Gliederung
2. Funktionsweise eines Magnetfeldes
3.2 Weitere Quellen des Erdmagnetfeldes
4. Räumliche Verteilung des Erdmagnetfeldes
5. Abschwächung und Umpolung des Erdmagnetfeldes
1. Einleitung
Die Erde ist unter den inneren Gesteinsplaneten des Sonnensystems hinsichtlich ihres planetaren Magnetfeldes einzigartig. Weder die Venus noch der Mars haben ein aktives Magnetfeld (Dambeck 2015). Auf dem Mars konnte man immerhin Gesteinsproben finden, die darauf hinweisen, dass dieser Planet einmal ein Magnetfeld besaß (Wicht & Christensen 2008). Der Merkur hat ein sehr schwaches Magnetfeld, welches allerdings nicht annähernd so stark ist wie das der Erde (Wicht & Christensen 2008). Um die Ursache für das Vorhandensein eines Magnetfeldes auf der Erde, die Eigenschaften, die Verteilung und mögliche Veränderungen des Erdmagnetfeldes soll es in den folgenden Kapiteln gehen.
2. Funktionsweise eines Magnetfeldes
Magnetfelder sind der Wirkungsbereich von magnetischen Verursachern, in diese Kategorie fallen magnetische Materialien, Elektromagnete und zeitliche Änderungen eines elektrischen Feldes (Prangs o.J.). Dieser Wirkungsbereich kann durch Feldlinien dargestellt werden (s. Abb. 2), die vom magnetischen Nordpol zum magnetischen Südpol verlaufen und sich dabei nicht schneiden (Joachim Herz Stiftung 2020).
Alle magnetischen Materialien richten sich in diesem Magnetfeld nach dem Verlauf der Feldlinien aus (Joachim Herz Stiftung 2020). Im Falle von bewegten, geladenen Teilchen folgen diese dem Verlauf der Feldlinien in Richtung der magnetischen Pole oder werden vom Magnetfeld dorthin abgelenkt (Spanier 2011). Unterschieden wird zudem zwischen den Permanent- und den Elektromagneten. Permanentmagneten sind im Vergleich zu den Elektromagneten in der Lage ein Magnetfeld zu erzeugen, ohne dafür Strom zu benötigen. Sie zeigen beständig magnetische Kräfte. Diese Permanenz ist auf eine parallele Ausrichtung der Elementarmagnete, der atomaren Spins, zurückzuführen (Schmitt 2020). Benötigt wird für diese Ausrichtung jedoch ein äußeres Magnetfeld (Schmitt 2020). Elektromagnete sind Magnete, die nur durch den Fluss geladener Teilchen funktionieren. In Folge der Bewegung der geladenen Teilchen wird auch ein Magnetfeld erzeugt. Wird diese Ladungsbewegung wieder unterbrochen, versagt auch das Magnetfeld (Schmitt 2020).
3. Das Erdmagnetfeld
Das Magnetfeld der Erde lässt sich näherungsweise als Dipolfeld eines Stabmagneten beschreiben (GFZ Potsdam o.J.). Diese Vorstellung wird auch häufig in Darstellungen des Erdmagnetfeldes aufgrund seiner Einfachheit genutzt (s.Abb.3), ist jedoch bei näherer Betrachtung um ein Vielfaches differenzierter.
Zum einen vermittelt das Bild des Stabmagneten den Eindruck, dass die Erde ein Permanentmagnet wäre. Da die Hauptquelle des Magnetfeldes allerdings auf dem Geodynamo beruht, ist die Beschreibung als Elektromagnet zutreffender. Die Pole des Magnetfeldes der Erde stimmen zudem nicht mit den geographischen Polen überein, tatsächlich ist die Achse des Magnetfeldes um derzeit 10 Grad gegenüber der Erdrotationsachse geneigt (GFZ Potsdam o.J.). Diese Abweichung wird auch als Deklination oder Missweisung bezeichnet (GFZ Potsdam o.J., Nelson et al. 1962: 5). Die magnetischen Pole sind dabei durch die Inklination bestimmt. Die Inklination beschreibt den Einfallswinkel der Feldlinien in die Erde, welche an den Polen genau 90 Grad betragen (GFZ Potsdam o.J.). Ebenso gibt es großräumige Abweichungen von der Form eines Dipolfeldes, die sich, wie auch der starke Dipolanteil, auf Bewegungen im Erdinneren zurückführen lassen (GFZ Potsdam o.J.). Die Form des Erdmagnetfeldes wird zudem stark durch eintreffende Sonnenwinde beeinflusst, dadurch wird es auf der Tagseite zusammengedrückt und auf der Nachtseite herausgezogen. Es formt sich eine kometenförmige Gestalt (Lühr & Maus 2004).
