Erdmagnetfeld

Magnetosphere rendition.jpg schirmt die Erdoberfläche von den geladenen Partikeln des Sonnenwindes ab.]] Das Erdmagnetfeld ist das Magnetfeld, das die Erde umgibt. Es wird von dem so genannten Geodynamo erzeugt. Oberhalb der Erdoberfläche hat das Feld eine Form ähnlich der eines magnetischen Dipols (siehe Abbildung unten). Die magnetischen Feldlinien treten im Wesentlichen auf der Südhalbkugel aus dem Kern aus und durch die Nordhalbkugel wieder in den Kern ein.

Aufbau

Erdmagnetfeld.png Das Erdmagnetfeld ist größtenteils statisch. Es ist auf weiten Teilen der Erdoberfläche grob in geographischer Nord-Süd-Richtung gerichtet, weshalb eine Kompassnadel in diesen Gebieten etwa nach Norden zeigt (Details siehe Deklination (Geographie)). Dieser Umstand war den Chinesen und Mongolen schon vor mehreren tausend Jahren bekannt und wird bis heute zur Navigation eingesetzt.

Die magnetischen Pole des Erdmagnetfeldes fallen nicht genau mit den geographischen Polen der Erdachse zusammen, sondern sind derzeit (2005) um zirka 11,5° gegenüber der Erdachse geneigt. Daher unterscheidet man den geographischen Nordpol und Südpol, die durch die Richtung der Erdachse bestimmt sind, von den magnetischen Polen.

In der Geophysik wird ein weiteres Polpaar definiert und verwendet, die geomagnetischen Pole, die sich von den magnetischen Polen um über 1.000 Kilometer unterscheiden. Sie sind so definiert, als ob man sich das Erdmagnetfeld durch das Magnetfeld eines Stabmagneten erzeugt vorstellt.

Das Magnetfeld der Erde lenkt die geladenen Teilchen des Sonnenwindes ab. Satellitenmessungen ergeben, dass es durch diesen Sonnenwind auf der sonnenabgewandten Seite in großen Höhen stark verformt ist und nicht mehr einem Dipolfeld entspricht. Es bildet sich sogar ein Plasmaschweif aus. Durch magnetische Stürme, die durch den Sonnenwind verursacht werden, wird die Stärke des Feldes zudem kurzzeitig verändert, jedoch nur im Bereich von einigen 100 Nanotesla.

Die Stärke des Magnetfeldes der Erde ist mit zirka 20 bis 30 Mikrotesla an der Erdoberfläche relativ klein, im Erdinneren beträgt die magnetische Feldstärke jedoch etwa das 100-fache. Aufgrund von magnetischen Materialien innerhalb der Erde treten kleine lokale Abweichungen (Anomalien) des Feldes auf. Im Jahr 2005 ergaben Messungen, dass das Erdmagnetfeld im Wesentlichen nur vier ausgedehnten Regionen der Übergangszone zwischen Kern und Mantel entspringt. So konzentriert sich der Magnetische Fluss auf Regionen in Nordamerika, Sibirien und die Küste der Antarktis. Diese Flecken entstehen und vergehen wohl über Jahrtausende und sind Zeugen der Veränderung der Konvektionsströme im Erdinneren.

Das Erdmagnetfeld liegt nicht parallel zur Erdoberfläche, sondern tritt mit einem Inklinationswinkel in die Oberfläche ein. Diesen Winkel der Feldlinien kann man durch eine horizontal aufgehängte Kompassnadel bestimmen. Er beträgt in Deutschland etwa 60° gegenüber der Horizontalen. Am Nordpol und Südpol ist er zirka 90°, am Äquator 0°.

Entstehung und Aufrechterhaltung des Erdmagnetfeldes (Geodynamo)

Über die Entstehung des Erdmagnetfeldes gibt es verschiedene Theorien. Es handelt sich um ein bisher unvollständig formuliertes Problem aus der Magnetohydrodynamik. Sicher ist, dass im äußerlichen Erdmagnetfeld eine Energie (der Größenordnung 10¹⁸ J) gespeichert ist und vermutlich die Energie im inneren Feld (innerhalb des Erdkörpers) um zwei Größenordnungen höher liegt. Das Erdmagnetfeld speichert auch einen Drehimpuls.

