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Advancing radiation belt modeling with nonlinear wave–particle interactions

Projektbeschreibung

Infrastruktur im Orbit vor hochenergetischen Elektronen schützen

Die Strahlungsgürtel der Erde enthalten hochenergetische Elektronen, die während geomagnetischer Stürme Satelliten und weltraumgestützte Elektronik beschädigen können. Mit den vorhandenen Modellen lässt sich diese Dynamik oft nicht genau vorhersagen, da sie die schnelle, nichtlineare Beschleunigung außer Acht lassen, die durch intensive Plasmawellen ausgelöst wird. Das Ziel des innerhalb der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützten Projekts ARBEN besteht darin, diese Lücke zu schließen. Dazu werden diese komplexen Wechselwirkungen zwischen Wellen und Teilchen in aktuelle Vorhersageinstrumente integriert. Mithilfe von Computersimulationen und von Raumfahrzeugen aus durchgeführten Messungen wird das Projektteam eine Datenbank mit korrigierten physikalischen Parametern für globale Strahlungsgürtelmodelle erstellen. Über optimierte Weltraumwettervorhersagen für gefährliche Ereignisse hinaus wird im Rahmen des Projekts die interdisziplinäre Ausbildung in den Bereichen Messtechnik und computergestützte Physik gefördert. Letztlich zielt diese Forschung darauf ab, kritische Infrastrukturen zu schützen und gleichzeitig die nächste Generation wissenschaftlicher Führungskräfte heranzubilden.

Ziel

Understanding and forecasting the behavior of high-energy electrons in Earth’s radiation belts is essential for protecting satellites and other space-based infrastructure during geomagnetic storms. These electrons can penetrate spacecraft shielding, damage onboard electronics, and shorten mission lifetimes. Yet their dynamics remain difficult to predict.
Current models treat magnetospheric plasma waves as incoherent, leading to a simplified picture of electrons undergoing slow, diffusive energy transport. However, modern spacecraft observations reveal that intense plasma waves, particularly whistler-mode chorus, often exhibit coherent, narrowband waveforms that enable rapid and nonlinear acceleration of trapped electrons. This process may dominate during storm conditions but is not captured in existing models.
My ARBEN project addresses this critical gap by systematically incorporating nonlinear wave–particle interactions into radiation belt models. I will use test-particle simulations to derive corrections to standard diffusion coefficients in realistic wave fields, building on recent theoretical advances and high-resolution waveform measurements from spacecraft. These coefficients will be compiled into a database linked to observable wave parameters and implemented in leading global radiation belt models (DREAM, VERB) to assess their impact during geomagnetic storms and superstorms.
The outcome will be a physics-based correction framework that enhances space weather forecasting capabilities during the most hazardous events. The fellowship will also support interdisciplinary training at the University of Michigan, including collaborations on spacecraft instrumentation, computational electromagnetism, and fluid dynamics. I will gain experience in mentoring, teaching, and leadership, preparing for a future independent research career.

Wissenschaftliches Gebiet (EuroSciVoc)

Schlüsselbegriffe

Programm/Programme

Thema/Themen

Finanzierungsplan

HORIZON-TMA-MSCA-PF-GF - HORIZON TMA MSCA Postdoctoral Fellowships - Global Fellowships

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Aufforderung zur Vorschlagseinreichung

(öffnet in neuem Fenster) HORIZON-MSCA-2025-PF

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Koordinator

GFZ HELMHOLTZ-ZENTRUM FUR GEOFORSCHUNG
Netto-EU-Beitrag
€ 401 232,00
Adresse
TELEGRAFENBERG
14473 POTSDAM
Deutschland
Region
Brandenburg Brandenburg Potsdam
Aktivitätstyp
Research Organisations
Links
Gesamtkosten
Keine Daten

Partner (2)