Datenwissenschaften für eine resilientere Erde – Verständnis der Sonnen-Erde-Wechselwirkung

PLASMA

Die Aktivität der Sonne hat einen direkten Einfluss auf die Dichte von Elektronen und neutralen Gasen im erdnahen Weltraum. Sonneneruptionen und andere Sonnenereignisse können dabei zu erheblichen Störungen führen, die Satelliten, Kommunikationssysteme und Stromnetze gefährden. Um diese kritischen Infrastrukturen besser vor solchen Auswirkungen zu schützen, ist ein tiefes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Sonnenaktivität und Erdatmosphäre entscheidend.

Im Rahmen des Vorhabens PLASMA (Predicting and Understanding Ionospheric Dynamics via Data Science) setzt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) auf Datenwissenschaft, um diese komplexen Prozesse besser vorherzusagen und zu verstehen. Mit zwei zentralen Forschungssträngen bringen wir am Institut für Datenwissenschaften unsere Expertise in Datenanalyse, Kausalität und Mustererkennung ein:

  • Raumzeitliche Vorhersagemodelle für die Ionosphäre:

In Kooperation mit dem DLR-Institut für Solar-Terrestrische Physik entwickeln wir ein erklärbares, raumzeitliches statistisches Modell zur Vorhersage des Total Electron Content (TEC) – einer zentralen Größe für die Ionosphäre. Durch den Einsatz moderner Methoden der kausalen Inferenz und statistischen Modellierung können wir nicht nur präzise Vorhersagen treffen, sondern auch die zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge nachvollziehbar machen. Dies ermöglicht es uns zu verstehen, nicht nur was passiert, sondern auch warum es geschieht – ein entscheidender Schritt hin zu verlässlichen Vorhersagen.

  • Automatisierte Erkennung von ionosphärischen Störungen:

In Zusammenarbeit mit dem DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme sowie dem Institut für Solar-Terrestrische Physik entwickeln wir fortschrittliche datenwissenschaftliche Verfahren zur Mustererkennung. Diese Methoden analysieren Satellitenradardaten (SAR) und erkennen automatisch sogenannte äquatoriale Plasmablasen (EPBs) – regionale Störungen in der Ionosphäre, die zu erheblichen Signalstörungen bei GPS und anderen satellitengestützten Anwendungen führen können. Durch die automatisierte Erkennung und Charakterisierung dieser Phänomene tragen wir dazu bei, Risiken für Navigation, Kommunikation und moderne Infrastrukturen frühzeitig zu identifizieren.

Mit PLASMA schaffen wir eine Brücke zwischen der Physik der Sonne, der Atmosphärenforschung und der modern Datenwissenschaft. Unser Ziel: Ein besseres Verständnis der Sonnen-Erde-Wechselwirkung, um kritische Technologien resilienter zu machen – für eine sichere und nachhaltige Nutzung des Weltraums und der Erde.

Laufzeit: 01/2024 - 12/2026

Beteiligte Institute und Einrichtungen

Institut für Solar-Terrestrische Physik

Das Institut für Solar-Terrestrische Physik befasst sich mit den Eigenschaften des gekoppelten Ionosphären-Thermosphären-Magnetosphären-Systems sowie dessen Antrieb durch Energie von der Sonne und der darunterliegenden Atmosphäre.

Hochfrequenztechnik und Radarsysteme

Das DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme in Oberpfaffenhofen besitzt Know-how und Expertise über passive und aktive Mikrowellen und trägt zur Entwicklung bodengestützter, flugzeuggestützter und satellitengestützter Sensoren bei.

Institut für Datenwissenschaften

Das DLR-Institut für Datenwissenschaften entwickelt Methoden, um Wissen aus Daten zu gewinnen, Innovationen voranzutreiben und fundierte Entscheidungen zu ermöglichen. Es zielt auf ein umfassendes "Datenrückgrat" ab, indem es den gesamten Datenlebenszyklus betrachtet. Damit fördert es, eine effiziente und innovative Datennutzung in Wissenschaft und Gesellschaft und stärkt nachhaltige Prozesse sowie zukunftsfähige Technologien in allen Anwendungsbereichen des DLR.