Was uns Satelliten über den schwächeren Schild über dem Südatlantik verraten: Elf Jahre ununterbrochener Messungen der ESA-Konstellation Swarm haben das bisher präziseste Bild davon geliefert, wie sich die Südatlantische Anomalie (South Atlantic Anomaly, SAA) ausbreitet, umformt und Satelliten, die Navigation und unseren technologischen Alltag beeinflusst. Die kumulative Analyse von Daten für den Zeitraum 2014–2025 bestätigt einen langfristigen Trend der Abschwächung des Magnetfeldes in diesem Gebiet, bei gleichzeitiger Stärkung und Abschwächung anderer „Hotspots“ auf dem Planeten, was zeigt, wie dynamisch unser geomagnetischer Schild ist.

Das Erdmagnetfeld ist weder einfach noch statisch. Anstelle eines „Stabmagneten“ handelt es sich um ein komplexes, sich ständig veränderndes Phänomen, das vom planetarischen Dynamo im flüssigen äußeren Kern angetrieben wird: In einem „Ozean“ aus geschmolzenem Eisen, etwa 3000 Kilometer unter uns, zirkuliert, wirbelt und erzeugt eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit elektrische Ströme. Diese Ströme erzeugen den größten Teil des Erdmagnetfeldes. Das endgültige Bild an der Oberfläche entsteht durch die Überlagerung mehrerer Quellen – Kern, Mantel, Kruste und Ozeane – sowie elektrischer Ströme in der Ionosphäre und Magnetosphäre. Deshalb sind die Kartierung und Überwachung von Veränderungen nur durch eine Kombination aus präzisen Messungen aus dem All und am Boden möglich, zusammen mit fortschrittlichen Modellen, die diese Signale trennen und zu einem sinnvollen Ganzen zusammenfügen.

Woher wir wissen, dass sich die Südatlantische Anomalie ausbreitet

Swarm besteht aus drei identischen Satelliten in nahen, fast polaren Umlaufbahnen, die am 22. November 2013 als Teil des Erdbeobachtungsprogramms der ESA gestartet wurden. Ihre Instrumentierung – Vektor- und Skalarmagnetometer, Beschleunigungsmesser und elektrische Messsysteme – ermöglicht es, das Kernsignal von atmosphärischen und weltraumgestützten Einflüssen zu trennen und feine räumliche und zeitliche Veränderungen des Erdmagnetfeldes in Echtzeit zu verfolgen. Zwei Satelliten fliegen in enger Formation, der dritte in etwas größerer Höhe; diese Geometrie erhöht die Empfindlichkeit für Feldgradienten und gibt einen tiefen Einblick vom Kern bis zur Ionosphäre.

Durch den Vergleich von Daten mehrerer Jahrgänge erstellen Signalverarbeitungsteams globale Modelle des Magnetfeldes. Diese Modelle, die von 2014 bis 2025 aktualisiert wurden, zeigen durchweg die Ausdehnung des schwachen Bereichs über dem Südatlantik, wobei sich die Anomalie selbst nicht als einheitlicher „Fleck“ verhält. Stattdessen tritt sie als Mosaik mehrerer Minima auf, deren Stärke und Position sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ändern: eines in Richtung des südöstlichen Südamerikas, ein anderes in Richtung des südwestlichen Afrikas. Im Zeitraum nach 2020 wird die schnellste Abschwächung gerade südwestlich von Afrika verzeichnet, wo eine ausgeprägtere und schnellere Veränderung der Feldstärke beobachtet wird als weiter westlich über dem Ozean.

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Warum die SAA für Satelliten, Teleskope und Netzwerke auf der Erde wichtig ist

Die Südatlantische Anomalie ist besonders relevant für alles, was niedrig über der Erde fliegt – von Forschungssatelliten bis zur Internationalen Raumstation. In diesem Korridor schwächt sich unser Magnetschild ab, und der innere Van-Allen-Strahlungsgürtel nähert sich der Planetenoberfläche, was den Fluss energiereicher Teilchen erhöht. Die Folgen sind sehr praktisch: häufigere „Bit-Flip“-Fehler in Speicherchips, unerwartete Software-Resets, die Verschlechterung empfindlicher Detektoren (insbesondere UV- und Röntgeninstrumente) und gelegentliche Unterbrechungen von Messungen beim Durchgang durch die Anomalie. Betreiber lösen dies durch eine Kombination aus Abschirmung, redundanter Elektronik, fehlerkorrigierenden Codes und Beobachtungsplänen, die „ruhige“ Abschnitte vorhersagen, wenn das Raumfahrzeug in die SAA eintritt.

