Das Erdmagnetfeld ist einfacher aufgebaut, als bislang angenommen

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Wissenschaftler der Oregon State University haben Muster im Erdmagnetfeld identifiziert, die sich in einem Zeitraum von 1.000 Jahren entwickeln und neue Einblicke in die Funktionsweise des Feldes liefern. Zudem ermöglichen sie ein Maß an Vorhersagbarkeit für Veränderungen, die bislang nicht möglich waren. Die Entdeckung ermöglicht es den Forschern auch, die Vergangenheit des Planeten noch genauer zu erforschen, indem man diesen geomagnetischen „Fingerabdruck“ verwendet, um Sedimentkerne aus dem Atlantik und Pazifik zu vergleichen. Die Ergebnisse der Forschung, die von der National Science Foundation unterstützt wurde, wurden vor kurzem in „Earth und Planetary Science Letters“ veröffentlicht.

 

Das geomagnetische Feld ist entscheidend für das Leben auf der Erde. Ohne sie würden die geladenen Partikel der Sonne (der „Sonnenwind“) die Atmosphäre wegblasen. Das Magnetfeld ist die Grundlage der menschlichen Navigation per GPS und die großen Tierwanderungen. Jahrhunderte der menschlichen Beobachtung sowie geologische Aufzeichnungen zeigen, dass das Erdmagnetfeld in seiner Geschichte sehr starken Veränderungen hinsichtlich Stärke und Ausrichtung unterworfen war und immer noch ist. Trotz seiner Bedeutung sind viele Fragen bis heute unbeantwortet. Warum und wie treten diese Veränderungen auf? Die einfachste Form des Magnetfeldes wird um einen Dipol gebildet: ein Paar gleichermaßen, entgegengesetzter geladener Pole, wie beispielsweise  bei einem Stabmagneten.

Erdmagnetfeld der Erde.
(Quelle: NASA)

„Wir wissen seit einiger Zeit, dass die Erde kein perfekter Dipol ist und wir können diese Unvollkommenheiten in historischen Aufzeichnung sehen“, sagte Maureen „Mo“ Walczak, Postdoktorandin an der Oregon State University und Erstautorin der Studie. „Wir sind der Meinung, dass nicht-dipolare Strukturen nicht evaneszente, unvorhersehbare Zustände sind. Sie sind sehr langlebig, können über 10.000 Jahre bestehen und kommen im gesamten Holozän (12.000 bis heute, Anm. d. A.) vor.

„Das ist fast so etwas wie die Entdeckung des Heiligen Grals“, fügte sie hinzu, „obwohl es nicht perfekt ist.“ Es ist ein wichtiger erster Schritt, das Magnetfeld der Erde besser zu verstehen und die Sedimentkerndaten in einer feineren Skala zu synchronisieren.“ Vor etwa 800.000 Jahren hätte sich eine magnetische Kompassnadel nach Süden hin ausgerichtet, weil das Magnetfeld der Erde umgekehrt wurde. Diese Umkehrungen treten typischerweise alle paar hunderttausend Jahre auf. Während sich die Wissenschaftler über das Muster der Umkehrungen im Erdmagnetfeld bewusst sind, könnte ein sekundäres Muster eines geomagnetischen „Wackelns“ innerhalb von Perioden mit stabiler Polarität, bekannt als paläomagnetische säkulare Variation oder PSV, ein Schlüssel zum Verständnis sein, warum einige geomagnetische Veränderungen auftreten.

Feldlinien des Erdmagnetfelds im Modell. Die Simulation zeigt den Zustand zwischen zwei Umpolungen.
(Quelle: Gary Glatzmaier/ Los Alamos National Laboratory)

Das magnetische Feld der Erde richtet sich nicht perfekt nach der Rotationsachse aus, weshalb sich der „wahre Norden“ vom „magnetischem Norden“ unterscheidet. In der nördlichen Hemisphäre wird diese Disparität (Nebeneinander von Ungleichheiten) im rezenten Feld scheinbar von Gebieten mit hoher geomagnetischer Intensität angetrieben, die unter Nordamerika und Asien zentriert sind. „Was wir bislang nicht wussten ist, ob dieser Schnappschuss eine längerfristige Bedeutung hat. Jetzt zeigen unsere neuen Ergebnisse,  dass es die hat“, sagte Joseph Stoner, Experte für Paläomagnetismus der Oregon State University und Co-Autor der Studie.

