Magnetfeld der Erde ändert sich schneller als gedacht

Tief unter der Erde ermöglicht ein mächtiger Strom flüssigen Eisens das Leben, wie die Menschen es kennen. Diese Bewegung erzeugt elektrische Ströme, die wiederum ein Magnetfeld antreiben. Es schützt alles Leben auf der Erde vor kosmischer Strahlung und hält die Atmosphäre zusammen. Angesichts dessen wird die Navigation mit Kompass fast zur Nebensache.

Dieses lebenswichtige Magnetfeld ändert sich jedoch ständig. Geologische Daten beweisen zudem, dass es sich in der Geschichte mehrmals umgekehrt hat, sodass der Nord- zum Südpol wurde und umgekehrt. Eine neue Studie zeigt nun, dass Änderungen einschließlich eines Polsprungs, deutlich schneller erfolgen können als bisher angenommen.

Die genaue Nachverfolgung des Signals aus dem Kernfeld der Erde ist jedoch äußerst schwierig, weshalb die durch diese Art der Analyse geschätzten Feldänderungsraten immer noch umstritten sind.

Abweichungen um +/- 10 Grad pro Jahr möglich

Heute bieten Satelliten ungeahnte Möglichkeiten zur Messung und Verfolgung der Feldlinien. Das Magnetfeld existierte jedoch schon lange vor der Erfindung von Kompass oder Messgeräten. Um die Entwicklung des Feldes durch die geologische Zeit zurückzuverfolgen, analysieren Wissenschaftler die von Sedimenten, Lavaströmen und menschlichen Artefakten aufgezeichneten Magnetfelder.

Mit einer Kombination aus Computersimulationen einer kürzlich veröffentlichten Rekonstruktion des Erdmagnetfeldes der letzten 100.000 Jahre wählten Dr. Chris Davies, Professor der Universität Leeds, und Prof. Catherine Constable von der University of California San Diego in Kalifornien einen gänzlich anderen Ansatz. Die Ergebnisse ihrer mehr als dreijährigen Untersuchungen veröffentlichten sie in „Nature Communications“.

Darin kommen die Forscher zu dem Schluss, dass Änderungen in der Richtung des Erdmagnetfeldes Raten erreichten, die bis zu zehnmal größer sind als die schnellsten derzeit gemeldeten Variationen von bis zu einem Grad pro Jahr.

Kurze Umkehrung der Pole vor 39.000 Jahren

Darüber hinaus zeigen Davies und Constable, dass die schnellen Veränderungen mit einer lokalen Schwächung des Magnetfeldes verbunden sind. Das bedeutet, dass diese Veränderungen im Allgemeinen zu Zeiten auftraten, in denen das Feld seine Polarität umgekehrt hat. Möglich sind derartige Veränderungen auch während geomagnetischer Exkursionen. Nämlich wenn sich die Dipolachse – entsprechend den Feldlinien, die von einem Magnetpol ausgehen und am anderen zusammenlaufen – weit von den Standorten der geografischen Nord- und Südpole entfernt.

Die detaillierte Analyse deutet darauf hin, dass die schnellsten Richtungsänderungen in niedrigeren Breitengraden stärker verbreitet sind. Eine dieser starken Änderungen ereignete sich vor etwa 39.000 Jahren und vollzog sich mit etwa 2,5 Grad pro Jahr. Dabei folgte eine Abschwächung der Feldstärke unmittelbar vor der Westküste Mittelamerikas der globalen Laschamp-Exkursion – einer kurzen Umkehrung des Erdmagnetfeldes.

„Unser Wissen über unser Magnetfeld vor 400 Jahren ist sehr unvollständig. Da diese schnellen Veränderungen zu den extremeren Verhaltensweisen des flüssigen Kerns gehören, könnten sie wichtige Informationen über das Verhalten des tiefen Erdinneren liefern“, sagte Prof. Davies. Seine Kollegin ergänzte: „Weitere Untersuchungen der sich entwickelnden Dynamik [könnten erklären] wie solche schnellen Veränderungen auftreten – und ob sie auch in Zeiten stabiler magnetischer Polarität, wie wir sie heute erleben, [auftreten].“

Grundkurs Geophysik: Wie das Magnetfeld entsteht und was es aufrechterhält

Ohne das Magnetfeld der Erde und seine Fähigkeit, gefährliche ionisierende Teilchen vom Sonnenwind und der weiter entfernten kosmischen Strahlung abzulenken, wäre menschliches Leben, wie es derzeit bekannt ist, unmöglich. Das Magnetfeld wird kontinuierlich durch die Bewegung von flüssigem Eisen im äußeren Erdkern erzeugt. Dieses Phänomen ist als Geodynamo bekannt. Trotz seiner fundamentalen Bedeutung bleiben viele Fragen über den Ursprung des Geodynamos und seine Energiequellen unbeantwortet.

Unser Planet ist laut dem aktuellen Stand der Forschung aus der Staub- und Gasscheibe entstanden, die unsere Sonne in ihrer Jugend umgab. Schließlich sank das dichteste Material nach innen und schuf die Schichten, die heute existieren – Kern, Mantel und Kruste. Obwohl der Kern überwiegend aus Eisen besteht, deuten seismische Daten darauf hin, dass sich während der Entstehung leichtere Elemente wie Sauerstoff, Silizium, Schwefel, Kohlenstoff und Wasserstoff in ihm lösten. Im Laufe der Zeit kristallisierte der innere Kern aus und kühlt sich seither kontinuierlich ab.

„Je weniger wärmeleitend das Kernmaterial ist, desto niedriger ist die Schwelle, die zur Erzeugung der Geodynamo benötigt wird“, erklärten Forscher unter der Leitung von Wen-Pin Hsieh von der Academia Sinica und der National Taiwan University ebenfalls in „Nature Communications“. „Bei einem ausreichend niedrigen Schwellenwert könnte der Wärmefluss aus dem Kern vollständig durch die thermische Konvektion getrieben werden.“

Computersimulationen lassen zudem vermuten, dass etwa acht Gewichtsprozent Silizium im inneren Kern den Geodynamo für die gesamte Geschichte des Planeten allein durch Wärmeübertragung hätte aufrechterhalten können. Im nächsten Schritt wollen die Forscher daher verstehen, ob und welchen Einfluss die anderen leichten Elemente auf das Magnetfeld haben.