Nach einer Theorie geht das Magnetfeld der Erde vom Erdkern aus. Für die Entstehung von planetaren Magnetfeldern müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

Es muss eine große Menge einer elektrisch leitenden Flüssigkeit oder eines solchen Gases vorhanden sein. Diese Bedingung erfüllt auf der Erde der flüssige äußere Erdkern, der stark eisenhaltig ist und den inneren festen Kern aus nahezu reinem Eisen umschließt.
Es muss eine Energiequelle vorhanden sein, damit sich das flüssige leitende Material im Erdkern durch Konvektion bewegt. Man vermutet einheitlich, dass der Erdkern sehr heiß ist (Einige Schätzungen liegen bei 5.000 Grad Celsius, also in etwa so heiß wie die Sonnenoberfläche). Neben thermischer Energie aus der heißen Vergangenheit der Erde und Wärme durch den radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium ist weiterhin noch chemische Energie für die Wärme im Erdinneren verantwortlich. Wie in einer Lavalampe steigt heißes, flüssiges, weniger dichtes Eisen im Erdkern zum Mantel auf, wo es einen Teil seiner Wärme abgibt und somit wieder absinkt (diesen Vorgang bezeichnet man als Konvektion). Dabei bilden sich so genannte Konvektionswalzen, wie man sie im kleinen Maßstab in jeder Kaffeetasse nach dem Sahneeingießen beobachten kann. Erstarrt das Eisen wieder am festen Erdkern, so wird Bindungsenergie frei, was zur erneuten Aufheizung des Materials führt.
Der Planet muss rotieren. Wie die Luftmassen der Erdatmosphäre werden auch die Konvektionsströme im Erdinneren durch die Corioliskraft, also durch ihre eigene Trägheit abgelenkt und auf eine Schraubenbahn gezwungen. Durch diese Verwirbelungen der Konvektionsströme und damit auch der Feldlinien erhöht sich die magnetische Feldstärke.

Als Ursache des Erdmagnetfeldes gelten Konvektionsströme im äußeren flüssigen Erdkern, die durch den Temperaturunterschied zwischen dem festen inneren Erdkern und dem Erdmantel aufrechterhalten werden. Dabei handelt es sich um flüssiges Eisen mit insgesamt dem sechsfachen Mondvolumen. Ähnlich dem in Dynamos und Stromgeneratoren angewandten Prinzip der Selbstinduktion wird durch die Bewegung der elektrisch leitfähigen Schmelze ein elektrischer Strom induziert, von dem das Magnetfeld der Erde ausgeht. Man spricht daher auch vom Geodynamo. Das Erdmagnetfeld wird also aus der kinetischen Energie des Erdkerns erzeugt. Die Konvektion der Schmelze kann auch als Rotationsbewegung angesehen werden, die das Bestreben hat, die ursprüngliche Richtung der Rotationsachse, ähnlich einem Foucaultschen Pendel, beizubehalten. Dies ist eine alternative Beschreibung für die Ablenkung durch die Corioliskraft (siehe weiter oben). Daher liegen die magnetischen Pole etwa in der Nähe der geographischen Pole.

Einer anderen Theorie zufolge tragen auch die besonders vom Mond, aber auch von der Sonne und anderen Himmelskörpers ausgehenden Gezeitenkräfte zur Entstehung des Erdmagnetfeldes bei. Durch sie wird die Erde in ihrer Rotation allmählich abgebremst (siehe Gezeiten: Rückwirkungen auf Erde und Mond). Die Gezeitenkräfte wirken dabei auf den Erdmantel stärker als auf den Erdkern, denn der größere Radius des Erdmantels führt zu einem größeren Unterschied der Anziehung durch den Mond, da die dem Mond zu- und abgewandten Bereiche des Erdmantels weiter voneinander entfernt sind als die entsprechenden Bereiche des Erdkerns. In der Konsequenz bedeutet die stärkere Abbremsung des Erdmantels, dass der innere Erdkern ein wenig schneller rotiert als der Erdmantel, was nicht zuletzt durch die Wirkung des äußeren flüssigen Erdkerns als reibungsarmes Medium ermöglicht wird. Durch die schnellere Rotation des festen Erdkerns gegenüber dem Erdmantel wird ein elektrischer Strom induziert, der das Erdmagnetfeld hervorruft.

