Sektion 2.7: Weltraumphysik und Weltraumwetter

(GFZ Potsdam)
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Neueste Nachrichten

01. Februar 2021 - A new way to create Saturn's radiation belts

Neue Studie zeigt: In der Magnetosphäre müssen dafür sehr spezielle Bedingungen herrschen, nämlich eine extrem geringe Plasmadichte.

Glückwunsch an Irina Zhelavskaya zur erfolgreichen Verteidigung ihrer Dissertation

22. Oktober 2020

Irina Zhelavskaya verteidigt erfolgreich ihre Doktorarbeit mit dem Titel "Modeling of the plasmasphere dynamics", mit der höchstmöglichen Auszeichnung "Summa Cum Laude". Gratulation Irina!

Glückwunsch an Nikita Aseev zur erfolgreichen Verteidigung seiner Dissertation

23. September 2020

Nikita Aseev verteidigt erfolgreich seine Doktorabeit an der Universität Potsdam, mit dem Titel "Modeling and understanding dynamics of charged particles in the Earth's inner magnetosphere". Gratulation Nikita!

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

11. Februar 2020

GFZ leitet Horizon 2020-Projekt zur Vorhersage des Weltraumwetters

Regierungsbehörden und Unternehmen, 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.)

Click here to download the poster/PICO file.

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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.

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 Ingenieuren genutzt werden können.

Nachfolgend finden Sie weitere Details zu den Hauptforschungsgebieten unserer Abteilung:

Modellierung des Strahlungsgürtels

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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

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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

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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

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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 Arbeutsgruppe verwenden wir den "4D Versatile Electron Radiation Belt" Code (VERB-4D), um die Dynamik des Ringstroms zu modellieren.

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Yuri Shprits
Leitung
Prof. Dr. Yuri Shprits
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Sandra Paulin
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