BOCHUM / LONDON (IT BOLTWISE) – Forschende an der Ruhr-Universität Bochum nutzen hierarchisch gekoppelte Simulationen, um die Lücke zwischen Elektronen- und globalen Magnetosphärenprozessen zu schließen. Am Beispiel der Polarlichter zeigen sie, wie magnetische Rekonnexion kleinste Teilchenbahnen antreibt und zugleich die großskalige Struktur des Erdmagnetfelds neu ordnet. Die Modelle werden mit Missionsdaten aus der Nähe zur Sonne und aus dem Erdmagnetfeld gespeist, darunter Solar Orbiter, Parker Solar Probe und Magnetospheric Multiscale. Ziel ist ein besseres Verständnis des Weltraumwetters – mit Blick auf mögliche Auswirkungen auf Kommunikations- und Satellitensysteme.
Polarlichter wirken im Rückblick oft wie ein reines Himmelsphänomen: bunte Vorhänge, die im Mai 2024 sogar in Teilen Deutschlands sichtbar waren. Physikalisch steckt dahinter aber eine Kette aus Vorgängen, die sich über extrem unterschiedliche Skalen erstreckt – vom unscheinbar kleinen Radius einzelner geladener Teilchen bis hin zu Millionen Kilometern, über die der Sonnenwind als Strom energetischer Partikel wirkt. Genau dieses Spannungsfeld ist der Kern der Arbeit von Prof. Dr. Maria Elena Innocenti: Sie beschäftigt sich damit, wie sich Prozesse auf winzigen Größenskalen so in Modelle einfügen lassen, dass sie die großen, beobachtbaren Strukturen im Weltraum erklären.
Im Hintergrund steht der Sonnenwind, der kontinuierlich geladene Teilchen zur Erde transportiert. Trifft dessen magnetisches Feld mit passender Ausrichtung auf das Magnetfeld der Erde, kommt es zu magnetischer Rekonnexion – einem der wichtigsten Energieumwandlungsmechanismen im Weltraum, bei dem magnetische Energie in Bewegungsenergie übergeht. Das heißt konkret: Teilchen werden erhitzt und beschleunigt. Innocenti formuliert es in ihrer Arbeitsgruppenleitung dabei sehr direkt: „Tatsächlich wird die magnetische Rekonnexion durch großräumige Prozesse angetrieben. Letztendlich läuft es jedoch auf die Bewegungsbahnen einzelner Elektronen und Protonen hinaus.“ Damit ist die Beobachtung „von oben“ und die Mechanik „von unten“ gleichzeitig benannt – und der eigentliche Modellierungsauftrag liegt darin, beides zusammenzubringen.
Die Schwierigkeit liegt weniger im Messen einzelner Größen als vielmehr im Rechnen: Eine vollständige Simulation aller Teilchen von Sonne bis Erde wäre angesichts der riesigen Zahl an Teilchen und Ereignissen selbst für stärkste Supercomputer nicht realistisch. Innocenti beschreibt die Ausgangslage deshalb so, dass man Detailtreue nur in Ausschnitten erreichen kann – und genau dort ansetzen die Bochumer Forschenden an. „Wir arbeiten zum Beispiel mit mehreren Modellen, die hierarchisch angeordnet sind“, erklärt die Leiterin der Arbeitsgruppe Computerorientierte Plasmaphysik. In der Praxis bedeutet das: Ein Modell, das kleinskalige Prozesse repräsentiert, kann in ein übergeordnetes Modell eingebettet werden, das großskalige Dynamiken abbildet. Die Physik bleibt dadurch zusammenhängend, während die Rechenlast kontrollierbar bleibt.
