Obwohl die Erde durch die Magnetosphäre und die Atmosphäre weitgehend vor den Gefahren des interplanetaren Raums abschirmt ist, bieten sie keinen absoluten Schutz. Der Sonnenwind, ein Strom von Partikeln, der kontinuierlich von der Sonne weht, komprimiert die Magnetosphäre der Erde auf der Tagseite und dehnt sie auf der Nachtseite zu einem langen Schweif aus. Der größte Teil des Sonnenwinds wird von der Magnetosphäre abgelenkt, aber etwas Material dringt dennoch ein. Das Verständnis dieser Vorgänge ist von entscheidender Bedeutung für die weltraumgestützte Infrastruktur (etwa die Satellitennavigation oder Telekommunikationssatelliten) und für die Sicherheit der Astronautinnen und Astronauten auf der Internationalen Raumstation ISS.
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NASA
ARIADNE-Dashboard
Die Webanwendung aus ARIADNE visualisiert Zeitreihen globaler Weltraumwetterindizes (links), regionaler Gesamtelektronengehalt VTEC sowie Satellitenpositionen (Mitte) und Detailinformationen zum aktuell ausgewählten Satelliten (rechts).
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DLR DW-DMA
Visualisierung von Sonnenaktivitäten und dem Erdmagnetfeld
Weltraumwetter hat eine Vielfalt an Erscheinungsformen und Effekten auf der Erde und den Weltraum. Der Einfluss von Sonnenwind auf die Ionosphäre betrifft Satellitentechnologie, Luftfahrt, Energiesysteme, Telekommunikation und die Navigation. Darum ist die Überwachung des Weltraumwetters von großer Bedeutung.
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ESA/A. Baker (CC BY-SA 3.0 IGO)
Die Weiterentwicklung der Weltraumwetterforschung stellt erhebliche Herausforderungen an die Datenvisualisierung und die interaktive Erkundung komplexer Datensätze. Das Projekt Space Weather Exploration and Evaluation Technologies (SWEET) befasst sich beispielsweise mit dem kritischen Bedarf an hochentwickelten Visualisierungssystemen für die Weltraumwettermodellierung, insbesondere für ionosphärische und plasmasphärische Daten.
Weltraumwetterdaten setzen sich aus verschiedensten, sehr heterogenen Datentypen zusammen. Bestehende Anwendungen – zum Beispiel von der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) oder der Europäischen Weltraumorganisation ESA – beschränken sich auf wenige Teilaspekte und zumeist statische Visualisierungen. Im Projekt SWEET soll diese Lücke zwischen Datenverfügbarkeit und Zugänglichkeit durch die Entwicklung fortschrittlicher interaktiver Visualisierungssysteme geschlossen werden.
Die Datenwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler verfolgen einen ganzheitlichen Ansatz und befassen sich nicht nur mit den Herausforderungen der Visualisierung, sondern auch mit den zugrundeliegenden technischen Anforderungen an eine effiziente Datenberechnung, -speicherung und die Benutzerinteraktion, die bisherige Visualisierungslösungen, etwa die Technologie zur Kartenerstellung und Datenanalyse des Geographischen Informationssystems (GIS), nicht beinhalten.
Angesichts der zunehmenden Abhängigkeit von satellitengestützten Anwendungen und des wachsenden Bedarfs an genauen Ionosphären- und Plasmasphärenmodellen ist diese Arbeit besonders aktuell. Die Forschung wird sich auf die Entwicklung von Visualisierungslösungen konzentrieren, die verschiedene Datenquellen effektiv verarbeiten können und gleichzeitig komplexe Weltraumwetterinformationen einem breiteren Publikum als nur Fachleuten zugänglich machen.
Screenshot des SWEET-Demonstrators
Der SWEET-Demonstrator bietet Zugang zu einem umfangreichen Datensatz vorverarbeiteter Elektronendichtebeobachtungen auf der Grundlage des Neustrelitz-Elektronendichtemodells (NEDM) und dem 3DVAR-Modell. Die Datenexploration liefert Karten und Zeitreihen der Elektronendichte, des vertikalen Elektronengehalts und der Messung der Spitzenelektronendichte nach ausgewählter Zeit und Ort.
