Magnetischer S√ľdpol

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Magnetischer S√ľdpol

Das Erdmagnetfeld ist das Magnetfeld, das die Erde umgibt. Es wird von dem so genannten Geodynamo erzeugt.

Die Magnetosphäre schirmt die Erdoberfläche von den geladenen Partikeln des Sonnenwindes ab.

Nahe der Erdoberfl√§che √§hnelt das Feld dem eines magnetischen Dipols; siehe Abbildung unten. Die magnetischen Feldlinien treten im Wesentlichen auf der S√ľdhalbkugel aus der Erde aus und durch die Nordhalbkugel wieder in die Erde ein. Im Erdmantel ver√§ndert sich die Form des Magnetfeldes (Quadrupolfeld, Multipolfeld). Oberhalb der Erdatmosph√§re wird das Dipolfeld durch den Sonnenwind verformt.

Inhaltsverzeichnis

Forschungsgeschichte

Inklinationskarte f√ľr 1860

Die Chinesen und Mongolen erkannten die Nordweisung magnetisierter Körper schon vor mehr als tausend Jahren.

Im Jahre 1600 ver√∂ffentlichte der englische Arzt und Naturphilosoph William Gilbert sein Werk De Magnete, in dem er erstmals erkannte, dass die Erde die Ursache f√ľr die Ausrichtung der Kompassnadel ist. Messungen durch Henry Gellibrand in London ergaben zudem, dass das Magnetfeld nicht statisch ist, sondern sich langsam √§ndert.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts erfuhr die Erforschung des Erdmagnetfeldes starke Impulse, so wurde z. B. in G√∂ttingen der Magnetische Verein gegr√ľndet. Carl Friedrich Gau√ü gelang es, eine umfassende Theorie des Erdmagnetismus aufzustellen. Aufbauend auf dem Potentialfeld konnte er 1839 nachweisen, dass der Hauptteil des Erdmagnetfeldes tats√§chlich aus dem Erdinneren stammt.

In diese Zeit f√§llt auch der Beginn systematischer Beobachtungen kleinerer, kurzzeitiger Variationen des Erdmagnetfeldes im Bereich von einigen Minuten bis hin zu Tagen. Gau√ü konnte zeigen, dass die Quellen hierf√ľr au√üerhalb der Erde zu suchen sind.

Seit den Vermessungen aus dem Jahre 1830 hat sich die St√§rke des Erdmagnetfeldes um fast 10 Prozent verringert, in den letzten hundert Jahren allein um etwa 6 Prozent. Diese gewaltig schnelle √Ąnderung ist noch nicht zu erkl√§ren, da selbst dann, wenn der Geodynamo sofort ausfallen w√ľrde, das Erdmagnetfeld sich viel langsamer in einem Zeitraum von 10.000 Jahren abbauen w√ľrde. Man vermutet daher, dass sich das Erdmagnetfeld momentan umpolt und daher zur Zeit ein Gegenfeld aufgebaut wird, welches das Erdmagnetfeld weit schneller als bisher angenommen vor√ľbergehend zum Erliegen bringen wird, bevor die Umpolung einsetzen kann.

Die magnetischen Pole sind nicht ortsfest. Der arktische Magnetpol in Kanada wandert derzeit etwa 90 Meter pro Tag Richtung Asien, entsprechend 30 Kilometer pro Jahr.


Form und Stärke des Erdmagnetfeldes

Das Erdmagnetfeld ist gegen√ľber der Erdachse verschoben und geneigt

Der Hauptanteil des Erdmagnetfeldes ver√§ndert sich nur sehr langsam (S√§kularvariation) im Zeitraum von tausenden von Jahren. Heute (und in historischen Zeitr√§umen) ist seine horizontale Komponente auf weiten Teilen der Erdoberfl√§che grob in geographische Nord-S√ľd-Richtung gerichtet. Abweichungen von dieser Ausrichtung bezeichnet man als Missweisung oder Geographische Deklination. In mittleren und hohen Breiten kommt zu der nordweisenden Horizontalkomponente eine (deutlich st√§rkere) Vertikalkomponente hinzu, die auf der Nordhalbkugel nach unten, auf der S√ľdhalbkugel nach oben weist. Den Inklinationswinkel der Feldlinien kann man mit einer horizontal aufgeh√§ngten Kompassnadel messen. Er betr√§gt in Deutschland etwa 60¬į gegen die Horizontale. Am Nordpol und S√ľdpol ist er etwa 90¬į, am √Ąquator 0¬į.

In guten Magnet-Kompassen ist die Nadel so austariert, dass sie vor allem auf die Horizontalkomponente anspricht und daher in den meisten Gebieten etwa nach Norden weist. Am Geomagnetischen Nordpol befindet sich aus physikalischer Sicht ein magnetischer S√ľdpol. Daher wird dieser Pol besser als der nordanziehende Pol des Erdmagnetfeldes bezeichnet oder als der im Norden liegende Pol des Erdmagnetfeldes. Der Magnet-Kompass wird bis heute zur Navigation eingesetzt.

