Rekonstruktion und Vorhersage der Strahlungsumgebung in Erdnähe unter Verwendung von Dimensionsreduktion
Energetische Teilchen im erdnahen Weltraum können ein erhebliches Risiko für Satelliten und für Menschen im All darstellen. Während geomagnetischer Stürme können die Strahlungswerte stark ansteigen, und zahlreiche Satellitenanomalien stehen in Zusammenhang mit solchen Ereignissen. Die globale Entwicklung der Teilchenstrahlung zu verstehen, ist jedoch schwierig, da jeder Satellit Messungen nur an seinem jeweiligen Standort durchführt. Zudem unterscheiden sich die Messinstrumente in ihren Messfehlern und die gemessenen Werte können sich um mehrere Größenordnungen unterscheiden. Dadurch wird es kompliziert, die zeitliche und räumliche Entwicklung von Teilchenpopulationen in den Strahlungsgürteln oder dem Ringstrom zu rekonstruieren.
In der vorherigen Förderperiode lag unser Schwerpunkt auf der Entwicklung von Daten-assimilationsmethoden für die energiereichsten Elektronen der Strahlungsgürtel, die starke dielektrische Aufladungen in Satelliten verursachen können. In der aktuellen Förderperiode richten wir unseren Fokus auf den Ringstrom, eine weitere wichtige Population energiereicher Teilchen. Der Ringstrom kann Satellitenoberflächen aufladen, Solarzellen schädigen und sogar Stromnetze auf der Erde beeinflussen.
Die Datenassimilation für den Ringstrom ist deutlich komplexer als für die Strahlungsgürtel. Der Ringstrom weist eine Asymmetrie mit der lokalen Zeit auf und erfordert deshalb eine vierdimensionale Beschreibung. Zudem folgt seine Entwicklung komplexeren physikalischen Gleichungen. Er verändert sich zudem schneller und weist feinere räumliche Strukturen auf, was die Interpretation seines Verhaltens erschwert. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickeln wir neue Datenassimilationsmethoden, die speziell auf den Ringstrom zugeschnitten sind. Dabei untersuchen wir fortgeschrittene Verfahren wie den Ensemble-Kalman-Filter, um unbekannte physikalische Parameter zu bestimmen und Teilchenflüsse direkt in unsere Modelle zu assimilieren. Die neuen Methoden werden innerhalb des SFB getestet und auf mehrdimensionale Diffusions- sowie Diffusions-Konvektionssysteme angewendet, die in der Weltraumphysik von Bedeutung sind.
Laufzeit: 07/2021 – 06/2029
Zuwendungsgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektwebseite: www.sfb1294.de
Projektverantwortliche: Prof. Dr. Yuri Shprits (GFZ), Prof. Dr. Melina Freitag (Universität Potsdam)
Kollaboration: Universität Potsdam