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DLR DW-DMA (CC BY-NC-ND 3.0)
Weltraumwetterphänomene haben erhebliche Auswirkungen auf die Funktionalität technologischer Systeme, insbesondere auf die Genauigkeit von globalen Satellitennavigationssystemen, was angesichts ihrer weitverbreiteten Verwendung ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt. Im Vorhaben ARIADNE konzentrierte sich das DLR-Institut für Datenwissenschaften auf die Entwicklung eines interaktiven webbasierten Visualisierungssystems zur Analyse der Auswirkungen des Weltraumwetters auf die Satellitennavigation. Während Elektronendichtemodelle im erdnahen Weltraum wichtige Daten für die Analyse dieser Effekte liefern, stellen die daraus resultierenden multidimensionalen Datensätze erhebliche Herausforderungen für die praktische Analyse und Interpretation dar.
Das Projekt begegnet diesen Herausforderungen mit einem zweistufigen Ansatz:
Erstens durch die Entwicklung robuster Datenverarbeitungssysteme zur Verarbeitung umfangreicher Elektronendichtedaten und historischer Satellitenumlaufbahnen, die eine dynamische Berechnung von Zeitreihen und schrägen Gesamtelektronengehalten (STEC) entlang der Satellitenverbindungen ermöglichen.
Zweitens durch eine interaktive Webanwendung, die diese komplexen Daten über benutzerfreundliche Schnittstellen visualisiert und eine dynamische Auswahl von Empfängerpositionen, Sendesatelliten und Zeiträumen erlaubt.
Dieses Visualisierungssystem soll es sowohl der Forschung als auch der Praxis ermöglichen, die Auswirkungen des Weltraumwetters auf die Funktionalität der Satellitennavigation durch intuitive, interaktive visuelle Analysetools besser zu verstehen und zu analysieren.
Dieses System ermöglicht des Weiteren die Verarbeitung und Visualisierung kritischer Auswirkungen des Weltraumwetters auf satellitennavigationsbasierte Systeme im Impuls-Projekt In2Action (Insight, Information, Action). Darin werden Integrität und Präzision von Positionsdaten in Echtzeit analysiert und bewertet, um gegebenenfalls auf alternative Navigationssysteme umstellen zu können. Zwei Demonstratoren sollen letztlich diese Systeme für die Luftfahrt am Flughafen Cochstedt und die Schifffahrt am Forschungshafen Rostock in die Anwendung bringen.
Das Visualisierungssystem wird sich speziell mit der Herausforderung befassen, solche komplexen Weltraumwetterphänomene in einem zugänglichen Format darzustellen, das den Benutzern eine einfache Analyse der Auswirkungen auf satellitengestützte und terrestrische Kommunikationssysteme ermöglicht. Dazu gehört auch die Visualisierung des Einflusses von Weltraumwetterindizes auf Leistungsparameter von Satellitennavigationssystemen, was eine bessere Abschätzung der Auswirkungen auf die Navigation ermöglicht. Durch die Entwicklungen zielt das Projekt darauf ab, die Sicherheit und Zuverlässigkeit von satellitennavigationsbasierten Systemen in kritischen Anwendungen zu verbessern und gleichzeitig komplexe Weltraumwetterdaten durch innovative Visualisierungslösungen für die Endnutzer zugänglicher und handhabbarer zu machen.
Datenwissenschaften am DLR
Das Ziel des DLR-Instituts für Datenwissenschaften ist es, Methoden zu entwickeln und zu erforschen, die es ermöglichen, Wissen aus Daten zu gewinnen, Innovationen voranzutreiben und Entscheidungen zu treffen. Das Institut strebt ein umfassendes „Daten-Rückgrat“ an, indem es den gesamten Lebenszyklus von Daten betrachtet, von der Quelle über die Verarbeitung bis hin zu maschinellem Lernen und KI-gesteuerten Entscheidungen. Mit diesem Ziel möchte das Institut für Datenwissenschaft die Mission des DLR in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Energie, Verkehr und Sicherheit durch nachhaltige Prozesse, belastbare Lieferketten und robuste Entscheidungshilfen unterstützen.