Am Beispiel der Aurora lässt sich diese Kopplung gut erklären. Mit einem Modell für großskalige Prozesse kann man untersuchen, wann die Sonne besonders aktiv sein wird und wann Ereignisse auftreten, die Polarlichter wahrscheinlicher machen. Gleichzeitig liefern kleinskalige Mechanismen die Erklärung, warum diese Ereignisse schließlich in erhöhter Energie der Partikel münden: Wenn auf der Tagseite Magnetfelder mit unterschiedlicher Ausrichtung aufeinandertreffen und sich verbinden, werden neu gekoppelte Magnetfeldlinien in Richtung Nachtseite „weitertransportiert“ – der Sonnenwind bläst die Linien um. Dort werden sie erneut zusammengedrückt und verbinden sich wieder, sodass es abermals zu Rekonnexion kommt. Das Plasma erhitzt sich; energiereiche Teilchen werden beschleunigt und entlang der Magnetfeldlinien zurück zur Erde geleitet. Erst dort treffen sie auf die Atmosphäre und können Polarlichter auslösen.
Für die rechnerische Umsetzung setzt das Team auf First-principles-Simulationen, die Wechselwirkungen von Teilchen mit elektrischen und magnetischen Feldern nachbilden – ohne zusätzliche Annahmen, die das Verhalten stark vereinfachen würden. Entscheidend ist zudem, dass die Simulationen nicht „aus dem Nichts“ starten: Alle Durchläufe werden mit Daten aus Weltraummissionen initialisiert und anschließend anhand dieser Informationen bewertet. Für magnetosphärische Simulationen greifen die Forschenden beispielsweise auf Daten der Mission „Magnetospheric Multiscale“ zurück; für Sonnenwind-Simulationen dienen Daten von „Solar Orbiter“ und „Parker Solar Probe“. Solar Orbiter läuft seit 2020, erreicht eine Distanz von 42 Millionen Kilometer zur Sonne und verlässt im Unterschied zur Parker-Mission die Ekliptik, um aus einer anderen Perspektive zu beobachten. Parker Solar Probe kam 2021 durch die Sonnenkorona und erreicht bei der nächsten Annäherung 6,2 Millionen Kilometer.
Auch die zeitliche Perspektive bleibt nicht stehen. Die Quelle nennt als nächsten strukturellen Sprung die erwartete offizielle Bestätigung der „Plasma Observatory Mission“ durch die European Space Agency im November 2026. Die Mission soll mit sieben identischen Raumschiffen die komplette Magnetosphäre der Erde erkunden und ist damit explizit so designt, dass sie die Brücke zwischen kleinen und großen Skalen schlagen kann. Innocenti verbindet die Erwartung an neue Daten dabei mit einer praktischen Motivation: Die Verbesserung der Simulationen soll helfen, Weltraumwetter-Ereignisse besser zu prognostizieren und damit auch technische Risiken einzuordnen. „Das ist nicht nur interessant, weil Polarlichter schön anzusehen sind“, sagt sie. „Sondern auch, weil Ereignisse, die durch die Sonnenaktivität ausgelöst werden, Kommunikationssysteme wie Satelliten stören können.“
In der Forschungslandschaft ist das Projekt zudem organisatorisch eingebettet: Die Arbeit von Maria-Elena Innocenti zählt zum Forschungsschwerpunkt „Matter in Terrestrial & Cosmic Laboratories“ des Ruhr Innovation Lab, einem Zusammenschluss der Ruhr-Universität Bochum und der Technischen Universität Dortmund, der ab 2027 als Exzellenzverbund gefördert wird. Damit wird aus der Modellkopplung nicht nur ein physikalisches Detailthema, sondern ein Ansatz, der sich für datengetriebene Simulationen im Weltraumkontext eignet. Gerade für Unternehmen und Betreiber von Raumfahrt- und Kommunikationsinfrastruktur ist das relevant, weil bessere Vorhersagen nicht erst „irgendwann“ nützlich sind, sondern am Ende den Zeitpunkt betreffen, an dem Systeme auf Störungen vorbereitet oder Schutzmechanismen aktiviert werden.
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