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Erdmagnetfeld Der Schutzschild schwächelt

Das Erdmagnetfeld umgibt unseren Planeten wie ein unsichtbares Netz und schützt uns vor Teilchen aus dem All. Geophysiker wollen es nun vermessen, denn es verliert kontinuierlich an Stärke.

16.12.2010 09:00
Thomas Bührke
Das Magnetfeld (blau) schützt die Erde vor dem Sonnenwind. Foto: ESA

Das Erdmagnetfeld umgibt unseren Planeten wie ein unsichtbares Netz und schützt uns vor Teilchen aus dem All. Geophysiker wollen es nun vermessen, denn es verliert kontinuierlich an Stärke.

Wie ein unsichtbares Netz umgibt das Erdmagnetfeld unseren Planeten und schützt ihn vor energiereichen Teilchen aus dem Weltraum. Doch seit langem verliert es kontinuierlich an Stärke, in manchen Regionen um bis zu vier Prozent pro Jahrzehnt. Würde der Magnetschirm durchlässig, so hätte dies negative Auswirkungen auf das Klima und die Biosphäre. Bei starken Teilchenstürmen von der Sonne könnte es zu Ausfällen in den irdischen Elektrizitätsnetzen und der Satellitenkommunikation kommen. Geophysiker kennen jedoch weder die Ursache für das Schwinden des Feldes, noch können sie die weitere Entwicklung vorhersagen. Genauere Messdaten erhoffen sie sich vom Satellitenprojekt Swarm der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Seit einigen Jahren können Theoretiker diesen sogenannten Geodynamo, der das Erdfeld erzeugt, mit Computern simulieren. Es gelingt ihnen aber nicht, aus der heute bekannten Form des Magnetfeldes das Strömungsmuster eindeutig zu rekonstruieren. „Unterschiedliche Strömungen können die selbe Dipolform des Magnetfelds erzeugen“, sagt Ulrich Christensen vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau, dem als einer der ersten Geodynamo-Simulationen gelungen sind.

Umstritten ist die Frage nach der Ursache der Polumkehrungen. Anhand von Gesteinsanalysen konnten Geophysiker nachweisen, dass das Erdmagnetfeld in den vergangenen 160 Millionen Jahren vielfach umgeklappt ist. Das heißt, Nord- und Südpol haben ihre Plätze getauscht. Solche Wechsel erfolgten in unregelmäßigen Abständen zwischen einigen zehntausend und mehreren zehn Millionen Jahren. Zuletzt geschah dies vor 780?000 Jahren. Hierbei wanderten die Pole jedoch nicht über den Globus, sondern sie verschwanden. „An ihre Stelle traten mehrere schwache Pole, die sich ständig veränderten“, so Christensen. Eine solche Übergangsphase, in der der Magnetschirm sehr schwach wird, dauert wenige tausend Jahre, danach formiert sich das starke Dipolfeld wieder.

Strahlungsteilchen bleiben in der Atmosphäre hängen

In der Übergangsphase können kosmische Strahlungsteilchen nahezu ungehindert in die Atmosphäre hineinrasen. Zum Glück für Tiere und Pflanzen bleiben die Teilchen in der Atmosphäre hängen, weil sie dort mit Molekülen zusammenstoßen. Doch damit greifen sie in die Chemie der Atmosphäre ein. Forscher der Universität Bremen fanden vor zwei Jahren heraus, dass ein verstärkter Teilchenstrom mehr Stickoxide erzeugt, die das Ozon abbauen. Dadurch trifft vermehrt UV-Strahlung auf die Erde. Mutationen und eventuell das Aussterben von Lebewesen könnte die Folge sein.

Außerdem gehört Ozon zu den Treibhausgasen. „Ändert sich dessen Konzentration über längere Zeit, kann dies auch Auswirkungen auf das Klima haben“, sagt May-Britt Kallenrode von der Universität Osnabrück. Ein Artensterben ließ sich bislang nicht eindeutig mit einer Polumkehr in Verbindung bringen. Dies ist allerdings auch grundsätzlich schwierig, weil der Zeitraum der Polumkehr zu kurz ist, um in den Paläodaten nachweisbar zu sein. Lange fragten sich die Forscher, ob diese Polumkehrungen durch äußere Anlässe ausgelöst wurden. „Wir sind heute überwiegend der Ansicht, dass dies nicht der Fall ist“, sagt Christensen. Die Strömungen im Innern der Erde verhalten sich chaotisch und können von ganz alleine umkippen, wie der Geophysiker Gauthier Hulot vom Institut de Physique du Globe in Paris mit Computersimulationen nachweisen konnte. Das Verhalten eines chaotischen Systems lässt sich aber nicht über einen längeren Zeitraum vorhersagen.