Mittlerweile kann man diese als Superrotation bezeichnete schnellere Drehung des Erdkerns tatsächlich nachweisen. Erdbebenwellen zeitlich verschiedener Erdbeben vom selben Entstehungsort, die durch den Erdkern laufen, werden mit wachsendem Zeitabstand immer unterschiedlicher im Erdkern abgelenkt. Der unterschiedliche Ankunftspunkt auf der gegenüberliegenden Erdseite kann dabei gemessen werden. Die Ablenkungsunterschiede rühren sehr wahrscheinlich von Inhomogenitäten des inneren festen Kerns her, die durch eine leicht schnellere Drehung des Kerns ihren Ort ändern. Aus diesen Analysen ergibt sich, dass der innere Erdkern 0,3° bis 0,5° pro Jahr schneller als der Erdmantel und die Erdkruste rotiert. Damit macht er zirka alle 900 Jahre eine zusätzliche Drehung. Man geht jedoch aktuell davon aus, dass diese Superrotation durch den Geodynamo selbst und nicht durch die Gezeiten angetrieben wird, das heißt, dass die Superrotation eine Folge, aber nicht die Ursache des Geodynamos ist.

Geschichte der Erforschung des Erdmagnetfeldes

Inklinationskarte_fuer_1860.jpg Im Jahre 1600 veröffentlichte der englische Arzt und Naturphilosoph William Gilbert sein Werk De Magnete, in dem er erstmals erkannte, dass die Erde die Ursache für die Ausrichtung der Kompassnadel ist. Messungen durch Henry Gellibrand in London ergaben zudem, dass das Magnetfeld nicht statisch ist, sondern sich langsam ändert.

Seit der ersten Vermessung in den 1830er Jahren hat sich die Stärke des Erdmagnetfeldes um fast 10 Prozent verringert, in den letzten hundert Jahren allein um zirka 6 Prozent. Diese gewaltig schnelle Änderung ist noch nicht zu erklären, da selbst dann, wenn der Geodynamo sofort ausfallen würde, das Erdmagnetfeld sich viel langsamer in einem Zeitraum von 10.000 Jahren abbauen würde. Man vermutet daher, dass sich das Erdmagnetfeld momentan umpolt und daher zurzeit ein Gegenfeld aufgebaut wird, welches das Erdmagnetfeld weit schneller als bisher angenommen vorübergehend zum Erliegen bringen wird, bevor die Umpolung einsetzen kann.

Die magnetischen Pole sind nicht ortsfest. Der magnetische Südpol in Kanada wandert derzeit etwa 90 Meter pro Tag Richtung Asien, entsprechend 30 Kilometer pro Jahr.

Paläomagnetismus und die Umpolung des Erdmagnetfeldes

Polwanderung.jpg Eisenhaltiges Gestein, das oberhalb des Curiepunktes erhitzt wird und sich dann abkühlt, wird in Richtung des äußeren Magnetfeldes, normalerweise des Erdmagnetfeldes, magnetisiert. Dies trifft für Vulkangestein zu, tritt aber auch bei Ziegeln oder Tongefäßen auf. Dadurch wird die damalige Magnetfeldrichtung gleichsam eingefroren und kann bis heute bestimmt werden. Das entsprechende wissenschaftliche Fach heißt Paläomagnetismus.

Aufgrund der Rekonstruktion des Paläomagnetfeldes anhand erstarrter Magma der ozeanischen Kruste, die sich im Rahmen der Plattentektonik am mittelozeanischen Rücken ständig nachbildet, weiß man, dass sich das Erdmagnetfeld im Mittel etwa alle 250.000 Jahre umkehrt. Zuletzt hat sich dies allerdings vor zirka 780.000 Jahren ereignet, die nächste Umpolung ist also gleichsam "überfällig". Der Polsprung, also die magnetische Feldumkehr, geschieht dabei in einer relativ kurzen Zeitspanne von 4.000 bis 10.000 Jahren (Computersimulationen gehen von zirka 9.000 Jahren aus). Offenbar verursachen Störungen im Geodynamo die Aufhebung der ursprünglichen Polarität. Umpolungen sind bis vor etwa 100 Millionen Jahren gut dokumentiert. Da das Magnetfeld derzeit abnimmt, könnte in nicht allzu ferner Zukunft eine Umpolung bevorstehen (Schätzung: Jahr 3000-4000), diese Vermutung ist wissenschaftlich jedoch noch nicht gesichert. Allgemein ist zu beobachten, dass die Häufigkeit der Polsprünge in den letzten 120 Millionen Jahren zugenommen hat.

Während der Phase der Umpolung wäre die Erde dem Sonnenwind etwas stärker ausgesetzt. Das korrespondiert mit der Beobachtung, dass in den entsprechenden Sedimentschichten gehäuft ein Artenwechsel von Kleinorganismen festgestellt werden konnte. Möglicherweise war daher die Oszillation des Erdmagnetfeldes und die damit einhergehenden DNA-Mutationen durch hochenergetische Strahlung ein Schrittmacher und zugleich bedeutender Antrieb der Evolution. Allerdings entstehen wohl durch die Wechselwirkung der Ionen des Sonnenwindes in der Ionosphäre magnetische "Schläuche" (Filamente) die von der sonnenzugenwandten Seite zur Schattenseite der Erde führenRealVideo: Was passiert, wenn das Erdmagnetfeld verschwindet?. Diese Selbstmagnetisierung führt zu einer magnetischen Abschirmung von ähnlicher Wirkung wie das heutige Magnetfeld.

Es gibt einige Anzeichen für eine bevorstehende Polumkehr. So gibt es Stellen in der Kern-Mantel-Zone, wo die Richtung des Magnetflusses umgekehrt ist als für die jeweilige Hemisphäre üblich (siehe weiter oben). Die größte dieser Regionen erstreckt sich südlich unter der Südspitze Afrikas nach Westen bis unter die Südspitze Südamerikas (Südatlantikanomalie, siehe am Ende des Artikels). Weitere Flussrichtungswechsel zeichnen sich unter der Ostküste Nordamerikas und unter der Arktis ab. Diese Bereiche vergrößern sich messbar und bewegen sich immer weiter polwärts. Mit diesem Phänomen lässt sich die Schwächung und anschließende Umkehrung des Dipolfeldes erklären. Die Flussumkehr entsteht, wenn sich auf der Kern-Mantel-Grenze durch Turbulenzen die Konvektionsströme und damit auch die magnetischen Feldlinien, die im Kern normalerweise horizontal verlaufen, zu vertikalen Schlaufen verbiegen. Tritt eine solche Schlaufe in einem Punkt aus dem Kern aus und in einem anderen wieder in ihn ein, so erhält man zwei räumlich nah beieinander liegende Orte mit unterschiedlicher Richtung des magnetischen Flusses. Diese Anomalien können das Gesamtfeld schwächen, wenn die Region mit dem umgekehrten Fluss näher am geographischen Pol liegt als die Region mit normalem Fluss, weil das Dipolfeld besonders empfindlich auf Veränderungen im Polbereich reagiert. Bis zur vollständigen Polumkehr werden also diese Anomalien immer weiter wachsen.

Beobachtung des Magnetfeldes

Derzeit wird das Magnetfeld in über 200 Laboratorien weltweit ständig gemessen und überwacht. Die Gesamtheit des Erdmagnetfeldes wird von Satelliten gemessen. Den Anfang markierte der NASA-Satellit Magsat im Jahre 1980, die momentan genauesten Daten liefert seit 2000 CHAMP, ein vom Geoforschungszentrum Potsdam entwickelter Minisatellit. Seine Messungen des Erdmagnetfeldes erreichen in Stärke und Richtung eine überaus große Genauigkeit von 0,0002 Prozent, darüber hinaus kann man mit ihm Echtzeitbeobachtungen machen. Für 2010 ist der Start des Satelliten Swarm geplant.

Seit 1995 werden auch numerische Computersimulationen eingesetzt, um herauszufinden, wie sich das Erdmagnetfeld in Zukunft verändern könnte, beziehungsweise was die Ursachen für historische Veränderungen waren. Die Rechenzeiten sind meistens sehr lange, so benötigte die Aufstellung eines 3D-Modells der Veränderung des Erdmagnetfeldes über einen Zeitraum von 300.000 Jahren eine Rechenzeit von über einem Jahr (bei einer Arbeitszeit von 12 Stunden pro Tag). Die so entstandenen Vorhersagemodelle entsprechen recht genau der tatsächlichen momentanen oder historischen Entwicklung des Magnetfeldes und stützen so die oben dargelegten Theorien, jedoch ist nicht gesichert, inwieweit sie die Verhältnisse im Erdinneren realistisch wiedergeben. So können die Simulationen noch keine dreidimensionalen Turbulenzen im Erdinneren wiedergeben, außerdem ist ihre räumliche Auflösung noch sehr gering. Man hofft, die Computer bis 2015 entsprechend verbessern zu können.