3.1 Geodynamo
Hauptquelle des Magnetfeldes der Erde ist der sogenannte Geodynamo, er macht ca. 90 Prozent der aktuellen stärke des Erdmagnetfeldes aus (GFZ Potsdam o.J.). Voraussetzung für die Funktion des Geodynamos sind die Konvektionsströme von flüssigem Eisenmassen im äußeren Erdkern und die Corioliskräfte, die in das flüssige Eisen des äußeren Erdkerns geordnete Strömungsmuster bringen (Haak et al. 2006: 23). Ursache der Konvektionsströme sind die Temperaturunterschiede im Erdinneren. Das flüssige Eisen wird in tieferen Bereichen, am Übergang vom äußeren zum inneren Erdkern, stärker erhitzt und steigt aufgrund einer geringeren Dichte als das darüber liegende Eisen auf. Im Übergangsbereich zum Erdmantel kühlt das Eisen ab und sinkt zurück Richtung innerem Erdkern (Wicht & Christensen 2008). Der Dynamomechanismus beruht darauf, dass man ein elektrisch leitfähiges Material (flüssiges Eisen) in einem bereits vorhandenen Magnetfeld bewegt. Durch die Lorentzkraft werden elektrische Ströme erzeugt, die wiederum ein eigenes Magnetfeld erzeugen (Wicht & Christensen 2008). Das bereits vorhandene „äußere Magnetfeld stammte wohl von der frühen Sonne oder wurde in der Akkretionsscheibe, aus der sich die Planeten bildeten, erzeugt“ (Haak et al. 2006:23).
Ein wichtiger Prozess in der erdgeschichtlichen Historie war die Verfestigung des inneren Erdkerns vor etwa 565 Millionen Jahren (Bono et al. 2019). Aus Messungen von kristallinen Einschlüssen in 565 Millionen Jahren altem Feldspat aus Kanada, konnte die Stärke des Magnetfeldes zur damaligen Zeit rekonstruiert werden (Bono et al. 2019). Ergebnis dieser Untersuchung war ein zehnmal schwächeres Erdmagnetfeld als heute, dass kurz vor dem Kollabieren stand (Bono et al. 2019). Durch die Verfestigung des Erdkerns und die zunehmende Abkühlung wird zusätzliche Energie für den Geodynamo geliefert (s. Abb. 4), was mit einer Zunahme der Stärke des Magnetfeldes einhergeht (Haak et al. 2006: 25).
(Wicht & Christensen 2008)
Die Energie wird zum einen durch die Auskristallisierung von Eisen freigesetzt, die sogenannte Kristallisationswärme, und durch die Freisetzung leichter Stoffe, wie Sauerstoff und Schwefel an der Oberfläche des inneren Erdkerns. Hier liefert die chemische Konvektion zusätzliche Energie (Wicht & Christensen 2008). Der Prozess der Auskristallisierung wird auch als „Ausfrieren des inneren Kerns“ (Haak et al. 2006: 24) bezeichnet, also das Wachstum des inneren Erdkerns durch die Auskristallisierung von Eisen aufgrund der abnehmenden Temperatur der Erde (Haak et al. 2006: 24).