Der Nordpol wandert pro Tag um rund 150 Meter, und die Magnetfeldstärke nimmt in manchen Regionen um bis zu vier Prozent im Jahrzehnt ab. Der stärkste Rückgang ereignet sich über dem Südatlantik, ausgerechnet dort, wo das Erdmagnetfeld ohnehin am schwächsten ist. Die Bahn der Internationalen Raumstation führt genau durch diese Region, so dass die Astronauten dort wegen der geringeren Magnetabschirmung die höchste Dosis an kosmischer Strahlung abbekommen.

Satellit Champ liefert Daten

Diese globalen Informationen verdanken die Forscher zum Großteil dem Satelliten Champ (Challenging Minisatellite Payload), der unter der Leitung des Geo-Forschungs-Zentrums Potsdam entwickelt wurde. Zehn Jahre lang lieferte er aus der Erdumlaufbahn einzigartige Messdaten, bis er im September dieses Jahres abstürzte. Der Nachfolger namens Swarm (Schwarm) wird zurzeit beim Raumfahrtunternehmen Astrium in Friedrichshafen gebaut. Genauer gesagt sind es drei baugleiche Satelliten, die im Juni 2012 starten und die Erde auf unterschiedlichen Bahnen umkreisen sollen. Damit wird es möglich sein, Details im Magnetfeld und zeitliche Veränderungen mit bislang unerreichter Genauigkeit zu messen.

Eine der großen technischen Herausforderungen besteht darin, dass der Satellit nicht die empfindlichen Messinstrumente stört. So konnten die Ingenieure bei Astrium eine ursprünglich vorgesehene Keramik aus Siliziumkarbid nicht einsetzen, weil diese überraschenderweise geringfügig magnetisch war. Stattdessen verwenden sie nun einen Kohlefaser-Verbundwerkstoff. „Selbst einige Klebstoffe konnten wir wegen ihrer winzigen Magnetisierung nicht einsetzen“, erklärt Projektleiter Albert Zaglauer.

Doch die drei Swarm-Satelliten sollen nicht nur Veränderungen in dem dominierenden Dipolfeld messen und Rückschlüsse auf die Vorgänge tief im Erdinnern ermöglichen. Es tragen weitere, wesentlich schwächere Beiträge zum Gesamtfeld bei. So gibt es zum Beispiel Regionen mit stark magnetisiertem Gestein. Die stärkste dieser sogenannten Magnetanomalien befindet sich in der Umgebung der Stadt Kursk in Russland. Sie wird durch das weltgrößte bekannte Eisenerzbecken hervorgerufen.

„In Südafrika scheint diamantreiches Gestein besonders stark magnetisiert zu sein“, ergänzt der wissenschaftliche Projektleiter von Swarm am GeoForschungsZentrum Potsdam, Hermann Lühr. Magnetkarten werden deshalb auch dazu dienen, nach Bodenschätzen zu suchen.

Das weitaus schwächste Magnetfeld erzeugt das elektrisch leitende Salzwasser der Meeresströmungen. Es beträgt nur etwa ein Fünfzigtausendstel des globalen Dipolfeldes. „Mit Champ ist es uns erstmals gelungen, magnetische Signale der Meeresgezeiten aufzunehmen“, sagt Hermann Lühr. Swarm soll es nun auch ermöglichen, die für das Klima so bedeutenden großräumigen Meeresströmungen räumlich und zeitlich zu verfolgen.

Doch erst einmal müssen die drei jeweils fünf Meter langen und 500 Kilogramm schweren Satelliten ins All gelangen. Dies wird vom russischen Weltraumbahnhof Plesetsk aus mit einer Rakete vom Typ Rockot geschehen. Diese basiert auf der Interkontinentalrakete SS19 – die funktioniert sehr zuverlässig.

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