Mit dem Magnetfeld das Meer erforschen

Im Zeitalter kontinentaler Netzverbünde überwiegen jedoch die Probleme. Einer der schwersten Vorfälle dieser Art kappte im März 1989 in Kanada 6,5 Millionen Menschen vom Stromnetz – und hinterließ Schäden von über zehn Millionen US-Dollar. Auch die so genannten Halloween-Ausbrüche auf der Sonne im Herbst 2003 sorgten für Stromausfälle, Verlust von Satelliten und sogar Schäden an der Sonde Mars Odyssey in ihrer Bahn um den Roten Planeten. Selbst Ölpipelines im hohen Norden leiden: 1991 entdeckte der kanadische Magnetfeldforscher David Boteler, dass in den Rohren dann vermehrt Ströme fließen, durch die der Stahl schneller korrodiert, was das Risiko für Leckagen erhöht.

Formationsflug durch Ionosphärenlöcher

Den Betrieb dieser Infrastruktur sicherer zu machen, lautet deshalb das hochgesteckte Ziel der Swarm-Mission. Ihre Aufgabe ist es, genügend Daten zu liefern, um zukünftig vielleicht Schwankungen und die Abnahme des irdischen Magnetfelds besser vorherzusagen zu können. Zuvor gestartete Magnetfeldsonden wie der dänische Ørsted und der deutsche CHAMP waren dazu noch nicht in der Lage: Den Einzelsatelliten fehlte der Rundumblick. Wollten Forscher das gesamte Erdmagnetfeld verstehen, mussten sie für die gerade nicht durchflogenen Zwischenbereiche aufwändige Computermodelle zur Hand nehmen, die nicht immer die richtigen Ergebnisse lieferten.

Deshalb starten gleich drei Swarm-Satelliten in eine polare Umlaufbahn, die von Nord nach Süd regelmäßig jeden Bereich des erdnahen Magnetfelds im Blick haben. Nur zwei davon fliegen direkt nebeneinander in einem Abstand von maximal 150 Kilometern. Sie werden das wichtigste Ziel der Mission wahrnehmen und das Magnetfeld in seiner ganzen Veränderlichkeit erfassen.

Rund 150 Kilometer darüber behält der dritte Satellit den Überblick. Er bewegt sich etwas langsamer und ist deshalb nicht Teil des starren Formationsflugs. Doch erst er macht es möglich, Löcher in der Ionosphäre zu vermessen, einer hohen und dünnen Luftschicht, die stark vom Magnetfeld beeinflusst wird. Störungen in dieser Schicht behindern schon einmal Funkverbindungen, weil sie selbst Radiowellen aussenden. Besonders in tropischen Gebieten wie über Brasilien nimmt durch die Funklöcher auch die Genauigkeit des Navigationssystems GPS ab – oft kurz nach Sonnenuntergang und nach bisher kaum verstandenen Gesetzmäßigkeiten.

Das Innenleben der Swarm-Satelliten ist nicht sonderlich neu. Es orientiert sich am 2010 verglühten Champ, der Ende der neunziger Jahre ebenfalls in Potsdam ersonnen wurde. Nicht nur äußerlich ist die Ähnlichkeit groß: Ein barrenförmiger Rumpf mit darauf platzierten Solarzellen trägt einen vier Meter langen Ausleger mit dem wichtigsten Instrument, dem Vektorfeld-Magnetometer. Es soll die Richtung des Erdmagnetfelds exakt vermessen, ein skalares Magnetometer misst auch seine absolute Stärke. Außerdem müssen die Raumschiffe sicher bestimmen, wo genau sie aktuell operieren. Zu diesem Zweck orientieren sie sich mit Hilfe von GPS. Ihre Flughöhen können zusätzlich mit kleinen Spiegeln überprüft werden. Auf sie kann vom Boden aus ein Laserstrahl gerichtet werden, aus dessen Laufzeit sich der Abstand millimetergenau ergibt.

Wirklich neu ist letztlich nur Datendichte der Messungen, die sich schon aus dem Gruppenflug ergibt. Dadurch wollen die Forscher erstmals das im Erdorbit gemessene Magnetfeld in seine verschiedenen Verursacher unterteilen. In erster Linie sind das Sonne und Erdkern – aber es gesellen sich viele kleinere Effekte dazu: Beispielsweise planen die Wissenschaftler, die irdischen Meeresströmungen zu vermessen – einzig anhand ihrer magnetischen Signatur. Das salzige Meerwasser enthält nämlich gelöste Ladungsträger, die sich ständig durch das irdische Magnetfeld bewegen. Sie erzeugen dabei elektrische Ströme, die wiederum das Magnetfeld selbst verändern. Bislang existiert diese Idee nur auf dem Papier. Aber zumindest theoretisch ließen sich damit bewegte Wassermassen bis in einige Kilometer Tiefe verfolgen – sogar bis weit unter dicke Packeisschichten.

Nach Abzug aller Störeffekte bleibt schließlich der irdische Dynamo selbst. Geophysiker beschreiben das Feld aus dem Erdkern heute mit mehreren, konkurrierenden Computermodellen. Sie heißen Frozen Flux oder Helical Flow – und keines davon kann alle Effekte erklären: Die Abschwächung des Felds selbst, die Anomalie im Südatlantik und viel kleinere Schwankungen, die immer mal wieder auftreten und bis heute kaum vorhersagbar sind. Swarm ist auf gutem Wege das zu ändern – und zu einem der letzten weißen Flecke der Erde vorzudringen.

Erschienen auf spektrum.de