Das Magnetfeld der Erde
Der unsichtbare Schutzschild
Die Erde ist von einem gewaltigen Magnetfeld umgeben, der sogenannten Magnetosphäre. Dieses unsichtbare Kraftfeld erstreckt sich Zehntausende von Kilometern in den Weltraum und spielt eine entscheidende Rolle für die Bewohnbarkeit unseres Planeten.
Ohne die Magnetosphäre würde der Sonnenwind — ein ständiger Strom geladener Teilchen von der Sonne — die Erdatmosphäre im Laufe der Zeit abtragen, ähnlich wie er vor Milliarden von Jahren die Atmosphäre des Mars abgetragen hat. Das Erdmagnetfeld lenkt die meisten dieser Teilchen ab und leitet einige zu den Polen, wo sie die Aurora Borealis (Nordlicht) und die Aurora Australis (Südlicht) erzeugen.
Was erzeugt es? Der Geodynamo
Das Erdmagnetfeld wird vom Geodynamo erzeugt — einem natürlichen Dynamo, der durch Konvektionsströmungen im flüssigen äußeren Erdkern aus Eisen angetrieben wird, etwa 2.900 km unter der Oberfläche.
So funktioniert der grundlegende Mechanismus:
- Wärme aus dem inneren Kern treibt Konvektionsströmungen im flüssigen äußeren Eisenkern an
- Die Erdrotation (Corioliskraft) ordnet diese Strömungen in Spiralmuster
- Das sich bewegende flüssige Eisen (ein elektrischer Leiter) erzeugt elektrische Ströme
- Diese elektrischen Ströme erzeugen Magnetfelder
- Die Magnetfelder verstärken die Ströme in einem sich selbst erhaltenden Rückkopplungskreis
Der Geodynamo läuft seit mindestens 3,45 Milliarden Jahren — das wissen wir aus magnetischen Mineralen in uralten Gesteinen. Damit ist das Erdmagnetfeld fast so alt wie das Leben selbst.
Komponenten des Feldes
Geophysiker beschreiben das Erdmagnetfeld an jedem Punkt mit drei Komponenten:
Deklination (D)
Die magnetische Deklination ist der Winkel zwischen magnetisch Nord (wohin Ihr Kompass zeigt) und dem wahren geographischen Norden. Dieser Winkel variiert je nach Standort erheblich — von nahe null an manchen Orten bis zu mehr als 20° an anderen.
Beispielsweise zeigt in Teilen der östlichen USA eine Kompassnadel etwa 10-15° westlich des wahren Nordens. In Alaska kann die Deklination 20° überschreiten. Navigatoren müssen dies bei der Verwendung von Magnetkompassen berücksichtigen.
Inklination (I)
Die magnetische Inklination (oder Neigungswinkel) ist der Winkel, den das Feld mit der horizontalen Oberfläche bildet. Am magnetischen Äquator verlaufen die Feldlinien nahezu horizontal (Inklination ~0°). An den magnetischen Polen zeigen die Feldlinien senkrecht in die Erde hinein (Inklination ~90°).
Wenn Sie eine magnetisierte Nadel am Nordpol perfekt ausbalanciert auf einem Drehpunkt halten würden, würde sie senkrecht nach unten zeigen. Am Äquator läge sie flach. In mittleren Breiten neigt sie sich in einem dazwischenliegenden Winkel.
Intensität (F)
Die Gesamtfeldintensität ist die Gesamtstärke des Magnetfeldes an einem bestimmten Punkt. Sie reicht von etwa 25 µT in Äquatornähe bis zu etwa 65 µT in Polnähe.
Die Intensität lässt sich in eine Horizontalkomponente (H) und eine Vertikalkomponente (Z) zerlegen, die mit dem Gesamtfeld im Zusammenhang stehen: F² = H² + Z².
Magnetpole vs. geographische Pole
Einer der verwirrendsten Aspekte des Erdmagnetismus: Die Magnetpole befinden sich nicht an den geographischen Polen.
Der magnetische Nordpol (wohin Ihr Kompass zeigt) befindet sich derzeit in der kanadischen Arktis, etwa 500 km vom geographischen Nordpol entfernt. Und er bewegt sich — der magnetische Nordpol wandert in den letzten Jahrzehnten mit etwa 40-50 km pro Jahr in Richtung Sibirien, schneller als jemals zuvor in der aufgezeichneten Geschichte.