Die geomagnetischen Pole der Erde fallen nicht genau mit den geographischen Polen der Erde zusammen. Zur Zeit (Stand 2007) ist die Achse des geomagnetischen Dipolfeldes um etwa 11,5¬į gegen√ľber der Erdachse geneigt.

In erster N√§herung entspricht das Dipolfeld dem eines gekippten Stabmagneten mit einem Dipolmoment von M = 7,812¬∑1024¬†nT¬∑m¬≥ (Stand 1995), der um ca. 450¬†km aus dem Erdmittelpunkt in Richtung 140¬į √∂stlicher L√§nge verschoben ist (siehe auch S√ľdatlantische Anomalie). Die j√§hrliche Abnahme des Dipolanteiles liegt zur Zeit bei ca. 0,006¬∑1024¬†nT¬∑m¬≥.

Zur näherungsweisen Berechnung des Dipolfelds in Abhängigkeit vom Abstand R dient die Dipolformel:

(\text{Dipolformel})\quad B(R, \lambda) = \frac{M}{R^3} \sqrt{1 + 3 \cdot \sin^2(\lambda)} \quad \text{mit } \lambda: \text{magnetische Breite}

Am √Ąquator hat das Magnetfeld eine St√§rke von ca. 30¬†¬ĶT = 30.000¬†nT.[1] An den Polen ist der Betrag doppelt so gro√ü.[2] In Mitteleuropa sind es ca. 48¬†¬ĶT, wobei ca. 20¬†¬ĶT in der horizontalen und ca. 44¬†¬ĶT in der vertikalen Richtung auftreten.

Im Erdmantel nimmt die magnetische Flussdichte mit wachsender Tiefe stark zu. Dabei ver√§ndert sich jedoch auch die Feldform, da nicht dipolf√∂rmige Anteile √ľberproportional anwachsen. Bessere N√§herungen als das Dipolmodell liefert daher ein Multipolfeld, das aktuelle International Geomagnetic Reference Field (IGRF). Dazu wird das Erdfeld auf ein Potentialfeld zur√ľckgef√ľhrt, das nach Kugelfl√§chenfunktionen entwickelt wird. Die aktuellen Entwicklungskoeffizienten (Gauss-Koeffizienten gml und hml) sind im IGRF[3] zu finden.

Alle Modelle sollen vor allem die Form des gemessenen Feldes nahe der Erdoberfläche beschreiben. Tatsächlich wird das erdmagnetische Hauptfeld nicht durch Stabmagneten im Erdinneren erzeugt, sondern durch Ströme (s.u.).

Bei geeigneter Wahl des Koordinatenursprungs und seiner Ausrichtung lässt sich das Erdfeld an der Oberfläche zur Zeit zu 90 Prozent durch ein Dipolfeld beschreiben.

Das erdmagnetische Hauptfeld aus dem Erdkern tr√§gt zu mehr als 95¬†Prozent zur Feldst√§rke bei. Die √§u√üeren Anteile der Ionosph√§re und Magnetosph√§re (oberhalb 100¬†km H√∂he) liefern einen Anteil von bis zu 2¬†Prozent. In der gleichen Gr√∂√üenordnung liegen die Magnetfelder oberfl√§chennaher (bis max. 20¬†km Tiefe) St√∂rk√∂rper in der Erdkruste. Ihre Ursache ist das geh√§ufte Auftreten von selbst magnetisierten Mineralien (remanente Magnetisierung) oder Mineralien mit hoher magnetischer Suszeptibilit√§t (induzierte Magnetisierung). Unterhalb von 20¬†km wird die Curietemperatur der Mineralien √ľberschritten und es kann keine statischen ferromagnetischen Stoffe mehr geben. An der Erdoberfl√§che erzeugen die St√∂rk√∂rper lokale geomagnetische Anomalien von einigen 100 bis 1000¬†nT St√§rke. Die mathematische Analyse der gemessenen Anomalien f√ľhrt √ľber Modellannahmen zu einem St√∂rpotential, mit dessen Hilfe sich Lage und Gr√∂√üe der realen, verborgenen St√∂rk√∂rper absch√§tzen lassen. Die gr√∂√üte Anomalie des Magnetfeldes der Erde ist die Kursker Magnetanomalie im Umfeld einer Eisenlagerst√§tte. Eine kleinere, bereits von Alexander von Humboldt festgestellte Anomalie in Deutschland ist die durch Blitzschl√§ge herbeigef√ľhrte oberfl√§chliche Magnetisierung von Serpentiniten der M√ľnchberger Gneismasse.[4]

Zeitliche Schwankungen im Erdmagnetfeld durch einen magnetischen Sturm am 31.¬†M√§rz 2001, gemessen in Ile-Ife, Nigeria. Auf der Abszisse ist die Zeit in Minuten (Greenwichzeit) aufgetragen, auf den Ordinaten die Magnetfeldst√§rke in Nanotesla [nT] (Minutenmittel). Die gr√ľne Kurve zeigt den sq-Gang (Ohne magnetischen Sturm) in Ile-Ife an.

Das Magnetfeld der Erde lenkt die geladenen Teilchen des Sonnenwindes ab und wird dadurch in gro√üen H√∂hen stark verformt. Satellitenmessungen zeigen, dass sich auf der sonnenabgewandten Seite ein Plasmaschweif ausbildet. Durch magnetische St√ľrme, die durch Sonneneruptionen und den Sonnenwind verursacht werden, wird die St√§rke des Feldes kurzzeitig in der Gr√∂√üenordnung von einigen 100 bis 1000¬†nT ver√§ndert. Zus√§tzlich f√ľhrt die Sonneneinstrahlung auf der Tagseite zu einer st√§rkeren Ionisation in den oberen Atmosph√§renschichten. Die hiermit verbundenen elektrischen Stromsysteme beeinflussen das Erdmagnetfeld ebenfalls in der Gr√∂√üenordnung von einigen 10¬†nT. Dieser Effekt wird als Sq-Variation bezeichnet.

Geostation√§re Satelliten in einer Flugh√∂he von 36.000¬†km sehen ein Erdmagnetfeld in der Gr√∂√üenordnung von 100¬†nT.[5] Die St√∂rungen durch die Sonne liegen im selben Bereich und dominieren bei starken magnetischen St√ľrmen.

Entstehung und Aufrechterhaltung des Erdmagnetfeldes (Geodynamo)

Über die Entstehung des Erdmagnetfeldes gibt es verschiedene Theorien. Es handelt sich um ein bisher unvollständig formuliertes Problem aus der Magnetohydrodynamik. Sicher ist, dass im äußerlichen Erdmagnetfeld eine Energie (der Größenordnung 1018 Joule) gespeichert ist und vermutlich die Energie im inneren Feld (innerhalb des Erdkörpers) um zwei Größenordnungen höher liegt. Das Erdmagnetfeld speichert auch einen Drehimpuls.

Nach der g√§ngigen Theorie geht das Magnetfeld der Erde vom Erdkern aus. F√ľr die Entstehung von planetaren Magnetfeldern m√ľssen folgende Bedingungen erf√ľllt sein:

  • Es muss eine gro√üe Menge einer elektrisch leitenden Fl√ľssigkeit oder eines solchen Gases vorhanden sein. Diese Bedingung erf√ľllt auf der Erde der fl√ľssige √§u√üere Erdkern, der stark eisenhaltig ist und den inneren festen Kern aus nahezu reinem Eisen umschlie√üt. (Anmerkung: Eisen oder Nickel sind dort ‚Äď weil weit √ľber den Curie-Temperaturen ‚Äď nicht (ferro-)magnetisierbar. Damit sind diese Materialien dort selbst nicht magnetisch, sondern k√∂nnen nur durch ihre Bewegung ‚ąí als bewegte Ladungstr√§ger ‚ąí ein Magnetfeld bewirken. Daf√ľr m√ľssen sie aber zus√§tzlich ionisiert sein, was bei den hohen Temperaturen aber wieder eher gegeben ist.)
  • Es muss eine Energiequelle vorhanden sein, damit sich das fl√ľssige leitende Material im Erdkern durch Konvektion bewegt. Man vermutet einheitlich, dass der Erdkern sehr hei√ü ist (einige Sch√§tzungen liegen bei 5.000¬†¬įC, also in etwa so hei√ü wie die Sonnenoberfl√§che). Energiequellen sind die thermische Energie aus der hei√üen Vergangenheit der Erde, W√§rme aus dem radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium und freiwerdende Kristallisationsw√§rme durch das langsam fortschreitende Erstarren des √§u√üeren Kerns. Wie in einer Lavalampe steigt hei√ües, fl√ľssiges, weniger dichtes Eisen im Erdkern zum Mantel auf, wo es einen Teil seiner W√§rme abgibt und wieder absinkt (B√©nard-Zellen).
  • Der Planet muss rotieren. Wie die Luftmassen der Erdatmosph√§re werden auch die Konvektionsstr√∂me im Erdinneren durch die Corioliskraft, also durch ihre eigene Tr√§gheit abgelenkt und auf eine Schraubenbahn gezwungen. Durch diese Verwirbelungen der Konvektionsstr√∂me und damit auch der Feldlinien erh√∂ht sich die magnetische Feldst√§rke.
Simulation des Magnetfelds in der Erde. Die vereinfachte Dipoln√§herung ist nur im Au√üenbereich g√ľltig.
Chaotische Störung des Erdmagnetfeldes. Das Außenfeld lässt sich nicht mehr als Dipolfeld beschreiben.

Als Ursache des Erdmagnetfeldes gelten Konvektionsstr√∂me im √§u√üeren fl√ľssigen Erdkern, die durch den Temperaturunterschied zwischen dem festen inneren Erdkern und dem Erdmantel aufrechterhalten werden. Dabei handelt es sich um fl√ľssiges Eisen mit insgesamt dem sechsfachen Mondvolumen. Gem√§√ü dem dynamoelektrischen Prinzip wird durch die Bewegung der elektrisch leitf√§higen Schmelze in einem schwachen Ausgangsmagnetfeld ein elektrischer Strom induziert, der seinerseits ein Magnetfeld aufbaut. Es f√ľhrt zu einer verst√§rkten Induktion und erzeugt das Magnetfeld der Erde. Man spricht daher auch vom Geodynamo. Eine Flie√übewegung im 3000¬†km m√§chtigen Erdkern von wenigen Metern pro Jahr gen√ľgen, um das beobachtete Dipolmoment aufzubauen. Die Polarit√§t des Magnetfelds h√§ngt von der Orientierung des elektrischen Feldes ab. Simulationsrechnungen zeigen, dass es periodisch zu chaotischen St√∂rungen kommt, die zu einer Umpolung des Magnetfeldes f√ľhren.

Das Erdmagnetfeld wird also aus der kinetischen Energie des Erdkerns erzeugt. Die Konvektion der Schmelze kann auch als Rotationsbewegung angesehen werden, die das Bestreben hat, die urspr√ľngliche Richtung der Rotationsachse, √§hnlich einem Foucaultschen Pendel, beizubehalten. Dieses ist eine alternative Beschreibung f√ľr die Ablenkung durch die Corioliskraft (siehe weiter oben). Daher liegen die magnetischen Pole etwa in der N√§he der geographischen Pole.

M√∂glicherweise tragen auch die von Mond und Sonne ausgehenden Gezeitenkr√§fte zur Entstehung des Erdmagnetfeldes bei. Durch sie wird die Erde in ihrer Rotation allm√§hlich abgebremst (siehe Gezeiten: R√ľckwirkungen auf Erde und Mond). Die Gezeitenkr√§fte wirken dabei auf den Erdmantel st√§rker als auf den Erdkern, denn der gr√∂√üere Radius des Erdmantels f√ľhrt zu einem gr√∂√üeren Unterschied der Anziehung durch den Mond, da die dem Mond zu- und abgewandten Bereiche des Erdmantels weiter voneinander entfernt sind als die entsprechenden Bereiche des Erdkerns. In der Konsequenz bedeutet die st√§rkere Abbremsung des Erdmantels, dass der innere Erdkern ein wenig schneller rotiert als der Erdmantel, was nicht zuletzt durch die Wirkung des √§u√üeren fl√ľssigen Erdkerns als reibungsarmes Medium erm√∂glicht wird. Durch die schnellere Rotation des festen Erdkerns gegen√ľber dem Erdmantel wird ein elektrischer Strom induziert, der das Erdmagnetfeld hervorruft.

Mittlerweile kann man diese als Superrotation bezeichnete schnellere Drehung des Erdkerns tats√§chlich nachweisen. Erdbebenwellen zeitlich verschiedener Erdbeben vom selben Entstehungsort, die durch den Erdkern laufen, werden mit wachsendem Zeitabstand immer unterschiedlicher im Erdkern abgelenkt. Der unterschiedliche Ankunftspunkt auf der gegen√ľberliegenden Erdseite kann dabei gemessen werden. Die Ablenkungsunterschiede r√ľhren sehr wahrscheinlich von Inhomogenit√§ten des inneren festen Kerns her, die durch eine leicht schnellere Drehung des Kerns ihren Ort √§ndern. Aus diesen Analysen ergibt sich, dass der innere Erdkern 0,3¬į bis 0,5¬į pro Jahr schneller als der Erdmantel und die Erdkruste rotiert. Damit macht er etwa alle 900 Jahre eine zus√§tzliche Drehung. Man geht jedoch aktuell davon aus, dass diese Superrotation durch den Geodynamo selbst und nicht durch die Gezeiten angetrieben wird, das hei√üt, dass die Superrotation eine Folge, aber nicht die Ursache des Geodynamos ist.

Die Driftgeschwindigkeit stimmt mit derjenigen √ľberein, die auch bei der Verschiebung der S√ľdatlantischen Anomalie beobachtet wird.

Paläomagnetismus und die Umpolung des Erdmagnetfeldes

Wanderung des arktischen Magnetpols

Eisenhaltiges Gestein, das oberhalb des Curiepunktes erhitzt wird und sich dann abk√ľhlt, wird in Richtung des √§u√üeren Magnetfeldes, normalerweise des Erdmagnetfeldes, magnetisiert. Dieses trifft f√ľr Vulkangestein zu, tritt aber auch bei Ziegeln oder Tongef√§√üen auf. Dadurch wird die damalige Magnetfeldrichtung gleichsam eingefroren und kann bis heute bestimmt werden. Das entsprechende wissenschaftliche Fach hei√üt Pal√§omagnetismus.

Polsprung

Aufgrund der Rekonstruktion des Pal√§omagnetfeldes anhand erstarrter Magma der ozeanischen Kruste, die sich im Rahmen der Plattentektonik am mittelozeanischen R√ľcken st√§ndig nachbildet, wei√ü man, dass sich das Erdmagnetfeld im Mittel etwa alle 250.000 Jahre umkehrt. Zuletzt hat sich dieses allerdings vor etwa 780.000 Jahren ereignet, die n√§chste Umpolung ist also gleichsam "√ľberf√§llig". Der Polsprung, also die magnetische Feldumkehr, dauert etwa 4.000 bis 10.000 Jahre (Computersimulationen gehen von etwa 9.000 Jahren aus). Offenbar verursachen St√∂rungen im Geodynamo die Aufhebung der urspr√ľnglichen Polarit√§t. Umpolungen sind bis vor etwa 100 Millionen Jahren gut dokumentiert. Da das Magnetfeld derzeit abnimmt, k√∂nnte in nicht allzu ferner Zukunft eine Umpolung bevorstehen (Sch√§tzung: Jahr 3000¬†‚Äst4000), diese Vermutung ist wissenschaftlich jedoch noch nicht gesichert. Allgemein ist zu beobachten, dass die H√§ufigkeit der Polspr√ľnge in den letzten 120 Millionen Jahren zugenommen hat.

W√§hrend der Phase der Umpolung w√§re die Erde dem Sonnenwind etwas st√§rker ausgesetzt. Das korrespondiert mit der Beobachtung, dass in den entsprechenden Sedimentschichten geh√§uft ein Artenwechsel von Kleinorganismen festgestellt werden konnte. M√∂glicherweise war daher die Oszillation des Erdmagnetfeldes und die damit einhergehenden DNA-Mutationen durch hochenergetische Strahlung ein Schrittmacher und zugleich bedeutender Antrieb der Evolution. Allerdings entstehen wohl durch die Wechselwirkung der Ionen des Sonnenwindes in der Ionosph√§re magnetische ‚ÄěSchl√§uche‚Äú (Filamente), die von der sonnenzugewandten Seite zur Schattenseite der Erde f√ľhren.[6] Diese Selbstmagnetisierung f√ľhrt zu einer magnetischen Abschirmung von √§hnlicher Wirkung wie das heutige Magnetfeld.

Es gibt einige Anzeichen f√ľr eine bevorstehende Polumkehr. So gibt es Stellen in der Kern-Mantel-Zone, wo die Richtung des Magnetflusses umgekehrt ist als f√ľr die jeweilige Hemisph√§re √ľblich (siehe weiter oben). Die gr√∂√üte dieser Regionen erstreckt sich s√ľdlich unter der S√ľdspitze Afrikas nach Westen bis unter die S√ľdspitze S√ľdamerikas (S√ľdatlantische Anomalie). Weitere Flussrichtungswechsel zeichnen sich unter der Ostk√ľste Nordamerikas und unter der Arktis ab. Diese Bereiche vergr√∂√üern sich messbar und bewegen sich immer weiter polw√§rts. Mit diesem Ph√§nomen l√§sst sich die Schw√§chung und anschlie√üende Umkehrung des Dipolfeldes erkl√§ren. Die Flussumkehr entsteht, wenn sich auf der Kern-Mantel-Grenze durch Turbulenzen die Konvektionsstr√∂me und damit auch die magnetischen Feldlinien, die im Kern normalerweise horizontal verlaufen, zu vertikalen Schlaufen verbiegen. Tritt eine solche Schlaufe in einem Punkt aus dem Kern aus und in einem anderen wieder in ihn ein, so erh√§lt man zwei r√§umlich nah beieinander liegende Orte mit unterschiedlicher Richtung des magnetischen Flusses. Diese Anomalien k√∂nnen das Gesamtfeld schw√§chen, wenn die Region mit dem umgekehrten Fluss n√§her am geographischen Pol liegt als die Region mit normalem Fluss, weil das Dipolfeld besonders empfindlich auf Ver√§nderungen im Polbereich reagiert. Bis zur vollst√§ndigen Polumkehr werden also diese Anomalien immer weiter wachsen.

Magnetfeld und Klima

In der Kontroverse um die globale Erw√§rmung wird ein Zusammenhang zwischen kosmischer Strahlung, Erdmagnetfeld und Klima ‚Äď kontrovers ‚Äď diskutiert, ein bekannter Vertreter der These ist Henrik Svensmark. Es gibt im zeitlichen Verlauf von Luftdruck, atmosph√§rischer Mitteltemperatur und Erdmagnetfeld statistische Zusammenh√§nge. W√§hrend f√ľr die Ver√§nderungen in Zeitr√§umen bis zu 35 Jahren Rhythmen in der solaren Strahlung deutlich herauszufiltern sind, k√∂nnen die Frequenzen ab 35 Jahren und l√§nger bisher nur durch die elektromagnetische Kern-Mantel-Kopplung erkl√§rt werden. Ein erh√§rteter physikalischer Zusammenhang liegt bisher jedoch nicht vor.[7]

Messung des Feldes

Erste qualitative Messungen von Komponenten des Erdmagnetfelds, so der Deklinantion und Inklination sind seit der Erfindung des trockenen Kompass ab dem 12. Jahrhundert m√∂glich und bekannt. Alexander von Humboldt f√ľhrte systematische Messungen im preu√üischen Bergbau und auf seinen Forschungsreisen durch. Carl Friedrich Gau√ü baute das erste geophysikalische Observatorium auf und trug mit der Gr√ľndung des Magnetischen Vereins und einer Zusammenarbeit mit der britischen Royal Society zum globalen Austausch von Messwerten bei. Seit Anfang des 19. Jahrhunderts wird das Erdmagnetfeld kontinuierlich in magnetischen Observatorien beobachtet, verst√§rkte internationale Messkampagnen inklusive der zur Geomagnetik fanden w√§hrend der Polarjahre 1882, 1932 und im Internationalen Geophysikalischen Jahr 1957‚Äď1958 statt. Derzeit sind √ľber 200 Laboratorien weltweit aktiv. Wichtigstes Ziel ist dabei die zeitliche Entwicklung des Magnetfeldes in hoher Genauigkeit zu erfassen. Zunehmend gewinnt auch die √úberwachung von kurzzeitigen Variationen des Erdmagnetfeldes an Bedeutung, da Einwirkungen auf elektronische Systeme auftreten k√∂nnen.

Gemessen wird mit Magnetometern. Diese registrieren aus physikalischer Sicht die magnetische Flussdichte in Tesla. Der Zusammenhang mit der magnetischen Feldst√§rke, welche in Ampere pro Meter gemessen wird, ergibt sich √ľber die magnetische Leitf√§higkeit. Die magnetische Feldst√§rke ist im leeren Raum (Vakuum) und einigen speziellen Materialien direkt proportional der magnetischen Flussdichte, der Zusammenhang kann aber in Materie wie im Erdinneren mit magnetisch nichtlinearen und nichtisotropen Verhalten auch komplexere Verkn√ľpfungen aufweisen. Historisch und umgangssprachlich hat sich f√ľr die magnetische Flussdichte meist der etwas unpr√§zise Begriff des Magnetfeldes etabliert.

Fr√ľhere mechanische Magnetometer (Magnetische Feldwaagen, Torsionsmagnetometer) wurden zunehmende von Systemen abgel√∂st, die elektronisch oder atomar arbeiten (Saturationskern-, Fluxgate-M.; F√∂rster-Sonden; Protonen- und C√§sium-Magnetometer). Industriegeschichtlich war in Deutschland die Entwicklung von entsprechenden Pr√§zisionsmessger√§ten in Kooperation mit der Forschung eng mit den Askania Werken in Potsdam verbunden, so bei der weltweit verbreiteten Schmidtschen Feldwaage, die neben der Messung von regionalen Daten des Erdmagnetfelds auch die Absch√§tzung der Magnetisierung von Gesteinsproben erlaubte.

Die induzierte Magnetisierung oberflächennaher magnetischer Störkörper wird durch die magnetische Suszeptibilität beschrieben. Remanente Magnetisierungen spielen nur kleinräumig eine Rolle und werden durch das magnetische Moment und die Richtung der Magnetisierung beschrieben. Wichtige Rollen spielen auch Form und Lage der magnetisierten Körper.

Die globale r√§umliche Verteilung des Erdmagnetfeldes wurde zun√§chst aus lokalen Beobachtungen der Schifffahrt und zugeordneter Observatorien abgeleitet. Zunehmend √ľbernehmen diese Aufgabe spezialisierte Satelliten. Den Anfang markierte der NASA-Satellit Magsat im Jahre 1980, der d√§nische Satellit Oerstedt folgte 1999. Die momentan genauesten Daten liefert seit 2000 CHAMP, ein vom GeoForschungsZentrum Potsdam mit der Industrie entwickelter Minisatellit. Seine Messungen des Erdmagnetfeldes erreichen in St√§rke und Richtung eine √ľberaus gro√üe Aufl√∂sung von 0,000.2 Prozent (2¬†ppm), dar√ľber hinaus kann man mit ihm Echtzeitbeobachtungen machen. F√ľr 2010 ist der Start des Satelliten Swarm geplant.

Magnetische Spezialmessungen erfolgen untertage, auf See, im Flugzeug sowie in Bohrlochsonden, so etwa w√§hrend der Kontinentalen Tiefbohrung und der Prospektion auf Erd√∂l und Erze. Unterhalb der globalen Satelitenmessungen und √ľberhalb der lokalen und zeitlichen Erfassung vor Ort, station√§r in Observatorien wie raumlich flexibel vor Ort erm√∂glicht die Aeromagnetik im regionalen Ma√üstab geologische Fragen aufzukl√§ren. Daten von √úberfliegungen (H√∂he einige 100m bis einige km) sind oft bei den geologischen Landes√§mtern zu erhalten. Die geomagnetische Prospektion als Fachgebiet der Angewandten Geophysik befasst sich mit der Erkundung von Rohstofflagerst√§tten. Dabei werden in Gebieten von einigen 100 m bis einigen 10 km Ausdehnung Traversen festgelegt, auf denen Messpunkte im Abstand von einigen Metern vermessen werden.

Eine noch h√∂here r√§umliche Aufl√∂sung liefern arch√§omagnetische Untersuchungen und Altlastenerkundungen. Nicht zuletzt sind Richtungsmessungen mit Magnetsonden und Kompassen f√ľr Zwecke der Navigation und Geod√§sie zu erw√§hnen.

Die unterschiedlichen Magnetfeldbeobachtungen erg√§nzen sich. So k√∂nnen etwa Satellitenmessungen nicht die Zeitreihen der Observatorien ersetzen oder lokale kleinr√§umige Anomalien auffinden. Umgekehrt erlauben lokale Untersuchungen oder die Daten aus Observatorien keinen detaillierten R√ľckschluss auf die globale Form des Erdmagnetfeldes.

Labor- und Computermodelle

Schon seit den 1960er Jahren ist bekannt, wie man kleine Geodynamos im Labor erzeugen k√∂nnte. Schwierigkeiten bei der Umsetzung macht jedoch vor allem die extreme Verkleinerung der Wirklichkeit im Labor. Es mussten also eine entsprechende Reynolds-Zahl (sie gibt die ma√üstabsgerecht zul√§ssigen Ver√§nderungen an) und entsprechende Versuchsbedingungen gefunden werden. So gelang es erst im Jahre 2000 ein solches Magnetfeld mit fl√ľssigem Natrium als Str√∂mungsmedium im Labor zu erzeugen.

Seit 1995 werden auch numerische Computersimulationen eingesetzt, um herauszufinden, wie sich das Erdmagnetfeld in Zukunft ver√§ndern k√∂nnte, beziehungsweise was die Ursachen f√ľr historische Ver√§nderungen waren. Die Rechenzeiten sind meistens sehr lange, so ben√∂tigte die Aufstellung eines 3D-Modells der Ver√§nderung des Erdmagnetfeldes √ľber einen Zeitraum von 300.000 Jahren eine Rechenzeit von √ľber einem Jahr (bei einer Arbeitszeit von 12 Stunden pro Tag). Die so entstandenen Vorhersagemodelle entsprechen recht genau der tats√§chlichen momentanen oder historischen Entwicklung des Magnetfeldes und st√ľtzen so die oben dargelegten Theorien, jedoch ist nicht gesichert, inwieweit sie die Verh√§ltnisse im Erdinneren realistisch wiedergeben. So k√∂nnen die Simulationen noch keine dreidimensionalen Turbulenzen im Erdinneren wiedergeben, au√üerdem ist ihre r√§umliche Aufl√∂sung noch sehr gering. Man hofft, die Computer bis 2015 entsprechend verbessern zu k√∂nnen.

Orientierung von Lebewesen am Erdmagnetfeld

Einige Tiere, so zum Beispiel Blindmäuse, Haustauben, Zugvögel, Meeresschildkröten, Haie und wahrscheinlich auch Wale nutzen das Erdmagnetfeld zur Orientierung. Dieses geschieht durch eingelagerte ferromagnetische Substanzen in ihren Organen.

Einige in Gew√§ssern vorkommende, mikroaerophile Bakterienarten werden durch das Erdmagnetfeld parallel zu den Feldlinien ausgerichtet. Im Inneren dieser magnetotaktischen Einzeller befinden sich Reihen von Magnetosomen, die die ferromagnetischen Minerale Magnetit oder Greigit enthalten. Die Magnetosomen wirken wie Kompassnadeln und drehen so die Bakterien parallel zu den Feldlinien des Erdmagnetfelds. Die Bakterien schwimmen in n√∂rdlichen Breiten zum magnetischen S√ľdpol, in s√ľdlichen Breiten zum magnetischen Nordpol. Dadurch und wegen der Inklination des Magnetfelds schwimmen die Bakterien stets schr√§g nach unten, wo sie dicht √ľber dem Sediment ein von ihnen bevorzugtes Milieu mit niedrigen O2-Konzentrationen vorfinden.

Siehe auch: Magnetotaxis, Magnetostratigraphie.

Bedeutung des Magnetfeldes f√ľr die Lebewesen

Hochenergetische Teilchen von der Sonne oder aus dem Weltall w√ľrden ein Leben auf der Erde m√∂glicherweise verhindern, wenn diese nicht in einigen Tausend Kilometern H√∂he im Van-Allen-G√ľrtel abgefangen und zu den Polen geleitet w√ľrden. Dort erzeugen sie dann das Polarlicht.

Wenn sich das Erdmagnetfeld in gr√∂√üeren Zeitabst√§nden umpolt, verschwindet dieser magnetische Schutzschirm m√∂glicherweise f√ľr einige tausend Jahre. Dann w√ľrde die Intensit√§t der Partikelstrahlung aus der Sonne und dem Weltall deutlich ansteigen und zus√§tzliche Mutationen hervorrufen.

Literatur

  • Volker Haak, Stefan Maus, Monika Korte, Hermann L√ľhr: Das Erdmagnetfeld ‚Äď Beobachtung und √úberwachung. Physik in unserer Zeit 34(5), S. 218‚Äď224 (2003), ISSN 0031-9252
  • Rolf Emmermann und Volker Haak: Die Erde. Physik Journal 1 (2002) Nr. 10, Seiten 29‚Äď31
  • U. R. Christensen, A. Tilgner: Der Geodynamo. Physik Journal 1 (2002) Nr. 10, Seiten 41‚Äď47
  • U. R. Christensen, A. Tilgner: Power Requirement of the geodynamo ‚Ķ. Nature 429 (13 May 2004)
  • Gary A. Glatzmaier, Peter Olson: Geheimnisvoller Geodynamo. In: Spektrum der Wissenschaft 09/05, S. 54ff
  • Kertz, W., 1999: Geschichte der Geophysik. Zur Geschichte der Wissenschaften, Band 3, TU Braunschweig
  • Roberto Lanza, Antonio Meloni: The Earth`s Magnetism. Springer Berlin 2006, ISBN 3-540-27979-2
  • Angewandte Geophysik / hrsg. von H. Militzer u. F. Weber. ‚Äď Wien¬†; New York¬†: Springer¬†; Berlin¬†: Akademie-Verlag. ‚Äď 25 cm. ‚Äď Bd. I‚ÄďIII. Band I. Gravimetrie und Magnetik: 1983‚Äď1987. ISBN 3211817409

Weblinks

Videos

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ N√§herung gem√§√ü der Dipolformel
  2. ‚ÜĎ N√§herung gem√§√ü der Dipolformel
  3. ‚ÜĎ IGRF
  4. ‚ÜĎ Bader, K. (1964): Das magnetische St√∂rfeld der Serpentinite am S√ľdost-Rand der M√ľnchberger Gneismasse und seine Interpretation. Dt. Geod√§t. Komm., Reihe C, Nr. 72.
  5. ‚ÜĎ N√§herung gem√§√ü der Dipolformel
  6. ‚ÜĎ Flash Video: Was passiert, wenn das Erdmagnetfeld verschwindet?
  7. ‚ÜĎ http://www.gfz-potsdam.de/news/erdrot.html


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  • Magnetischer √Ąquator ‚ÄĒ Das Erdmagnetfeld ist das Magnetfeld, das die Erde umgibt. Es wird von dem so genannten Geodynamo erzeugt. Die Magnetosph√§re schirmt die Erdoberfl√§che von den geladenen Partikeln des Sonnenwindes ab. Nahe der Erdoberfl√§che √§hnelt das Feld dem… ‚Ķ   Deutsch Wikipedia

  • S√ľdpol ‚ÄĒ S√ľd|pol [ zy:tpo:l], der; s: 1. s√ľdlicher Pol eines Planeten (besonders der Erde) und der Himmelskugel: eine Expedition zum S√ľdpol. 2. Pol eines Magneten, der das nat√ľrliche Bestreben hat, sich nach S√ľden auszurichten. * * * S√ľd|pol ‚Ć©m. 1; unz.‚Ć™… ‚Ķ   Universal-Lexikon

  • S√ľdpol ‚ÄĒ Karte der Antarktis mit dem S√ľdpol Geographischer S√ľdpol, links die US Flagge, in der Mi ‚Ķ   Deutsch Wikipedia

  • Magnetischer Nordpol ‚ÄĒ 1:¬†Geographischer Nordpol; 2:¬†Arktischer Magnetpol; 3:¬†Arktischer geomagnetischer Pol; 4:¬†Nordpol der Unzug√§nglichkeit die P ‚Ķ   Deutsch Wikipedia

  • Erdmagnetismus ‚ÄĒ (hierzu die Karten ¬ĽErdmagnetismus I u. II¬ę). Die Erde verh√§lt sich wie ein gro√üer Magnet, dessen Nordpol nach S. gewendet ist. Eine horizontal frei schwebende Magnetnadel nimmt √ľberall eine ganz bestimmte Ruhelage ein, derart, da√ü das eine Ende ‚Ķ   Meyers Gro√ües Konversations-Lexikon

  • Erdfeld ‚ÄĒ Das Erdmagnetfeld ist das Magnetfeld, das die Erde umgibt. Es wird von dem so genannten Geodynamo erzeugt. Die Magnetosph√§re schirmt die Erdoberfl√§che von den geladenen Partikeln des Sonnenwindes ab. Nahe der Erdoberfl√§che √§hnelt das Feld dem… ‚Ķ   Deutsch Wikipedia

  • Erdmagnetismus ‚ÄĒ Das Erdmagnetfeld ist das Magnetfeld, das die Erde umgibt. Es wird von dem so genannten Geodynamo erzeugt. Die Magnetosph√§re schirmt die Erdoberfl√§che von den geladenen Partikeln des Sonnenwindes ab. Nahe der Erdoberfl√§che √§hnelt das Feld dem… ‚Ķ   Deutsch Wikipedia

  • Geo-Dynamo ‚ÄĒ Das Erdmagnetfeld ist das Magnetfeld, das die Erde umgibt. Es wird von dem so genannten Geodynamo erzeugt. Die Magnetosph√§re schirmt die Erdoberfl√§che von den geladenen Partikeln des Sonnenwindes ab. Nahe der Erdoberfl√§che √§hnelt das Feld dem… ‚Ķ   Deutsch Wikipedia

  • Geodynamo ‚ÄĒ Das Erdmagnetfeld ist das Magnetfeld, das die Erde umgibt. Es wird von dem so genannten Geodynamo erzeugt. Die Magnetosph√§re schirmt die Erdoberfl√§che von den geladenen Partikeln des Sonnenwindes ab. Nahe der Erdoberfl√§che √§hnelt das Feld dem… ‚Ķ   Deutsch Wikipedia

  • Geodynamomodell ‚ÄĒ Das Erdmagnetfeld ist das Magnetfeld, das die Erde umgibt. Es wird von dem so genannten Geodynamo erzeugt. Die Magnetosph√§re schirmt die Erdoberfl√§che von den geladenen Partikeln des Sonnenwindes ab. Nahe der Erdoberfl√§che √§hnelt das Feld dem… ‚Ķ   Deutsch Wikipedia


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