Erde und Weltraumwetter: Eine interdisziplinäre Forschung

Mit dem Erreichen des Maximums im Sonnenzyklus 25 wird die Anfälligkeit der Infrastruktur im niedrigen Erdorbit (Low Earth Orbit, LEO) gegenüber dem Weltraumwetter zu einer kritischen Herausforderung. Der extreme geomagnetische `Muttertagssturm` im Mai 2024 diente als Belastungstest: Während er weitverbreitete Polarlichter erzeugte, löste er auch unerwartet starken atmosphärischen Luftwiderstand aus, der zu deutlich größerem orbitalen Höhenverlust führte als von Modellen vorhergesagt. Das vom Institut für Geodäsie der Technischen Univbersität Graz geleitete Projekt ESPIRE (Earth and Space Weather: Interdisciplinary Research) zielt darauf ab, die Vorhersagemöglichkeiten durch die Bündelung von Expertisen aus Satellitengeodäsie, Heliosphärenphysik und Aeronomie zu verbessern. Trotz erheblicher Verbesserungen empirischer Thermosphärenmodelle in den letzten Jahrzehnten durch die Integration von LEO-Satellitenbeobachtungen bleibt die Dichteschätzung eine große Herausforderung. Dies liegt daran, dass Modelle Sonnenereignisse oft als isolierte Vorfälle behandeln und solare Proxys nur begrenzte zeitliche Auflösung bieten. ESPIRE untersucht das Phänomen der `Vorkonditionierung`, bei dem eine Abfolge koronaler Massenauswürfe (CMEs) das interplanetare Medium verändert. Diese kumulative Wirkung führte 2024 zu einem unerwarteten Höhenverlust von fast 70 Metern auf 490 km Höhe. Wenn CMEs zu `komplexen Ejekta` verschmelzen, verursachen Magnetfeldkompression und Plasmabeschleunigung eine atmosphärische Erwärmung, die Standard-Proxys wie der F10.7-Radiofluss nicht vollständig erfassen. In ESPIRE werden physikalische Prozesse in die Dichtemodellierung integriert. Mittels dem Drag-Based Modell (DBM) und in-situ-Daten (z.B. ACE, GOES) wird die Interaktion mehrerer CMEs rekonstruiert, um Energiebeiträge von Flares und komplexen Ejekta zu isolieren. Eine große Unsicherheit stellt der Anpassungskoeffizient (accomodation coefficient) dar, der vom Energieaustausch der Gasmoleküle mit Satellitenoberflächen abhängt. Dieser soll mittels GRACE-FO-Daten geschätzt und anhand von Daten zur Bestimmung des Erdschwerefeldes validiert werden. Zudem wird das 1-D-Modell THP-MoCaCo an die Erdumgebung adaptiert, um die Erwärmung durch energiereiche Teilchen sowie die Produktion von suprathermischen Sauerstoff- und Stickstoffatomen zu simulieren. Das Projekt stärkt den Weltraumstandort Graz durch die Kooperation der Technischen Universität Graz, der Universität Graz und des Instituts für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften vereint.