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Geophysik: Das Magnetfeld der Erde polt sich um

Öd und leer wie der Mars wäre die Erde ohne ihr Magnetfeld. Es schützt das Leben vor dem todbringenden kosmischen Partikelschauer. Eine Änderung des Feldes wirkt notwendigerweise spürbar auf das Leben und die technische Umwelt ein. Denn ohne die Magnetfeldlinien könnten weder die Zugvögel ihre Heimat finden noch sich viele Mikroorganismen und sogar Säugetiere orientieren. Der Mensch hätte ohne Kompass die Weltmeere gewiss nicht so schnell erobert. Die technische Infrastruktur des Menschen würde bei einem Ausfall des Magnetfeldes zusammenbrechen.

Das Hauptfeld ...

Das magnetische Feld der Erde besteht aus vier Teilen. Das bei weitem wichtigste ist das Hauptfeld. Es hat seinen Sitz im Erdinneren. Die Flüssigkeitsströme im äußeren, eisenhaltigen Kern in Tiefen zwischen 2900 und 5200 km und im zähflüssigen Mantel darüber lassen zusammen mit der Erdrotation das Feld entstehen.

Vom Kern steigt heißes Material nach oben (Konvektion) zum Mantel und (relativ) kaltes sinkt von dort in die Tiefe. Da das geschmolzene Eisen des Erdinneren ein guter elektrischer Leiter ist, sind die Glutströme von Magnetfeldern umgeben. Durch die Eigenrotation der Erde bewegen sich die Schmelzströme schraubenförmig entlang der Erdachse in Richtung Pole und sorgen mit mechanischer Energie für ein stabiles, symmetrisches Magnetfeld. Daher liegen die Magnetpole auch immer in der Nähe der geographischen Pole.

Seit 3,6 Milliarden Jahren gibt es diesen Geodynamo, den man sich wie einen Stabmagneten vorstellen kann (Abb. 1). Dieses lange vermutete Dynamoprinzip aber wirklich nachzuweisen, gehört zu den schwierigsten Fragen der Geophysik. Erst vor kurzem ist es Wissenschaftlern des Forschungszentrums Karlsruhe gelungen, mit flüssigem Natrium einen Erdkern zu simulieren und den Geodynamo experimentell nachzubilden.

... und die Nebenfelder

Das Hauptfeld oder reguläre Feld wird von sich rasch ändernden, irregulären Feldern überlagert:

  • Das Variationsfeld oder Externe Feld speist sich aus den elektrischen Strömen zwischen der Ionosphäre und denen, die beim Einfall des Sonnenwindes – das ist ein Plasma aus Protonen und Elektronen – auf das Erdmagnetfeld entstehen. Seine Stärke ist also direkt von der Sonne abhängig.
  • Das Lithosphärenfeld wird von den magnetischen Mineralien der Gesteine und Sedimente der Erdkruste und des oberen Mantels erzeugt. Es handelt sich dabei vor allem um titanhaltigen Magnetit. Das Mineral hat eine Curietemperatur von 400 bis 600 °C. Oberhalb dieser Temperatur verliert Magnetit seine magnetischen Eigenschaften. Deshalb reicht das Lithosphärenfeld nur 10 bis 50 km in die Tiefe.
  • Das Induzierte Feld entsteht durch elektrische Ströme in der Erdoberfläche und den Weltmeeren.

Das Magnetfeld ändert sich

Alle diese Feldanteile haben ihre individuelle zeitliche und räumliche Struktur. Sie sind nicht homogen. Deren Rätsel zu lösen, daran wird weltweit intensiv gearbeitet. Darüber hinaus gibt es "natürliche" Anomalien (Abb. 2). So stören große Eisenerzlagerstätten wie die bei Kiruna in Schweden und bei Kursk am Schwarzen Meer das Gesamtfeld erheblich.

Eine solche große Störung liegt auch bei Bangui in der Mitte Afrikas. Da es dort aber keine Magnetitlagerstätten gibt, wird über einen großen unterirdischen Eisenmeteoriten spekuliert.