Swarm selbst diente auch als eine Art „Detektor“ für Umweltrisiken: Zehnjährige Statistiken von Überflügen und aufgezeichneten Fehlern zeigen, dass sich die Auswirkungen der Strahlung in der Anomalie vom Rest der Umlaufbahn unterscheiden und operative Anpassungen erfordern. Die Daten der Konstellation wurden in operative Modelle für Weltraumwetter und Magnetfeld integriert, die von Raumfahrtagenturen, Luftfahrt, Seefahrt und Industrie zur Planung von Umlaufbahnen, zur Definition von Abschirmungen und zur Verlängerung der Lebensdauer von Raumfahrzeugen verwendet werden. Genau wegen der SAA haben viele Instrumente „No-Go“-Modi – z. B. schalten sie sich ab oder verringern ihre Empfindlichkeit während des Überflugs –, um das Risiko von Schäden und falschen Messwerten zu minimieren.

Was tief unter uns geschieht: Reverse-Flux-Patches und die „Westdrift“

Um die Anomalie zu verstehen, ist es entscheidend, auf die Grenze zwischen Kern und Mantel zu blicken. Messungen und numerische Modelle zeigen das Auftreten von sogenannten Reverse-Flux-Patches – lokalisierten Zonen, in denen Magnetfeldlinien, anstatt aus dem Kern auszutreten, wieder in ihn eintreten. Ihre Verstärkung und Migration, oft nach Westen, projizieren sich auf die Oberfläche als Taschen geschwächten Feldes. Wenn ein solcher Patch unter dem Südatlantik „verweilt“ und sich dann in Richtung Afrika bewegt, folgt das Oberflächenfeldminimum seiner Bewegung – genau das Muster, das wir in den letzten Jahren immer deutlicher im südwestlichen Sektor der Anomalie beobachten.

Diese Strukturen sind kein statischer „Defekt“, sondern ein natürliches Ergebnis der turbulenten Konvektion in geschmolzenem Eisen, moduliert durch die Erdrotation und thermisch-chemische Gradienten. Wenn sich die Strömungen ändern, verstärken, schwächen oder teilen sich die Patches. Das erklärt, warum die SAA manchmal eine zweilappige Geometrie annimmt – mit zwei ausgeprägteren Minima – und warum sich die Intensität und Position der Minima über Südamerika und dem südwestlichen Afrika nicht synchron ändern. Für die operative Planung bedeutet dies, dass Überflüge durch riskante Zonen häufiger oder länger werden, auch wenn die globale mittlere Feldstärke scheinbar unverändert ist.

Navigation, Ionosphäre und Kommunikation: Warum Geomagnetismus nicht nur ein „Kompass“ ist

Das Magnetfeld fließt auf mehreren Ebenen in die Navigation ein. Am direktesten über die magnetische Deklination und Inklination, die zur Orientierung von Kompassen auf Schiffen, Flugzeugen und landgestützten Systemen verwendet werden. Indirekt formt der Geomagnetismus die Ionosphäre – die elektrisch leitfähige Schicht der Atmosphäre, die für die Ausbreitung von Radiowellen und die Genauigkeit der GNSS-Positionierung entscheidend ist. Wenn sich die Feldlinien und der Fluss geladener Teilchen ändern, ändert sich auch die Elektronendichte in der Ionosphäre, sodass Signale wandern, sich abschwächen oder ihren Weg ändern können. Deshalb erfordern Flugrouten in hohen geografischen Breiten (wo die Änderungen am ausgeprägtesten sind) häufigere Aktualisierungen der Modelle und eine stärkere Abhängigkeit von der Multisensorfusion (Inertial- und Satellitendaten neben Magnetometern).

In Stromnetzen können starke geomagnetische Störungen Ströme induzieren, die Transformatoren belasten. Die SAA selbst ist kein „Sturmzustand“, aber die Tatsache, dass das globale Feld Phasen starker regionaler Veränderungen durchläuft (Abschwächung über dem Südatlantik, Umverteilung der Stärke über Sibirien und Kanada), ist ein Grund für Infrastrukturbetreiber, sich auf Kalibrierungen, die Überwachung des Weltraumwetters und die Anpassung von Schutzprotokollen zu konzentrieren. In der Praxis umfasst dies die Integration von Echtzeit-Satelliten- und Bodendaten in Vorhersagesysteme, die vor einem erhöhten Risiko von Störungen in Kommunikation und Netzwerken warnen.

Zahlen, Trends und „Schwerpunkte“ des geomagnetischen Systems

Auf der Südhalbkugel sticht ein Gebiet mit besonders starkem Feld hervor, während es im Norden zwei gibt – über Kanada und über Sibirien. Im letzten Jahrzehnt hat sich das Kräfteverhältnis geändert: Die Stärke über Kanada schwächt sich ab, während die über Sibirien zunimmt. Folglich hat sich der magnetische Nordpol beschleunigt in Richtung Sibirien verschoben, was häufigere Aktualisierungen der Navigationsmodelle erforderte. Darüber hinaus zeigen Karten starker Felder, dass das „kanadische Maximum“ an Fläche abgenommen hat, während das „sibirische“ sich ausgedehnt hat. Dieser geografische „Energieübertrag“ erklärt auch die Änderungen der Deklination in hohen Breiten, die von Piloten, Seeleuten und arktischen Diensten wahrgenommen werden.

