projekt behandelt, das von der GFZ-Sektion "Magnetosphärenphysik" geleitet und im Rahmen des EU-Programms Horizon 2020 finanziert wird. In diesem Projekt erhält das Konsortium, das aus fünf Partnern aus Europa und den USA besteht, insgesamt 2,4 Millionen Euro, davon gehen 1,1 Millionen Euro an das GFZ. Die Auftaktveranstaltung fand Ende Januar in Potsdam statt.

PAGER steht für "Prediction of Adverse Effects of Geomagnetic Storms and Energetic Radiation" (Vorhersage negativer Auswirkungen von geomagnetischen Stürmen und energetischer Strahlung).

Um die verfügbaren Messungen zu nutzen und den Erfordernissen der Weltraumwettervorhersage gerecht zu werden, kombinieren die Forschenden modernste Modelle, die die gesamte Strecke von der Sonnenoberfläche bis zur inneren Magnetosphäre der Erde abdecken. Außerdem werden sie Gruppen aus physikbasierten und Machine-Learning-Modellen einsetzen, um die Weltraumwetterbedingungen ein bis zwei Tage im Voraus vorherzusagen. Dieser innovative Ansatz wird es den Forschenden ermöglichen, nicht nur Vorhersagen zu treffen, sondern auch die entsprechenden statistischen Zuverlässigkeitswerte zu liefern. Darüber hinaus werden sie die Vorhersagemodelle mittels Datenassimilation mit Messdaten verschmelzen.

Dem Team gehören die führenden Fachleute für Weltraumwetter an, während sich der Beirat aus den Leiterinnen und Leitern der Weltraumwetter-Vorhersagezentren von ESA, NASA und NOAA zusammensetzt. (ph) Weitere Informationen:

EU-Fact-Sheet zu PAGER

Wissenschaftler von der Northwest University und der South African Space Agency zu Besuch am GFZ

Im Rahmen des von der Alexander-von-Humboldt-Stiftung geförderten Projekts "Joint South Africa-Germany Space Weather Studies During Solar Cycle 25 and Beyond" besuchten drei Wissenschaftler (Prof. Du Toit Strauss, Dr. Stefan Lotz und Herr Jabus van den Berg) von der Northwest University und der South African Space Agency das GFZ, und insbesondere Forscher aus den Sektionen 2.3 und 2.8. Ziel des Besuchs war es, die Zusammenarbeit zwischen den Gruppen zu initiieren, Themen für die Zusammenarbeit zu definieren und weiterzuentwickeln und den Einsatz eines Mini-Neutronenmonitors auf dem südafrikanischen Forschungsschiff "SA Agulhas II" vorzubereiten, mit dem die Variation der kosmischen Strahlung im Südatlantik und in den Polarregionen untersucht werden sollen. Wir freuen uns auf die kommenden Jahre produktiver Zusammenarbeit zwischen Südafrika und Deutschland in der Erdmagnetfeld- und Weltraumforschung.

Neue Theorie zur Entstehung der Saturn-Strahlungsgürtel

 29. November 2018

Um den Saturn und andere Planeten einschließlich der Erde sind energiereiche geladene Teilchen in Magnetfeldern gefangen, die von den Planeten selbst erzeugt werden. Die Teilchen ordnen sich in Donut-förmigen Zonen an, die als Strahlungsgürtel bezeichnet werden. Ein Beispiel ist der Van-Allen-Gürtel um die Erde, wo sich Elektronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Irina Zhelavskaya Awarded 2018 Outstanding Student Poster and PICO (OSPP) Awards

April 2018

Systematic analysis of machine learning techniques for Kp prediction in the framework of the H2020 project ‘SWAMI’ (Zhelavskaya, I.; Shprits, Y.; Vasile, R.; Stolle, C.; Matzka, J.)

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Millionenfache Verstärkung elektromagnetischer Wellen nahe Jupiter-Mond Ganymed

7. August 2018

Wer den elektromagnetischen Wellen lauscht, die die Erde umgeben, kommt sich vor wie an einem knisternden Lagerfeuer am frühen Morgen, wenn die Vögel erwachen. Es prasselt, zischt und zwitschert und zirpt, wenn die Wellen in Töne umgewandelt werden. Darum heißen diese Wellen auch „Chorwellen“ („chorus waves“). Sie verursachen nicht nur Polarlichter, sondern können Elektronen so sehr beschleunigen, dass diese Satelliten beschädigen. In einer aktuellen Studie, die in Nature Communications erscheinen wird, beschreiben Forscher außergewöhnliche „chorus waves“ um andere Planeten unseres Sonnensystems.

Wie verschwinden rasend schnelle Elektronen?

21. Dezember 2017

Studie aus Potsdam klärt Vorgänge in den „Van-Allen-Strahlungsgürteln“ auf – Wichtig für Satelliten und die Astrophysik.

Gefahr für Satelliten richtig einschätzen

28. Dezember 2016

Die Vorhersage des Weltraumwetters hängt entscheidend von der Qualität der Modellierung ab. Forscher vom GFZ zeigen, dass fehlerhafte Algorithmen zu gravierenden Fehleinschätzungen führen können. Sie präsentieren einen neuen Algorithmus, der geeignet ist, das Geschehen im geosynchronen Orbit zuverlässig zu modellieren. Das ist besonders für die Sicherheit von Satelliten wichtig.