Die Pole des Hauptfeldes liegen dort, wo die Magnetfeldlinien senkrecht zur Erdoberfläche stehen. Durch die irregulären Feldanteile stimmen die Magnetpole nur in Intervallen von mehreren tausend Jahren mit den geographischen Polen überein. Derzeit liegt der magnetische Südpol bei 81,3° nördlicher Breite und 110,8° westlicher Länge. 1980 lag er noch bei 76° n. Br. und 103° w. L. Auch stehen sich die beiden Magnetpole nicht genau gegenüber, sondern sind gegeneinander verschoben.

Das Magnetfeld wandert aber nicht nur innerhalb einer gewissen Fläche. Etwa alle 500 000 Jahre kommt es zu einer kompletten Umpolung des Feldes. Aus paläomagnetischen Untersuchungen weiß man dies.

Eine Umpolung steht bevor

Die zahlreichen irregulären Einflüsse führen förmlich zu Tälern und Bergen im Hauptfeld. So liegt südlich der Südspitze Afrikas eine große Zone mit umgekehrter Polarität. Dort stehen die Feldlinien senkrecht zur Oberfläche. Es wächst also ein kleiner magnetischer Nordpol. In der Nähe des geographischen Nordpols wurde dagegen ein kleiner magnetischer Südpol entdeckt.

Diese und weitere Erkenntnisse weisen eindeutig darauf hin, dass die magnetischen Instabilitäten zunehmen. Die Magnetforscher deuten dies als Beginn einer in den nächsten tausend Jahren bevorstehenden vollständigen Umpolung des Hauptfeldes.

Die vom deutschen Satelliten CHAMP (Challenging Minisatellite Payload) gesammelten Daten zeigen ebenfalls eine deutliche Abschwächung der Polarität. Das Hauptfeld wird immer inhomogener. Es ist in den letzten 2000 Jahren auch stetig schwächer geworden. Der Prozess beschleunigt sich. Seit 1840 hat das Feld 15 Prozent seiner Stärke verloren.

Die Ursache dieses Phänomens liegt nach wie vor im Dunkeln. Es wird vermutet, dass eine Störung des Hitzeflusses vom Erdkern zum Erdmantel daran mitwirkt. Kühle Teile der Kruste könnten z. B. langsam in den Mantel wandern. Doch eine zufriedenstellende Erklärung ist das noch nicht für die offenbar regelmäßigen Umpolungen.

Mit der Sonne verbunden

Das Magnetfeld der Erde ist nicht rund wie die Atmosphäre. Der mit etwa fünf Teilchen je Kubikzentimeter sehr dichte Sonnenwind staucht es an der einen Seite regelrecht auf 60 km zusammen. In der Nähe der Pole brechen die Feldlinien förmlich auf, und auf der Nachtseite bilden sie einen magnetischen Schweif von 6000 km Länge (Abb. 3).

Der Sonnenwind bildet ebenfalls ein Magnetfeld aus, das mit dem der Erde verschmilzt. Das Sonnenplasma wird um die Erde herum in den Schweif abgelenkt. Dort sammeln sich die Teilchen als Plasmaklumpen oder Plasmoide und laden die Sphäre elektrisch auf. Es bildet sich innerhalb des Magnetschweifes eine Plasmaschicht, die bis zu den Polgebieten reicht. Dort dringen die Teilchen in die Atmosphäre ein und erzeugen das Polarlicht und die gefürchteten Magnetstürme (Abb. 4).

Das Magnetfeld des Sonnenwindes verbindet die Erde direkt mit der Sonne. Das veranschaulicht die starke Wirkung, die die Aktivität der Sonnenflecken auf das Geschehen auf der Erde hat. Ein starker Magnetsturm aus ionisierten Teilchen kann ungeahnte Folgen haben. So hat im März 1989 ein Sonnensturm innerhalb von eineinhalb Minuten das gesamte Stromnetz der kanadischen Provinz Quebec für neun Stunden ausgeschaltet. Bei – 15° Celsius fielen die Heizungen aus, alles stand bei eisiger Kälte still.

Solche Sonnenstürme mit Teilchengeschwindigkeiten von bis zu 800 km/s können die Satelliten- und Telekommunikation der gesamten Erde ausschalten. Mehr als 30 Satelliten sind bereits beschädigt worden oder ganz ausgefallen, darunter vier Spionagesatelliten der US-Marine. Doch auch Züge fallen aus, wenn die Signalsysteme nicht mehr funktionieren.

