Erdmagnetfeld

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Das Erdmagnetfeld ist ein Magnetfeld, das die Erde umgibt. An der Erdoberfläche hat das Feld die Form eines magnetischen Dipols, wie es auch von einem kleinen Stabmagneten erzeugt wird. Die magnetischen Feldlinien treten auf der Südhalbkugel (dem magnetischen Nordpol der Erde) aus dem Kern aus und durch die Nordhalbkugel (dem magnetischen Südpol der Erde) wieder in den Kern ein. Das Erdmagnetfeld rührt jedoch nicht von einer Art Stabmagneten (dies ist nur eine Modellvorstellung) her, sondern von dem so genannten Geodynamo.

Das Erdmagnetfeld ist größtenteils statisch. Es weist in Nord-Süd-Richtung, daher richtet sich eine Kompassnadel in dieser Richtung aus. Dieser Umstand wird zur Navigation eingesetzt und war den Chinesen und Mongolen schon vor mehreren tausend Jahren bekannt. Die magnetischen Pole des Erdmagnetfeldes (die Pole auf die die Kompassnadel zeigt) fallen aber 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 1000 Kilometer unterscheiden.

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 30 bis 60 Mikrotesla relativ klein, jedoch ist dieser Wert nur etwa ein Prozent der Feldstärke im Erdinneren. 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°. Die Inklinationswinkel dienen vielen Zugvögeln als "Kompass" für den Vogelzug.

Inhaltsverzeichnis

Polsprung

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 an 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 bereits vor zirka 780'000 Jahren ereignet. Der Polsprung, also die magnetische Feldumkehr, geschieht dabei in einer relativ kurzen Zeitspanne von 4'000 bis 10'000 Jahren. 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 durch die Wechselwirkung der Ionen des Sonnenwindes in der Ionosphäre magnetische "Schläuche" (Filamente) die von der sonnenzugenwandten Seite zur Schattenseite der Erde führen. 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. Die größte dieser Regionen erstreckt sich südlich unter der Südspitze Afrikas nach Westen bis unter die Südspitze Südamerikas (Südatlantikanomalie). 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 geografischen 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.

Magnetischer Sturm

Der Ursprung für die extrem starken Variationen des Erdmagnetfelds während eines magnetischen Sturms liegt in der Sonne. Der Sonnenwind transportiert ständig elektrisch geladene Teilchen von der Sonne zur Erde, mit einer Geschwindigkeit von typischerweise 400 km/s. Die Ursache für einen intensiven geomagnetischen Sturm ist in der Regel ein koronarer Massenauswurf. Bei einer solchen Sonneneruption werden grosse Mengen von Plasma, elektrisch geladenen Teilchen, in den Weltraum geschleudert. Trifft diese Plasmawolke auf die irdische Magnetosphäre, wird diese Schutzhülle zusammengedrückt. Manchmal kann die dabei entstehende kurzzeitige Erhöhung der magnetischen Feldstärke, auch plötzlicher Sturmbeginn (sudden storm commencement, ssc) genannt, als deutliches Signal an Observatorien auf der ganzen Welt beobachtet werden. (Quelle: http://www.gfz-potsdam.de/pb2/pb23/GeoMag/niemegk/Magnetogram/niemegk_stinf_de.html )

Messung

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 (http://www.gfz-potsdam.de ) 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.

  • Adolf-Schmidt-Observatorium für Geomagnetismus Niemegk (NGK) am Geoforschungszentrum Potsdam:

http://www.gfz-potsdam.de/pb2/pb23/Niemegk/dt (Mar2006)

Geomagnetik

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

Anfang der 1990er Jahre wurde durch Satellitenmessungen festgestellt, dass die Stärke des Erdmagnetfeldes über dem südlichen Atlantik wesentlich schwächer ist. 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 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, Haustaube, Zugvögel, Meeresschildkröten, Haie und wahrscheinlich auch Wale nutzen das Erdmagnetfeld zur Orientierung. Dies geschieht durch eingelagerte ferromagnetische Substanzen in ihren Organen.

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