Warum polt sich das Erdmagnetfeld um?

Wer hat nicht schon einmal Entdecker gespielt und versucht, sich mit einem Kompass zu orientieren? Seit dem 15. Jahrhundert ist die Orientierungs-Eigenschaft dieser kleinen magnetisierten Nadeln den Seefahrern gut bekannt. Es spiegelt die Existenz des Erdmagnetfeldes wider, das neben einer zuverlässigen Orientierung die Erde und ihre Biosphäre vor Sonneneinstrahlung schützt. Das Magnetfeld der Erde ist jedoch alles andere als stabil. Die Magnetpole sind in der Tat nicht fest und ihre Position ändert sich im Laufe der Jahre, bis sie sich umkehren.

Diese Umkehrungen des Magnetfeldes, wenn der Nordpol zum Südpol wird und umgekehrt, sind in der Erdgeschichte hunderte Male aufgetreten. Aber warum kehrt sich das Magnetfeld episodisch um? Was ist der Ursprung und der Motor dieser Umkehrungen?

Was ist das Magnetfeld der Erde?

Stellen wir uns einen großen Dipolmagneten vor, der in der Mitte der Erde platziert ist. Die von diesem Magneten erzeugten magnetischen Kraftlinien stellen das so genannte Erdmagnetfeld dar. Diese Kraftlinien schneiden die Erdoberfläche in einem Winkel, der mit dem Breitengrad variiert. Sie „treten“ senkrecht an einem Punkt ein, der Nord-Magnetpol genannt wird, und treten auf die gleiche Weise am Süd-Magnetpol aus. Am magnetischen Äquator sind die Feldlinien horizontal. Derzeit ist die magnetische Achse gegenüber der Rotationsachse der Erde versetzt, was bedeutet, dass der magnetische und der geografische Pol nicht übereinstimmen. Der magnetische Nordpol befindet sich derzeit in Sibirien und der magnetische Südpol in Terre Adélie, vor der Antarktis.

Die Entstehung des Magnetfeldes der Erde

Wenn das Bild eines großen dipolaren Magneten im Zentrum der Erde eine erste Annäherung zum Verständnis des Magnetfeldes erlaubt, so ist sein Ursprung viel komplexer. Alles spielt sich auf der Ebene des Erdkerns ab, der wie ein selbsterhaltender Dynamo funktioniert. Aufgrund von Temperaturschwankungen mit der Tiefe, der Erdrotation und der Corioliskräfte fließt das flüssige Eisen, das den äußeren Kern bildet, mit starken Konvektionsströmen, die in wirbelnden Säulen parallel zur Erdrotationsachse strukturiert sind. Es ist diese starke konvektive Bewegung, die einen Dynamo-Effekt erzeugt, der das Magnetfeld entstehen lässt.

Magnetische Feld-Umkehrungen über die Zeit

In den frühen 1900er Jahren entdeckten Wissenschaftler, dass Gesteine vulkanischen Ursprungs unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen aufwiesen. Einige Messungen zeigten eine Magnetisierung in der gleichen Richtung wie das aktuelle Magnetfeld, während andere eine völlig entgegengesetzte Magnetisierung zeigten, wodurch „magnetische Anomalien“ entstanden. Aus diesen Beobachtungen entstand die Idee, dass sich das Magnetfeld der Erde episodisch umkehren könnte. Diese Hypothese hat sich im Laufe der Zeit erhärtet, und es gibt jetzt Skalen der magnetischen Polaritäten, die die verschiedenen Umkehrungen in der Erdgeschichte aufzeichnen und datieren.

Diese Skalen definieren Perioden mit „normaler“ Polarität, wenn das gemessene Feld mit dem aktuellen Feld identisch ist, und Perioden mit „umgekehrter“ Polarität, wenn das gemessene Feld in die entgegengesetzte Richtung verläuft. Es ist klar, dass die Umkehrungen weder regelmäßig noch von gleicher Dauer sind. Die Zeitintervalle, die einer stabilen Polarität (normal oder umgekehrt) entsprechen, werden als Chrons bezeichnet und ausgehend vom Strom (C0) nummeriert. Die Dauer jeder Chronik ist extrem variabel und reicht von weniger als einer Million Jahren bis zu mehreren zehn Millionen Jahren (Superchronik genannt). Auch ihre Frequenz ist sehr chaotisch. Das Magnetfeld hat sich in den letzten 200 Millionen Jahren etwa 300 Mal umgekehrt. Die letzte Umkehrung fand vor 773.000 Jahren statt.

Der Ursprung der Umkehrungen des Erdmagnetfeldes

Die Messungen zeigen, dass die Pole nicht fixiert sind, sondern sich bewegen. In den letzten zwanzig Jahren hat sich der Nordpol um mehrere hundert Kilometer bewegt und bewegt sich derzeit um etwa 55 km/Jahr. Andererseits bewegt sich der Südpol nur um 10 km/Jahr. Diese Variabilitäten führen dazu, dass sich die beiden Magnetpole nicht unbedingt an entgegengesetzten Enden der Erde befinden. Das hängt mit der komplexen Dynamik des Magnetfeldes zusammen, das nicht nur dipolar ist, sondern multipolare Komponenten aufweist. Diese Multipolarität hängt mit den Bewegungen des flüssigen Eisens im Erdkern zusammen. Störungen im Kern können die konvektiven Strukturen verändern und sekundäre Magnetschleifen erzeugen, die sich zum Haupt-Dipol addieren. Diese multipolare Komponente wäre in der Lage, den Dipol der Erde vorübergehend zu schwächen, was entweder zu einer vollständigen Umkehrung des Magnetfeldes oder zu einer Wiederherstellung der Pole in ihre ursprüngliche Position nach einer Periode der „Exkursion“ führt.

Kurz vor einer Umkehrung scheinen die Magnetpole also komplexe und gewundene Bahnen auf der Erdoberfläche zu verfolgen, verbunden mit einer drastischen Abnahme der Magnetfeldstärke, ohne dass das Feld jedoch vollständig verschwindet. Die genauen Mechanismen, die mit den Magnetfeld Umkehrungen verbunden sind, sind jedoch noch wenig verstanden, einschließlich des Ursprungs der Störungen im Erdkern. In jedem Fall scheint eine Umkehrung in einem relativ kurzen Zeitraum von 1.000 bis maximal 20.000 Jahren stattzufinden.

Ist die aktuelle Beschleunigung der Bewegung des magnetischen Nordpols also gleichbedeutend mit einer kurzfristigen Inversion? Nichts ist weniger sicher, denn der Südpol bleibt relativ stabil. Der derzeitige Stand unseres Wissens erlaubt keine Vorhersage, wann die nächste Auslenkung oder Umkehrung stattfinden wird.

Urhebender Autor: Futura Redaktion