Weltraumwetter

Um diese Phänomene zu erforschen, ist ein neuer Begriff entstanden: das Weltraumwetter. Dieses "Wetter" zwischen Sonne und Erde entsteht im Zusammenspiel zwischen den verschiedenen Aktivitätszyklen der Sonne, dem Sonnenwind und dem Erdmagnetfeld.

Die "Weltraummeteorologen" verweisen darauf, dass zum Beispiel das fliegende Personal der Zivilluftfahrt durch Sonnenstürme die ohnehin schon hohe zulässige berufliche Strahlenexposition von 20 Millisievert pro Jahr deutlich überschreiten könnten.

Störungen in der Ionosphäre können beim Satellitennavigationssystem GPS zu Fehlern von 60 Metern führen. Das ist in der Luftfahrt durchaus erheblich. Mittlerweile konnte auch nachgewiesen werden, dass die lange Zeit unerklärlichen Zerstörungen an elektronischen Bauteilen des ICE Anfang der Neunzigerjahre durch den Sonnenwind verursacht worden sind. Dass der Partikelschauer auch die Festplatten des heimischen Rechners verändern kann, zeigt, dass niemand sich vor der Sonne und ihren Launen schützen kann.

Ein zusammenbrechendes Magnetfeld hätte also ernste und unabwendbare Folgen für die technische Welt. Darüber hinaus scheint ein sich abschwächendes Feld auch zu höheren Temperaturen auf der Erde zu führen. Das ist ein Aspekt der Klimadebatte, den bisher kaum jemand beachtet hat. Der Mars hat diese Sorgen nicht. Er besitzt kein Magnetfeld und deshalb auch kein Leben (zumindest nicht auf seiner Oberfläche).

Literatur

Vom Urknall zum Menschen. Brockhaus, Leipzig 1999. Schulte: Streit um heiße Luft. Hirzel, Stuttgart 2003. Tipler: Physik. Spektrum, Heidelberg 2000.

Die erste unfassende Theorie vom Magnetfeld der Erde entwickelte William Gilbert (1540 –1603), Arzt am Hofe der Königin Elisabeth I. Er schloss aus seinen Experimenten mit kugelförmigen Magneten, dass die Erde ein Magnet sei, der im Inneren aus Magneteisenstein bestehen müsse. Die magnetische Kraft der Erde sollte bis zum Himmelsgewölbe reichen und die Welt zusammenhalten.

Die Chinesen sollen die Ersten gewesen sein, die das magnetische Feld der Erde zur Navigation genutzt haben. Im 13. Jahrhundert tauchte der magnetische Kompass in Europa auf. Ab dem 15. Jahrhundert berücksichtigten die flandrischen Kompassmacher die Abweichung von der wahren Nord-Süd-Richtung.

Auch der Mond hatte einst ein Magnetfeld. Nachdem er sich vor 4,5 Mrd. Jahren von der Erde losriss, erkaltete er langsam. In den ersten Jahrmillionen sorgte jedoch die innere Konvektion radioaktiver Elemente für ein Magnetfeld.

Das Magnetfeld des Jupiters wird möglicherweise durch Wasserstoff angetrieben. Im Inneren des Planeten soll er durch den hohen Druck metallisch und damit elektrisch leitend sein.

Magnetisches Archiv Da sich Eisenoxide wie Magnetit oder Hämatit nach dem Magnetfeld ausrichten, können Geophysiker die Wanderung sowohl der Magnetfelder als auch der tektonischen Platten in der Erdgeschichte verfolgen. Denn härten die Sedimente aus, wird die Ausrichtung der Signalträger, die kleiner als 0,1 Mikrometer sind, gleichsam eingefroren. Die Analysen zeigen, dass es vor zehn Millionen Jahren eine Umpolung gegeben hat. Danach blieb es lange Zeit magnetisch gesehen ruhig. Doch in der jüngeren Erdgeschichte gibt es etwa alle 200 000 Jahre eine Umpolung.

Das Magnetfeld im Netz Aktuelles Weltraumwetter www.internet-taubenschlag.de/ wetter/weltraum.htm

Über die Verbindung von Sonne und Erde www-istp.gsfc.nasa.gov/

Geophysik, TU Braunschweig www.tu-bs.de/institute/ geophysik/

Geoforschungszentrum Potsdam www.gfz-potsdam.de/

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