Bis dahin werden diese Untersuchungen durch meist aufwändige Laborversuche ergänzt. Schon seit den 1960er Jahren ist bekannt, wie man kleine Geodynamos im Labor erzeugen könnte. Schwierigkeiten bei der Umsetzung macht jedoch vor allem die extreme Verkleinerung der Wirklichkeit im Labor. Es mussten also eine entsprechende Reynolds-Zahl (sie gibt die maßstabsgerecht zulässigen Veränderungen an) und entsprechende Versuchsbedingungen gefunden werden. So gelang es erst im Jahre 2000 ein solches Magnetfeld mit flüssigem Natrium als Strömungsmedium im Labor zu erzeugen.

Neben den globalen Messungen werden magnetische Messungen in großer Zahl für die Angewandte Geophysik und Erkundung von Rohstofflagerstätten vorgenommen. Nicht zuletzt sind Richtungsmessungen mit Magnetsonden und Kompassen für Zwecke der Navigation und Geodäsie zu erwähnen.

Die Südatlantikanomalie

Schon Alexander von Humboldt stellte um 1830 während seiner umfassenden Forschungen zum Erdmagnetfeld fest, dass die Stärke des Erdmagnetfeldes über dem südlichen Atlantik wesentlich schwächer ist. Anfang der 1990er Jahre wurde diese Beobachtung durch Satellitenmessungen bestätigt. Es existiert sozusagen ein Loch, durch das leichter hochenergetische Partikel fließen können. Es wird vermutet, dass dieses Loch daher rührt, dass das Zentrum des magnetischen Feldes etwa 450 Kilometer vom geographischen Erdzentrum abweicht und die magnetischen von den geographischen Erdpolen abweichen. Der erhöhte Partikelstrom beeinflusst die Raumfahrt insofern, als dass Satelliten und Raumfahrzeuge, die die Anomalie im Orbit überfliegen, einer stärkeren Strahlung ausgesetzt sind als gewöhnlich. Dies ist für bemannte Raumflüge wichtig, aber es erhöht auch den Verschleiß von Solarzellen, die sich zur Energieversorgung auf der Erde befinden.

Orientierung am Erdmagnetfeld

Einige Tiere, so zum Beispiel Blindmäuse, Haustauben, Zugvögel, Meeresschildkröten, Haie und wahrscheinlich auch Wale nutzen das Erdmagnetfeld zur Orientierung. Dies geschieht durch eingelagerte ferromagnetische Substanzen in ihren Organen.

Einige in Gewässern vorkommende, mikroaerophile Bakterienarten werden durch das Erdmagnetfeld parallel zu den Feldlinien ausgerichtet. Im Inneren dieser magnetotaktischen Einzeller befinden sich Reihen von Magnetosomen, die die ferromagnetischen Minerale Magnetit oder Greigit enthalten. Die Magnetosomen wirken wie Kompassnadeln und drehen so die Bakterien parallel zu den Feldlinien des Erdmagnetfelds. Die Bakterien schwimmen in nördlichen Breiten zum magnetischen Südpol, in südlichen Breiten zum magnetischen Nordpol. Dadurch und wegen der Inklination des Magnetfelds schwimmen die Bakterien stets schräg nach unten, wo sie dicht über dem Sediment ein von ihnen bevorzugtes Milieu mit niedrigen O₂-Konzentrationen vorfinden. (Siehe auch Magnetotaxis)

Literatur

Volker Haak, Stefan Maus, Monika Korte, Hermann Lühr: Das Erdmagnetfeld - Beobachtung und Überwachung. Physik in unserer Zeit 34(5), S. 218 - 224 (2003), ISSN 0031-9252
Rolf Emmermann und Volker Haak: Die Erde. Physik Journal 1 (2002) Nr. 10, Seiten 29-31
U. R. Christensen, A. Tilgner: Der Geodynamo. Physik Journal 1 (2002) Nr. 10, Seiten 41-47
U. R. Christensen, A. Tilgner: Power Requirement of the geodynamo …. Nature 429 (13 May 2004)
Gary A. Glatzmaier, Peter Olson: Geheimnisvoller Geodynamo. In: Spektrum der Wissenschaft 09/05, S. 54ff

Weblinks

Zur Erinnerung an „De Magnete“, von William Gilbert
Erdmagnetfeld: Feldumkehr oder vorübergehende Schwächung
www.wissenschaft.de: Das Erdmagnetfeld zuckt - Magnetischer Nordpol springt seit Jahrtausenden zwischen Sibirien und Kanada hin und her

Video

Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri:

Quellen

Erde | Geophysik | Geodäsie | Magnetismus

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