3.2 Weitere Quellen des Erdmagnetfeldes
Neben dem Geodynamo wird das Magnetfeld der Erde noch durch andere, wenn auch kleinere Quellen beeinflusst. Der nächstgrößere Einflussfaktor ist das Krustenfeld oder auch Lithosphärenfeld, welches durch magnetisiertes Gestein in der Erdkruste nahe der Erdoberfläche erzeugt wird (GFZ Potsdam o.J.). „Die Gesteinsmagnetisierung kann entweder induziert sein (d.h. die Magnetisierung ist proportional zu einem induzierenden Feld, im allgemeinen durch das geomagnetische Kernfeld gut angenähert), oder remanent, wobei Stärke und Richtung der Magnetisierung in den Gesteinen „eingefroren“ sind und sich nur über geologische Zeiträume ändern.“ (GFZ Potsdam o.J.). Die Feldstärke liegt dabei meist unter 100 nT (Nanotesla) (im Vergleich: Stärke des Hauptfeldes zwischen 25000 nT am Äquator und 70000nT an den Polen (GFZ Potsdam o.J.)), nur an wenigen Anomalien, wie in Kursk in Russland oder Bangui in Afrika, werden auch Stärken von mehr als 1000 nT erreicht (GFZ Potsdam o.J.).
Eine weitere Quelle sind die externen Anteile. Diese werden in der Ionosphäre und in der Magnetosphäre gebildet, es handelt sich hier um induzierte Felder von Stromsystemen, die starken zeitlichen Schwankungen unterworfen sind (GFZ Potsdam o.J.). Über lange Zeiträume wird die Stärke dieser Felder auf knapp Null gemittelt, in ihrer Amplitude können sie allerdings bis zu 100 nT stark sein und bei starken magnetischen Stürmen sogar 1000 nT erreichen (GFZ Potsdam o.J.).
Der kleinste Beitrag zum Magnetfeld wird durch die Ozeanströmung generiert. Das hoch leitfähige Meerwasser erzeugt durch Bewegungsinduktion ein eigenes Magnetfeld, dass mit lediglich 10 ppm (parts per million) des geomagnetischen Feldes durch Satelliten messbar ist (Lühr & Maus 2004: 45, GFZ Potsdam o.J.).
3.3 Schutzfunktion
Das Magnetfeld hat eine elementare Schutzfunktion für das Leben auf der Erde. Hochenergetische Teilchen aus dem Universum und von der Sonne bewegen sich mit Geschwindigkeiten von 400 bis zu 3000 Kilometer pro Sekunde durch das Weltall (Spanier 2011). Kollidieren diese ungehindert auf Teilchenebene in der Atmosphäre, können leichte Atome aus der Atmosphäre entfernt und Planeten zu lebensfeindlichen Umgebungen gemacht werden (Spanier 2011). Das Magnetfeld der Erde sorgt dafür, dass die geladenen Teilchen abgelenkt werden und in einem Ring, dem Van-Allen-Gürtel, um die Erde kreisen und, sich spiralförmig um die Magnetfeldlinien bewegend, auf die Atmosphäre treffen (Spanier 2011). Das Magnetfeld der Erde wird durch den anströmenden Sonnenwind kometenschweifförmig verformt (s. Abb.5).
Problematisch ist es, wenn das interstellare Magnetfeld gegenläufig zu dem der Erde verläuft (s. Abb. 5 Blaue Pfeile). Beim Aufeinandertreffen der beiden Magnetfelder entsteht eine Rekonnexionszone, in der die Feldlinien aufreißen und sich neu verbinden. Es bilden sich an den Polen offene Feldlinien (s. Abb. 5 Rote Pfeile), an denen ungehindert energiereiche Partikel in die Atmosphäre gelangen können (Günther o.J.).
Besonders für die Technik bleibt trotz des Magnetfeldes die Gefahr durch die geladenen Teilchen, die in die Atmosphäre eindringen, bestehen. Kosmische Strahlung hat eine ionisierende Wirkung und kann Computerschaltkreise unerwünscht elektrisch aufladen, was zur Fehlfunktionen führen kann (Spanier 2011). Für Satelliten in der Erdumlaufbahn ist die Gefahr noch um ein Vielfaches größer, da sie einem höheren Strahlungsvolumen ausgesetzt sind (Spanier 2011).
4. Räumliche Verteilung des Erdmagnetfeldes
Die räumliche Verteilung des Erdmagnetfeldes wird maßgeblich von den Quellen des Erdmagnetfeldes bestimmt. Ein gängiges Magnetfeldmodell ist das Internationale Geomagnetische Referenzfeld (IGRF) (s. Abb. 6). Es beschreibt das interne Hauptfeld und wird alle fünf Jahre aktualisiert (GFZ Potsdam o.J.). Das interne Hauptfeld, das durch den Geodynamo erzeugt wird, trägt logischerweise am stärksten zur räumlichen Verteilung bei. Dementsprechend ist das Magnetfeld der Erde aufgrund seines Dipolcharakters in den nördlichen und südlichen Breitenkreisen am stärksten und in der Nähe des Äquators am schwächsten (s. Abb. 6). Die anderen Quellen sorgen für kleinräumige oder sporadische Anomalien, wie zum Beispiel die Anomalien des Lithosphärenfeldes bei Kursk oder Bangui (GFZ Potsdam o.J.). Externe Einflüsse wie magnetische Stürme, infolge von starken Sonnenwinden, können das Magnetfeld kurzfristig, aber stark beeinflussen (GFZ Potsdam o.J.).
5. Abschwächung und Umpolung des Erdmagnetfeldes
Die Änderung des internen Hauptfeldes des Erdmagnetfeldes bezeichnet man als Säkularvariation. Im Zuge dieser Änderung des Magnetfeldes wandern auch die magnetischen Pole (s. Abb. 7) und es kann zu einer sogenannten Feldumkehr kommen (GFZ Potsdam o.J.).
Das Magnetfeld der Erde nimmt seit circa 160 bis 170 Jahren ab (GFZ Potsdam o.J., Buffett & Davis 2018) und hat in diesem Zeitraum um rund 10 Prozent abgenommen (GFZ Potsdam o.J.). Dass sich das letzte Mal die Polarität des Magnetfeldes änderte, geschah vor 780000 Jahren und es vergehen im Mittel 200000 bis 300000 Jahren zwischen zwei Umpolungen (Buffett & Davis 2018). Die Umpolungen geschehen jedoch äußerst unregelmäßig, weswegen es falsch wäre davon auszugehen, dass eine Umpolung überfällig wäre (Buffett & Davis 2018). Die Wahrscheinlichkeit für eine Umpolung innerhalb der nächsten 20000 Jahre liegt bei unter zwei Prozent (Buffett & Davis 2018).
5.1 Verantwortliche Prozesse
Verantwortlich für die Abschwächung des Magnetfeldes und die Wanderung der Pole sind die Strömungen des flüssigen Eisens im äußeren Erdkern (Buffett & Davis 2018). Berechnungen zeigten, dass sich eisenreiches Material besonders auf der westlichen Seite des Erdkerns ablagerte. Auf der östlichen Seite dagegen schmolz der Kern teilweise auf, wodurch sich der tausend Jahre vollziehende Westdrift des Magnetfeldes erklären ließ (Olson & Deguen 2012). Die neuerliche Bewegung des Magnetfeldes nach Osten lässt sich damit allerdings nicht erklären (Olson & Deguen 2012). Die genauen ablaufenden Prozesse im Erdinneren sind im Wesentlichen unklar, was alle konkreten Vorhersagen bisher unmöglich macht (Titz 2018).
5.2 Folgen
Das Magnetfeld ist hauptsächlich dafür verantwortlich, uns vor der kosmischen Strahlung zu schützen (Spanier 2011). Nimmt die Stärke des Feldes und die herrschende Dipolstruktur des Magnetfeldes ab, können vermehrt geladene Teilchen in die Atmosphäre und durch den Verlust der Dipolstruktur häufiger an Anomalien an verschiedensten Orten auf der Erde eindringen. Beispielhaft dafür ist eine Anomalie über dem Südatlantik, in der das Magnetfeld besonders schwach ist (s. Abb. 8). Satelliten und Luftfahrzeuge, die durch diese Region fliegen, sind häufiger technischen Störungen ausgesetzt (ESA Earth Observation Portal 2020). Das Magnetfeld geht jedoch nicht während einer Feldumkehr komplett verloren, sondern lediglich der Dipolcharakter. Das Feld würde an Komplexität hinzugewinnen und sich mit zunehmender Stärke in umgekehrter Richtung wiederaufbauen (Haak et al. 2006: 30). Folgen würden auch für menschliche Navigationssysteme auftreten, und für Tiere, die sich anhand des Magnetfeldes orientieren.
Abb. 8 Die Südatlantik-Anomalie ist ein Gebiet, in dem unser Schutzschild schwach ist. Diese Animation zeigt die Stärke des Magnetfeldes an der Erdoberfläche zwischen 2014-2020, basierend auf den gesammelten Daten der Swarm-Satellitenkonstellation (aus dem Englischen gemäß ESA Earth Observation Portal 2020)
6. Fazit
Die Forschungen zum Magnetfeld der Erde sind im vollen Gange. Gerade die Phänomene wie die Verschiebung der magnetischen Pole und die Polsprünge beschäftigen die Forscher. Aber auch grundlegende Eigenschaften des Erdmagnetfeldes, wie der Antrieb durch den Geodynamo, sind noch nicht vollends erklärbar (Titz 2018). Aufgrund der Prozesse in den großen Tiefen des Erdkerns ist man weiterhin auf die Untersuchung von paläomagnetischen Gesteinen und Computermodellen angewiesen, um Aussagen über historische Entwicklungen des Erdmagnetfeldes und damit auch über mögliche zukünftige Entwicklungen treffen zu können. Da das Erdmagnetfeld nicht nur für unsere Orientierung und die vieler Tiere wichtig ist, sondern auch als Schutzfaktor für die Erde, hat die Bestimmung und Prognose der zukünftigen Entwicklung und Ausrichtung des Erdmagnetfeldes eine enorme Bedeutung.
Übunng 2: Lückentext Erdmagnetfeld
Das Magnetfeld der Erde wird näherungsweise als _______ beschrieben. Aufgrund der häufigen Darstellung eines Stabmagneten als Magnetachse könnte man auf den ersten Blick davon ausgehen, dass das Erdmagnetfeld auf einem ______-magnet beruht. Es beruht jedoch vielmehr auf einem _____-magnet. Antrieb des Erdmagnetfeldes ist nämlich ein ______-prozess, der sogenannte ______.
_______-ströme im äußeren Erdkern führen zu einer Bewegung von elektrisch leitfähigem Material. Vereinfacht gesagt, erzeugt dieses bewegte Material in einem initiierenden Magnetfeld, dass vermutlich von der _____ stammte, durch die Lorentzkraft weitere Magnetfelder.
Der Antrieb zieht zusätzliche Kraft aus der Auskristallisierung, auch „______ __ _____ _______“ genannt. Bei der Auskristallisierung werden ____________ und leichte ______ freigesetzt.
Neben dem bereits erwähnten Antrieb des Erdmagnetfeldes, gibt es noch weitere Quellen, die Magnetfelder auf der Erde erzeugen und zu kleineren Abweichungen des Erdmagnetfeldes führen. Zu nennen wären das __________, dass besonders stark bei Kursk und Bangui ist, der _____ _____, gebildet in der Ionosphäre, und der __________ und die ___________ als kleinste Quelle.
Die Stärke und die räumliche Verteilung des Erdmagnetfeldes folgen der Dipolstruktur. Somit findet man die stärksten Bereiche des Erdmagnetfeldes an den _______ und die schwächsten Bereiche in der Nähe des _________. Eine Anomalie, an der das Erdmagnetfeld besonders schwach ist, findet man über dem ________.
Gefährlich sind solche Anomalien oder schwache planetare Magnetfelder, da Magnetfelder eine elementare Schutzfunktion erfüllen. Neben dem Schutz der _____, die negativ auf die stark ionisierende ________ _______ reagiert, schützt das planetare Magnetfeld besonders auf _____-ebene, da _________ _________ im Universum mit bis zu 4000 km/h auf die Atmosphäre treffen und ohne Magnetfeld ungehindert _____ aus der Atmosphäre entfernt werden.
7. Literatur
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Lösung Lückentext
Dipolfeld, Permanent, Elektro, Dynamo, Geoddynamo, Konvektions, Sonne, Ausfrieren des inneren Kerns, Kristallisationswärme, Stoffe, Lithosphärenfeld, externe Anteil, Magnetosphäre, Ozeanströmung, Polen, Äquators, Südatlantik, Technik, Kosmische Strahlung, Teilchen, Hochenergetische Teilchen, Atome