Das Erdmagnetfeld spielt eine entscheidende Rolle beim Schutz des Lebens auf der Erde vor schädlicher Strahlung. Es schützt Menschen und Technologien vor geomagnetischer Aktivität, die die Satellitenkommunikation und den Betrieb von Stromnetzen beeinflussen könnte. Zudem ist das Magnetfeld nicht statisch, sondern bewegt sich ständig.
Wissenschaftler haben die Bewegung der magnetischen Pole über Jahrhunderte hinweg untersucht und dokumentiert. Die historische Bewegung dieser Pole weist auf Veränderungen in der globalen Geometrie des Erdmagnetfelds hin. Es könnte sogar den Beginn einer Umkehrung des Magnetfelds anzeigen – einen „Umsturz“ zwischen den Nord- und Südpolen.
Als Physiker, der die Wechselwirkungen zwischen Planeten und dem Weltraum erforscht, ist mir bewusst, dass eine geringfügige Bewegung des nördlichen Magnetpols nicht besorgniserregend ist. Jedoch könnte eine Umkehrung erhebliche Auswirkungen auf das Klima der Erde und unsere moderne Technologie haben. Solche Umkehrungen geschehen jedoch nicht plötzlich, sondern über Zeitspannen von Tausenden von Jahren.
Erzeugung des Magnetfeldes
Wie werden Magnetfelder wie das der Erde erzeugt? Sie entstehen durch bewegte elektrische Ladungen. Materialien, die eine einfache Bewegung von Ladungen ermöglichen, nennt man Leiter. Ein Beispiel für einen Leiter ist Metall, das verwendet wird, um elektrische Ströme von einem Ort zum anderen zu übertragen. Der elektrische Strom selbst besteht aus negativ geladenen Teilchen namens Elektronen, die durch das Metall fließen und ein Magnetfeld erzeugen.
In den flüssigen Eisenkerne der Erde finden sich Schichten leitfähigen Materials. Ladungsströme bewegen sich in diesem Kern, und das flüssige Eisen zirkuliert ebenfalls. Diese Bewegungen sind es, die das Magnetfeld erzeugen.
Die Erde ist nicht der einzige Planet mit einem Magnetfeld; auch Gasplaneten wie Jupiter besitzen eine leitende Schicht aus metallischem Wasserstoff, die ihr Magnetfeld erzeugt.
Die Bewegung dieser leitenden Schichten in Planeten führt zu zwei Arten von Feldern. Größere Bewegungen, wie große Rotationen der Planeten, erzeugen ein symmetrisches Magnetfeld mit einem Nord- und einem Südpol – ähnlich einem Spielzeugmagneten. Lokale Unregelmäßigkeiten in diesen Schichten können jedoch auch zu kleinen Anomalien im Magnetfeld führen, wo das Feld von einem perfekten Dipolfeld abweicht.
Diese kleinen Abweichungen im Magnetfeld können tatsächlich im Laufe der Zeit Veränderungen im großen Magnetfeld bewirken und potenziell sogar zu einer vollständigen Umkehr der Dipolpolarität führen, bei der der Nordpol zum Südpol wird und umgekehrt. Die Bezeichnungen „Nord“ und „Süd“ im Magnetfeld beziehen sich auf ihre entgegengesetzten Polaritäten und sind nicht mit geographischem Norden oder Süden verbunden.
Die Magnetosphäre: Eine schützende Blase
Das Erdmagnetfeld bildet eine magnetische „Blase“, die als Magnetosphäre bezeichnet wird und sich über die oberste Schicht der Atmosphäre, der Ionosphäre, erstreckt. Die Magnetosphäre spielt eine wesentliche Rolle beim Schutz der Menschen. Sie blockiert und lenkt schädliche, hochenergetische Strahlung von kosmischen Strahlen ab, die durch Sternexplosionen entstehen und ständig durch das Universum reisen. Zudem interagiert die Magnetosphäre mit dem Sonnenwind, einem Strom magnetisierter Gase, der von der Sonne ausgeht.
Die Wechselwirkungen zwischen der Magnetosphäre und dem Sonnenwind schaffen das, was Wissenschaftler als Weltraumwetter bezeichnen. Normalerweise ist der Sonnenwind mild und es gibt wenig bis gar kein Weltraumwetter.
Es gibt jedoch auch Zeiten, in denen die Sonne große magnetisierte Gasklouden, sogenannte koronale Massenauswürfe, ins All abgibt. Wenn diese aufs Erdmagnetfeld treffen, können sie geomagnetische Stürme erzeugen. Solche Stürme können Nordlichter hervorrufen, die entstehen, wenn ein Strom energisierter Teilchen auf die Atmosphäre trifft und sie zum Leuchten bringt.
Während dieser Weltraumwetterereignisse gibt es mehr gefährliche Strahlung in der Nähe der Erde. Diese Strahlung kann potenziell Satelliten und Astronauten schädigen. Darüber hinaus kann Weltraumwetter große Leitungssysteme, wie Hauptpipelines und Stromnetze, durch Überlastung der Ströme in diesen Systemen schädigen.
Weltraumwetterereignisse können auch die Satellitenkommunikation und den Betrieb von GPS, auf die viele Menschen angewiesen sind, stören.
Umkehrungen des Magnetfeldes
Wissenschaftler kartieren und überwachen die Gesamtgestalt und Ausrichtung des Erdmagnetfeldes mithilfe lokaler Messungen seiner Orientierung und Stärke und, jüngst, Modellen. Der Standort des nördlichen Magnetpols hat sich seit der ersten Messung im Jahr 1831 um etwa 965 Kilometer (600 Meilen) verschoben. Die Geschwindigkeit der Migration hat sich von 16 Kilometer pro Jahr auf 54 Kilometer pro Jahr (10 Meilen bis 34 Meilen) in den letzten Jahren erhöht. Diese Beschleunigung könnte den Beginn einer Umkehrung des Magnetfeldes anzeigen, doch mit weniger als 200 Jahren Daten kann man dies nicht zuverlässig bestimmen.
Das Erdmagnetfeld unterliegt Umkehrungen in Zeitspannen, die zwischen 100.000 und 1.000.000 Jahren variieren. Wissenschaftler können feststellen, wie oft das Magnetfeld sich umkehrt, indem sie vulkanische Gesteine im Ozean untersuchen. Diese Gesteine nehmen die Orientierung und Stärke des Erdmagnetfeldes zum Zeitpunkt ihrer Entstehung auf, sodass das Datieren dieser Gesteine ein gutes Bild davon vermittelt, wie sich das Magnetfeld der Erde im Laufe der Zeit entwickelt hat.
Umkehrungen des Magnetfeldes geschehen geologisch gesehen schnell, aus menschlicher Perspektive betrachtet sind sie jedoch langsam. Eine Umkehrung dauert in der Regel einige Tausend Jahre, während die Ausrichtung der Magnetosphäre in dieser Zeit möglicherweise schwankt und mehr von der Erde der kosmischen Strahlung aussetzt. Solche Ereignisse könnten die Ozonkonzentration in der Atmosphäre verändern.
Wissenschaftler können mit Sicherheit nicht vorhersagen, wann die nächste Umkehrung des Magnetfeldes stattfinden wird, doch die fortlaufende Kartierung und Überwachung der Bewegung des magnetischen Nordpols bleibt wichtig.
Dieser Artikel wurde von The Conversation republiziert, einer gemeinnützigen, unabhängigen Nachrichtenorganisation, die Fakten und vertrauenswürdige Analysen bereitstellt, um zu helfen, unsere komplexe Welt besser zu verstehen. Er wurde verfasst von: Ofer Cohen, UMass Lowell.
Lesen Sie mehr: Ofer Cohen arbeitet an der University of Massachusetts Lowell. Die Universität profitiert von der Veröffentlichung öffentlicher Artikel, die von ihren Dozenten verfasst werden, in Bezug auf Sichtbarkeit. Ofer Cohen erhielt eine Finanzierung von NASA, die in gewisser Weise mit dem Artikel in Zusammenhang steht.