Personalia | Yuri Shprits folgt Ruf an die Universität Potsdam

8. November 2016

Am 24. Oktober wurde Yuri Shprits, Leiter der Arbeitsgruppe „Magnetosphärenphysik“ in der GFZ-Sektion Erdmagnetfeld, zum Professor an die Universität Potsdam, Institut für Physik und Astronomie, berufen. Shprits konnte zum 1. März 2016 im Rahmen der ...

Wave-induced loss of ultra-relativistic electrons in the Van Allen radiation belts

1. Oktober 2016

A geomagnetic storm on January 17, 2013, provided unique observations that finally resolved a long-standing scientific problem.

Der perfekte Sonnensturm

28. September 2016

Ein geomagnetischer Sturm am 17. Januar 2013 hat sich als Glücksfall für die Wissenschaft erwiesen. Der Sonnensturm ermöglichte einzigartige Beobachtungen, die helfen, eine lang diskutierte Forschungsfrage zu lösen. Jahrzehnte rätselten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, auf welche Weise hoch energetische Partikel, die auf die Magnetosphäre der Erde treffen, wieder verschwinden. Als aussichtsreiche Erklärung galt ein Prozess, bei dem elektromagnetische Wellen die Teilchen in die Erdatmosphäre ablenkten. Vor zehn Jahren wurde eine weitere Theorie vorgeschlagen, wonach die Partikel in den interplanetaren Raum verschwanden. Jetzt hat Yuri Shprits vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ und der Universität Potsdam gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Instituten weltweit herausgefunden, dass beide Erklärungen gelten – entscheidend für den Verlust an Teilchen ist, wie schnell die Partikel sind. Shprits sagt, dass damit einige grundlegende wissenschaftliche Fragen zu unserer nächsten Umgebung im Weltall gelöst werden. „Das hilft uns auch, Prozesse auf der Sonne, auf anderen Planeten und sogar in fernen Galaxien zu verstehen“, sagt der Forscher. Er fügt hinzu: „Die Studie wird uns überdies helfen, das ‚Weltraumwetter‘ besser vorherzusagen und damit wertvolle Satelliten zu schützen.“ Die Arbeit erschien am Mittwoch, 28. September, in Nature Communications.

(GFZ Potsdam)
(GFZ Potsdam)
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(GFZ Potsdam)

The near-Earth space environment is hazardous and poses a significant risk for satellites and humans in space. Currently, there are hundreds of operational commercial satellites with a revenue stream of tens of billions of dollars per year. There are also a number of other satellites that assist in navigation, weather prediction, and telecommunication.  Frequent satellite failures caused by space weather have fueled a surge in interest with specification and prediction of space weather during the last decade.

Our section is working on understanding of the dynamical evolution of the hazardous space radiation environment and developing the tools for specification and prediction of the adverse effects of space environment using models and data assimilation. We study fundamental processes in the near-Earth environment and focus on understanding fundamental processes responsible for the evolution of space radiation. Our research will help safely design and operate satellites and maintain ground networks. In our research we try to bridge our theoretical studies with high performance computing to develop tools that can be used by engineers.

Below you can find more details on the main areas of research in our section:

Radiation Belt Modelling

(GFZ Potsdam)

Earth’s radiation belts consist of highly energetic protons and electrons trapped by Earth’s magnetic field in the region of 1.2~8 Re (Earth radii) away from Earth’s center, which can be hazardous for satellite equipment. Our group uses modelling approaches to better understand the dynamic evolution of the outer radiation belts. Specifically, we have developed physics-based 3D and 4D Versatile Electron Radiation Belt (VERB) codes to help us understand important mechanisms controlling the dynamic evolution of radiation belts, such as radial diffusion, local acceleration, local loss, magnetopause shadowing and electric convection.

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Data Assimilation

(GFZ Potsdam)

Analysis of radiation belt observations present a major challenge, as satellite observations are often incomplete, inaccurate and have only limited spatial coverage. Nevertheless, through data assimilation observations can be blended with information from physics-based models, in order to fill gaps and lead to a better understanding of the underlying dynamical processes. We have developed a scheme that enables efficient data assimilation from multiple satellite missions into the state-of-the-art partial differential equation-based model of the inner magnetosphere Versatile Electron Radiation Belt (VERB-3D).

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Machine Learning

(GFZ Potsdam)

Machine learning (ML) methods and algorithms can be applied to space weather related problems in order to develop new data-driven models of different physical phenomena in space and to enhance existing physics-based models. In our group, we use ML algorithms to develop predictive models of electron density in the plasmasphere and Kp index, and use these models to enhance our radiation belt forecasts.

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Ring Current Modelling

(GFZ Potsdam)

The ring current is an electric current encircling the Earth at the distances between ~3 and ~5 Earth’s radii from the center of the Earth in the equatorial plane. It is a crucial component in our understanding of the magnetosphere dynamics and geomagnetic storms, and it can also affect human infrastructures such as high-latitude power grids or currently operating communication or navigation satellites. In our group, we use the four-dimensional Versatile Electron Radiation Belt (VERB-4D) code to model the dynamics of the ring current.

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Yuri Shprits
Sektionsleiter
Prof. Dr. Yuri Shprits
Magnetosphären­physik
Albert-Einstein-Straße 42-46
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Assistenz
Sandra Paulin
Magnetosphären­physik
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