Das sich verändernde, unregelmäßige Magnetfeld der Erde bereitet der Polarnavigation Kopfschmerzen

Der flüssige, geschmolzene äußere Erdkern, der hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht, übt ein elektromagnetisches Feld aus, das sich vom Nord- und Südpol ausdehnt und den Planeten vor schädlicher Sonnenpartikelstrahlung schützt.

Schwankungen in der Stärke des Erdmagnetfelds– verursacht durch tägliche Änderungen der Sonnenwindstruktur und periodische Sonnenstürme – können die Verwendung von Geomagnetfeldmodellen beeinträchtigen, die für die Navigation in Satelliten, Flugzeugen, Schiffen und Autos von entscheidender Bedeutung sind.

Magnetfeldmodelle unterscheiden sich je nach Ort der Datenerfassung – entweder auf oder nahe der Erdoberfläche oder auf Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn. Frühere Forschungen haben Modellunterschiede auf das Ausmaß der Weltraumwetteraktivität zurückgeführt, aber eine aktuelle Analyse von sechs Jahren Erd- und Satellitenmagnetfeldmodellen ergab, dass Modellabweichungen auch auf Modellfehler und nicht nur auf geophysikalische Phänomene zurückzuführen sind. Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Journal of Geophysical Research: Weltraumphysik.

Das Forschungsteam der University of Michigan untersuchte Unterschiede zwischen Beobachtungen aus der Schwarm erdnahen Umlaufbahnsatelliten der Mission und einem Erdmagnetfeldmodell, der dreizehnten Generation des Internationales Geomagnetisches Referenzfeld oder IGRF-13Sie konzentrierten sich auf Unterschiede während schwacher bis mäßiger geomagnetischer Bedingungen, die 98,1 % der Zeit zwischen den Jahren 2014 und 2020 umfassen.

Satellitenbeobachtungen, die an verschiedenen Orten über der Erde gesammelt werden, reagieren empfindlich auf Magnetfeldschwankungen, während Erdmagnetfeldmodelle Beobachtungen verwenden, um das innere Magnetfeld der Erde abzuschätzen, ohne den Einfluss von Sonnenstürmen zu berücksichtigen. Modelle des inneren Magnetfelds wie IGRF-13 werden verwendet, um Veränderungen der magnetischen Pole der Erde verfolgenwie etwa die Verschiebung des Nordpols um etwa 45 km nach Nordnordwest jedes Jahr.

Das Verständnis dieser großen Unterschiede ist wichtig für den Satellitenbetrieb, wenn IGRF-13 als Referenz verwendet wird, und für die Forschung zur Physik der Magnetosphäre, Ionosphäre und Thermosphäre der Erde.

Die Modellunsicherheit war in den Nord- und Südpolarregionen am höchsten und eine statistische Analyse ergab, dass die Asymmetrie zwischen den Nord- und Südpolarregionen ein Hauptfaktor für die Modellunterschiede war.

„Wir gehen oft von einem nahezu symmetrischen Magnetfeld zwischen den nördlichen und südlichen Polarregionen aus, aber tatsächlich sind sie sehr unterschiedlich“, sagte Yining Shi, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität von Michigan für Klima- und Weltraumwissenschaften und Ingenieurwesen und korrespondierender Autor der Studie.

Die beiden geografischen Pole liegen auf unterschiedlichen geomagnetischen Koordinaten. Der Nordpol liegt bei etwa 84° Magnetischer Breite (MLAT) und 169° Magnetischer Länge (MLON) und der Südpol bei etwa −74° MLAT und 19° MLON.

Die polare Umlaufbahn der Swarm-Satelliten führt zu einer Stichprobenverzerrung mit einer hohen Konzentration von Messungen um die geografischen Pole herum, was die Modellunterschiede verschärft.

„Wenn wir verstehen, dass die Ursachen für geophysikalische Störungen tatsächlich auf die Asymmetrie des Erdmagnetfelds zurückzuführen sind, können wir bessere Modelle des Geomagnetfelds erstellen und die Satelliten- und Flugnavigation verbessern“, sagte Mark Moldwin, Arthur F. Thurnau-Professor für Klima- und Weltraumwissenschaften und -technik an der UM und Autor der Studie.

Ein weiteres Problem, das der Navigationsgemeinschaft Sorgen bereitet, ist die Tatsache, dass sich das polare Magnetfeld im letzten Jahrzehnt rasch verändert hat.

„Dies erhöht die Komplexität bei der Erstellung präziser Magnetfeldmodelle noch weiter“, sagte Moldwin.