Wenn das Magnetfeld unter Nordamerika oder im „Nordamerikanischen Modus“ stärker ist, zeigt es steile Neigungen und hohe Intensitäten im Nordpazifik und niedrige in Europa mit westlichen Deklinationen im Nordatlantik. Dies steht im Einklang mit den historischen Daten. Der abwechselnde „europäische Modus“ ist in gewisser Weise das Gegenteil, mit flacher Neigung und geringer Intensität im Nordpazifik und östlichen Deklinationen im Nordatlantik und hohen Intensitäten in Europa.

„Wie sich herausstellt, ist das Magnetfeld etwas weniger kompliziert, als wir dachten“, sagte Stoner. „Es ist eine ziemlich einfache Oszillation, die aus geomagnetischen Intensitätsvariationen an nur wenigen wiederkehrenden Orten mit großen räumlichen Einflüssen resultiert. Wir sind noch nicht sicher, was diese Variation antreibt, obwohl es wahrscheinlich eine Kombination von Faktoren einschließlich der Konvektion des äußeren Kerns, der in der Struktur durch den unteren Mantel beeinflusst sein kann.“

Die Forscher konnten das Muster durch die Untersuchung zweier hochauflösender Sedimentkerne aus dem Golf von Alaska identifizieren, die es ihnen erlaubten, eine 17.400-jährige Rekonstruktion des PSV in dieser Region zu entwickeln. Sie verglichen diese Aufzeichnungen mit Sedimentkernen von anderen Standorten im Pazifischen Ozean, um einen magnetischen Fingerabdruck zu erfassen, der auf der Orientierung des Magnetits im Sediment basiert, der wie ein magnetisches Aufnahmegerät der Vergangenheit wirkt. Das gemeinsame magnetische Signal, das in den Kernen gefunden wurde, deckt ein Gebiet von Alaska über Oregon bis nach Hawaii ab.

„Die Ausrichtungen des Erdmagnetfeldes, die in den paläomagnetischen Aufzeichnungen in Sedimenten gespeichert wurden,  können genutzt werden, um Einblicke in die ferne erdgeschichtliche Vergangenheit und der vergangenen Magnetfeldumkehrungen zu bekommen, und zwar auf einer Skala von einigen hunderttausenden Jahren“, sagte Walczak. „Die Entwicklung der kohärenten PSV-Stratigraphie läßt uns die Aufzeichnungen auf einer Skala von vielleicht einigen hundert Jahren betrachten, die Ereignisse zwischen den Ozeanbecken vergleichen und sehen, wie sich Klimaanomalien um den Planeten verbreiten. Eine für die menschliche Gesellschaft relevante Skala.“

Das Magnetfeld wird in der Erde durch den flüssigen äußeren Erdkern aus Eisen, Nickel und anderen Metallen erzeugt, der elektrische Ströme erzeugt, wodurch wiederum magnetische Felder entstehen. Das Magnetfeld ist stark genug, um die Erde vor Sonnenwinden und kosmischer Strahlung zu schützen. Die Tatsache, dass es sich ändert, ist bekannt. Die Gründe, warum dies so ist, sind bis dato ein Rätsel geblieben. Jetzt sind wir diesem Geheimnis ein wenig näher gekommen, um es vollständig zu lösen.

 

Veröffentlichung: 

M.H. Walczak, J.S. Stoner, A.C. Mix, J. Jaeger, G.P. Rosen, J.E.T. Channell, D. Heslop, C. Xuan. A 17,000 yr paleomagnetic secular variation record from the southeast Alaskan margin: Regional and global correlationsEarth and Planetary Science Letters, 2017; 473: 177 DOI: 10.1016/j.epsl.2017.05.022

Quelle: off. Pm der OSU

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Pia Gaupels

Pia Gaupels, 30, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. Sie hat die Facebook-Seite GeoHorizon gegründet. Zudem hat sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung.