Warum sich das Magnetfeld der Erde schneller ändern kann, als wir gedacht haben
Es war lange ein Rätsel, wie schnell sich das Erdmagnetfeld ändert.
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Das Erdmagnetfeld, das 3,000 km unter unseren Füßen im flüssigen Eisenkern erzeugt wird, ist für das Leben auf unserem Planeten von entscheidender Bedeutung. Es erstreckt sich in den Weltraum und hüllt uns in eine elektromagnetische Decke, die die Atmosphäre und die Satelliten vor Sonneneinstrahlung schützt.

Doch das Magnetfeld ist es ständig ändernd sowohl in seiner Stärke als auch in seiner Richtung und hat in der Vergangenheit einige dramatische Veränderungen durchgemacht. Das beinhaltet rätselhafte Umkehrungen der magnetischen Pole, wobei der Südpol zum Nordpol wird und umgekehrt.

Eine seit langem bestehende Frage ist, wie schnell sich das Feld verändern kann. Unsere neue Studie, veröffentlicht in Nature Communications, hat einige Antworten gefunden.

Schnelle Änderungen des Magnetfelds sind von großem Interesse, da sie das extremste Verhalten des Ozeans aus geschmolzenem Eisen im flüssigen Kern darstellen. Indem wir die beobachteten Veränderungen mit Kernprozessen verknüpfen, können wir wichtige Informationen über eine ansonsten unzugängliche Region unseres Planeten erfahren.


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Historisch gesehen gab es die schnellsten Veränderungen im Erdmagnetfeld mit Umkehrungen verbunden, die in unregelmäßigen Abständen einige Male alle Million Jahre auftreten. Aber wir haben Feldveränderungen entdeckt, die viel schneller und aktueller sind als alle Daten, die mit tatsächlichen Umkehrungen verbunden sind.

Magnetische Umkehrung. (warum sich das Erdmagnetfeld schneller ändern kann als wir dachten)
Magnetische Umkehrung.
NASA.

Heutzutage helfen Satelliten dabei, Veränderungen im Feld sowohl räumlich als auch zeitlich zu überwachen, ergänzt durch Navigationsaufzeichnungen und bodengestützte Observatorien. Diese Informationen zeigen, dass die Veränderungen im modernen Bereich eher schwerfällig sind und etwa ein Zehntel Grad pro Jahr betragen. Aber wir wissen zwar, dass das Feld existiert hat seit mindestens 3.5 Milliarden JahrenWir wissen nicht viel über sein Verhalten vor 400 Jahren.

Um das antike Feld zu verfolgen, analysieren Wissenschaftler den Magnetismus, der von Sedimenten, Lavaströmen und von Menschenhand geschaffenen Artefakten aufgezeichnet wird. Das liegt daran, dass diese Materialien mikroskopisch kleine magnetische Körner enthalten, die die Signatur des Erdfeldes zum Zeitpunkt ihrer Abkühlung (bei Laven) oder ihrer Zugabe zur Landmasse (bei Sedimenten) aufzeichnen. Sedimentaufzeichnungen aus Mittelitalien zur Zeit der letzten Polaritätsumkehr vor fast 800,000 Jahren deuten auf relativ schnelle Feldveränderungen hin einen Abschluss pro Jahr erreichen.

Allerdings sind solche Messungen äußerst anspruchsvoll und liefern Ergebnisse wird immer noch diskutiert. Beispielsweise gibt es Unsicherheiten im Prozess, durch den Sedimente ihren Magnetismus erlangen.

Verbesserte Messungen

Unsere Forschung verfolgt einen anderen Ansatz und verwendet Computermodelle, die auf der Physik des Felderzeugungsprozesses basieren. Dies wird mit einer kürzlich veröffentlichten Rekonstruktion der globalen Schwankungen des Erdmagnetfelds über die letzten 100,000 Jahre kombiniert, die auf einer Zusammenstellung von Messungen aus Sedimenten, Laven und Artefakten basiert.

Dies zeigt, dass Änderungen in der Richtung des Erdmagnetfelds Geschwindigkeiten von bis zu zehn Grad pro Jahr erreichten – zehnmal größer als die schnellsten derzeit gemeldeten Variationen.

Die schnellsten beobachteten Änderungen der Richtung des Erdmagnetfeldes ereigneten sich vor etwa 39,000 Jahren. Diese Verschiebung war mit einem lokal schwachen Feld in einer begrenzten Region direkt vor der Westküste Mittelamerikas verbunden. Die Veranstaltung folgte dem globalen „Laschamp-Ausflug“ – eine „fehlgeschlagene Umkehrung“ des Erdmagnetfeldes vor etwa 41,000 Jahren, bei der sich die Magnetpole kurzzeitig weit von den geografischen Polen entfernten, bevor sie zurückkehrten.

Die schnellsten Veränderungen scheinen mit einer lokalen Abschwächung des Magnetfelds verbunden zu sein. Unser Modell legt nahe, dass dies durch die Bewegung von Flecken intensiven Magnetfelds über die Oberfläche des flüssigen Kerns verursacht wird. Diese Flecken sind in niedrigeren Breiten häufiger anzutreffen, was darauf hindeutet, dass sich künftige Suchen nach schnellen Richtungsänderungen auf diese Gebiete konzentrieren sollten.

Der Einfluss der Gesellschaft

Veränderungen im Magnetfeld, etwa Umkehrungen, stellen vermutlich keine Gefahr für das Leben dar. Den Menschen gelang es, den dramatischen Laschamp-Ausflug zu überstehen. Heutzutage ist die Bedrohung hauptsächlich auf unsere Abhängigkeit von der elektronischen Infrastruktur zurückzuführen. Weltraumwetterereignisse wie geomagnetische Stürme, die durch die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und der einfallenden Sonnenstrahlung entstehen, könnten die Satellitenkommunikation, GPS und Stromnetze stören.

Das ist besorgniserregend – die wirtschaftlichen Kosten eines Zusammenbruchs des US-amerikanischen Stromnetzes aufgrund eines Weltraumwetterereignisses wurde auf geschätzt rund eine Billion Dollar. Die Bedrohung ist so ernst, dass das Weltraumwetter als solche erscheint hohe Priorität im nationalen Risikoregister des Vereinigten Königreichs.

Weltraumwetterereignisse treten tendenziell häufiger in Regionen auf, in denen das Magnetfeld schwach ist – etwas, von dem wir wissen, dass es passieren kann, wenn sich das Feld schnell ändert. Leider deuten Computersimulationen darauf hin, dass Richtungsänderungen auftreten, nachdem die Feldstärke schwächer wird, was bedeutet, dass wir Einbrüche in der Feldstärke nicht vorhersagen können, indem wir nur die Feldrichtung überwachen. Zukünftige Arbeiten mit fortgeschritteneren Simulationen können mehr Licht in dieses Problem bringen.

Steht eine weitere schnelle Änderung des Magnetfelds bevor? Das ist sehr schwer zu beantworten. Die schnellsten Veränderungen sind auch die seltensten Ereignisse: Beispielsweise sind die Veränderungen, die rund um die Laschamp-Exkursion festgestellt wurden, mehr als doppelt so schnell wie alle anderen Veränderungen, die in den letzten 100,000 Jahren stattgefunden haben.

Dies macht es für Wissenschaftler schwierig, schnelle Veränderungen vorherzusagen – es handelt sich um „Black Swan Events“, die überraschend kommen und große Auswirkungen haben. Ein möglicher Weg nach vorne besteht darin, physikbasierte Modelle des Feldverhaltens als Teil der Vorhersage zu verwenden.

Wir müssen noch viel über die „Geschwindigkeitsbegrenzung“ des Erdmagnetfelds lernen. Schnelle Veränderungen während einer Polaritätsumkehr wurden bisher nicht direkt beobachtet, sie sollten jedoch erwartet werden, da angenommen wird, dass das Feld zu diesen Zeiten global schwach wird.Das Gespräch

Über den Autor

Christopher Davies, außerordentlicher Professor, University of Leeds

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

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