Streng genommen hat der „magnetische Nordpol" tatsächlich eine südliche magnetische Polarität — denn das nordsuchende Ende einer Kompassnadel (ein magnetischer Nordpol) wird von ihm angezogen. Physiker wissen das, aber die Namensgebung hat sich aus historischen Gründen gehalten.
Polwanderung im Zeitverlauf
Beide Magnetpole wandern kontinuierlich. Der magnetische Nordpol befand sich jahrhundertelang in der kanadischen Arktis, beschleunigt aber seit den 1990er Jahren in Richtung Sibirien. Wissenschaftler glauben, dass dies durch Veränderungen der Eisenkonvektionsmuster tief im Erdkern verursacht wird.
Feldstärke rund um die Welt
Das Erdmagnetfeld ist nicht gleichmäßig — es variiert erheblich je nach Standort. So verändert sich die Gesamtfeldintensität in verschiedenen Regionen:
Die Gesamtfeldintensitätswerte sind Näherungswerte und variieren innerhalb jeder Region. Die Südatlantische Anomalie ist deutlich schwächer als erwartet.
Die Südatlantische Anomalie
Es gibt ein großes Gebiet über dem Südatlantik und Südamerika, in dem das Feld ungewöhnlich schwach ist — nur etwa 23 µT, ungefähr die Hälfte des normalen Wertes für diese Breitengrade. Dies wird die Südatlantische Anomalie (SAA) genannt.
In dieser Region ermöglicht die verringerte magnetische Abschirmung mehr kosmischer Strahlung und Sonnenteilchen, niedrigere Höhen zu erreichen. Satelliten, die die SAA durchqueren, erleben manchmal Störungen, und die Internationale Raumstation verfügt über zusätzliche Strahlungsabschirmung für diese Zone. Astronauten sehen beim Durchfliegen manchmal „Sternschnuppen" in ihrem Blickfeld — verursacht durch energiereiche Teilchen, die auf ihre Netzhaut treffen.
Magnetische Umpolungen
Einer der dramatischsten Aspekte der magnetischen Geschichte der Erde: Die Pole haben sich hundertfach vertauscht. Bei einer Umpolung wird der magnetische Nordpol zum Südpol und umgekehrt.
- Die letzte vollständige Umpolung fand vor etwa 780.000 Jahren statt (die Brunhes-Matuyama-Umkehr)
- Umpolungen treten unregelmäßig auf — manchmal Millionen Jahre auseinander, manchmal nur Zehntausende
- Eine Umpolung dauert etwa 1.000 bis 10.000 Jahre
- Während einer Umpolung kippt das Feld nicht einfach um — es schwächt sich ab, wird chaotisch mit mehreren Polen und baut sich dann in entgegengesetzter Richtung wieder auf
- Das Feld fällt während des Übergangs auf etwa 10-25% seiner normalen Stärke ab
Die durchschnittliche Zeit zwischen Umpolungen in den letzten Millionen Jahren beträgt etwa 450.000 Jahre. Seit der letzten Umpolung sind 780.000 Jahre vergangen, und das aktuelle Feld schwächt sich um etwa 5% pro Jahrhundert ab. Einige Wissenschaftler vermuten, dass dies ein frühes Stadium einer Umpolung sein könnte — es könnte aber auch nur eine normale Schwankung sein. Wir werden es erst in Tausenden von Jahren wissen.
Das Erdmagnetfeld messen
Sie können das Erdmagnetfeld jetzt sofort mit Ihrem Smartphone messen. Das Magnetometer in Ihrem Telefon erfasst das Feld in drei Achsen (X, Y, Z), und eine Magnetometer-App zeigt Ihnen die Gesamtfeldstärke in Mikrotesla an.
Versuchen Sie dieses Experiment: Öffnen Sie eine Magnetometer-App und notieren Sie den Messwert. Drehen Sie dann langsam Ihr Telefon — Sie werden sehen, dass sich die einzelnen X-, Y-, Z-Werte ändern, obwohl der Gesamtbetrag ungefähr konstant bleibt. Das liegt daran, dass Sie ändern, welche Achse das Feld „sieht", nicht das Feld selbst.
Öffnen Sie Magnetometer X im wissenschaftlichen Modus, um die Echtzeit-X-, Y-, Z-Zerlegung des Erdmagnetfeldes zu sehen. Entfernen Sie sich von Elektronik und magnetischen Objekten, um eine saubere Basismessung nur des Erdmagnetfeldes an Ihrem Standort zu erhalten.