Die Südatlantische Anomalie hingegen „spaltet“ sich gelegentlich in zwei erkennbare Lappen. Wenn dies geschieht, kann ein Satellit, der zuvor einen schmaleren Fleck überquerte, nun zwei getrennte Intervalle erhöhter Strahlung in einem einzigen Überflug erfahren. Operative Überflugtabellen werden daher detaillierter, und Instrumente (z. B. UV-Detektoren an Weltraumteleskopen) pausieren häufiger ihre Messungen während des Durchgangs. Solche Muster sind besonders in Zeiten erhöhter Sonnenaktivität ausgeprägt, wenn zusätzliche Teilchen und Ströme in der Magnetosphäre die ionosphärischen Variationen verstärken.

Von Rohmessungen zu operativen Modellen

Der Schlüssel zu Swarms Beitrag liegt in der vielschichtigen Verknüpfung von Daten und Inversionstechniken. Vektormagnetometer liefern eine detaillierte räumliche Struktur, das Skalarmagnetometer dient als absoluter Kalibrierungsstandard, Beschleunigungsmesser trennen nicht-gravitative Kräfte, die die Umlaufbahn beeinflussen (z. B. Widerstand der dünnen Atmosphäre), und elektrische Instrumente überwachen Ströme in der Ionosphäre. Auf dieser Grundlage werden globale Modelle erstellt, die das Feld nach Höhe und Zeit beschreiben, den Beitrag des Kerns gegenüber der Atmosphäre und dem Weltraum isolieren und Vergleiche über die Jahre ermöglichen. Wenn solche Modelle in Zeitreihen von 2014 bis heute (14. Oktober 2025) „geschnitten“ werden, ist deutlich zu erkennen, dass sich die SAA ausgedehnt und umgeformt hat und dass die geografischen Hotspots des starken Feldes im Norden die Rollen getauscht haben.

Swarm wurde als „Earth Explorer“ konzipiert – eine Mission, die neue Technologien testet und Daten für die Grundlagenforschung liefert – doch mit der Zeit wurde sie zum operativen Rückgrat einer ganzen Reihe von Dienstleistungen: von globalen Magnetfeldmodellen, die in der Navigation verwendet werden, über Werkzeuge zur Überwachung des Weltraumwetters bis hin zur Kalibrierung anderer Satelliten. Mit der Verlängerung der Mission wächst auch der Wert der kontinuierlichen Reihe – eine konsistente, mehrjährige Aufzeichnung ermöglicht die Unterscheidung zwischen langfristigen Trends (z. B. Kernprozesse) und kurzfristigen „Spitzen“, die von der Sonne verursacht werden.

Geschichte und Lehren für die kommenden Jahre

Die Südatlantische Anomalie wurde erstmals bereits im 19. Jahrhundert südöstlich von Südamerika aufgezeichnet, aber erst hochpräzise Satelliten enthüllten ihre innere Struktur und ihre Verbindung zu Prozessen im Erdkern. Das Gesamtbild besagt, dass das globale Feld langfristig schwächer wird, aber ungleichmäßig: Während sich das Maximum über Kanada abschwächt, verstärkt es sich über Sibirien; während sich das Minimum über dem Südatlantik ausdehnt, bilden sich anderswo Gegengewichte. Ein solches „Mosaik“ zeigt, dass regionale Veränderungen keine Ausnahmen sind, sondern das erwartete Ergebnis eines chaotischen, aber physikalisch gesteuerten Systems im flüssigen Kern.

Für die praktische Anwendung bedeutet dies häufigere Aktualisierungen von Navigationskarten, robustere Strategien zum Schutz der Satellitenelektronik und eine ständige Überwachung der ionosphärischen und magnetosphärischen Bedingungen. Da wir uns dem Ende des Jahres 2025 nähern, helfen Perioden geringerer Sonnenaktivität, die Kernsignale weiter vom Sonnenrauschen zu „trennen“, was eine genauere Vorhersage erleichtern wird – von der lokalen magnetischen Deklination in hohen Breiten bis zur wahrscheinlichen Entwicklung der SAA in den kommenden Jahren.

Was das für Leser, Industrie und Wissenschaft bedeutet

Für Nutzer von Navigations- und Geolokalisierungsdiensten lautet die wichtigste Botschaft: Die moderne Navigation beruht nicht auf einem einzigen Kompass. Flugzeuge und Schiffe kombinieren magnetische, inertiale und Satellitendaten; lokale Änderungen in der geomagnetischen Karte verursachen keinen „Kursverlust“, erfordern aber aktuelle Deklinationstabellen und eine korrekte Sensorintegration. Für die Raumfahrtindustrie bedeutet die Ausweitung der SAA höhere Anforderungen an Strahlungsresistenztests, intelligentere Beobachtungspläne, Algorithmen zur Fehlerkorrektur und eine immer bessere Nutzung von Vorhersagemodellen für das Weltraumwetter. Für die Wissenschaft verwandeln kontinuierliche Messungen wie die von Swarm abstrakte Prozesse tief unter unseren Füßen in konkrete Daten, die sowohl im Orbit als auch auf der Erde nützlich sind.