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Letzte Änderung / Last update: 2023-Apr-13

Erdmagnetfeld

Wie dem Wikipedia-Artikel [WP Erdmagnetfeld] und vor allem den Diskussionsseiten dazu zu entnehmen ist, ist man sich noch nicht so richtig einig, wie dieses Magnetfeld im einzelnen zustande kommt. Entsprechend fühle ich mich ermutigt, auch mal meinen Senf dazuzugeben. (In der Wikipedia bin ich damit nicht durchgedrungen, aber wozu hat man seine eigene Webseite.)

Zu den Grundlagen: Das Magnetfeld kann nicht im Erdkern entstehen, der ist nach aktuellen Kenntnissen massiv aus Eisen und Nickel und ist starr. Für ein Magnetfeld bedarf es aber bewegter elektrischer Ladungen. Genauso scheidet die Erdkruste aus, da gibt es kaum bewegte Ladungen. Kandidat ist aber der dazwischen liegende flüssige Teil des Erdkerns, wo sich sehr heißes, flüssiges Material mit einem hohen Metallanteil tummelt. Dort muss es Konvektionsströmungen in dieser geladenen Materie geben, weil es Temperaturunterschiede zwischen den Schichten darunter und darüber gibt. Die Kaffeetasse mit einem Schuss Kaffeesahne liefert eine einfache Veranschaulichung. Man spricht dabei von sogenannten Konvektionswalzen.

Was man sonst noch weiß: Es hat in der Vergangenheit immer wieder Umpolungen des Erdmagnetfelds gegeben. Keine Richtung überwiegt dabei. Wenn man das logisch einbringt, kann also die Erdrotation keine entscheidende Rolle spielen, denn dann müsste eine Richtung deutlich überwiegen.

Die Erdrotation scheint jedoch eine indirekte Rolle zu spielen, indem das Magnetfeld im Endeffekt immer zumindest halbwegs parallel zur Rotationsachse der Erde ausgerichtet ist.

Wie kommt es dann zu so häufigen Umpolungen?

Wenn ich das von Anfang an aufdrösele, gibt es diese Konvektionswalzen im äußeren, flüssigen Erdkern. Das sehe ich sofort ein, wenn ich auf meine Kaffeetasse blicke. Da die Erde halbwegs eine Kugel ist, sollte das aber in erster Näherung alles so symmetrisch sein, dass sich einzelne sich ergebende Magnetfelder gegenseitig aufheben sollten. Beachte "erste Näherung" und "sollten". Wenn man mehr ins Detail geht, ist die Erde zum Einen keine ideale Kugel, sondern ein bisschen kartoffelig und birnig. Auch das sind aber langzeitstabile Zustände, die im Widerspruch zu den häufigen Umpolungen stehen.

Kleine Differenzen großer Zahlen

Mein Favorit ist daher zum Anderen das Prinzip der kleinen Differenzen großer Zahlen. Wenn man sieht, was da an Mengen von flüssigem Metall in Bewegung sind (ok, langsam, aber die Menge macht's), ist das tatsächliche Magnetfeld eher klein und bescheiden. Wenn die Erde eine ideale Kugel wäre, sollten sich die so entstehenden Felder aus Symmetriegründen alle wieder zu Null kompensieren. Das Netto-Magnetfeld hier außen kann nur dadurch entstehen, dass es eben keine ideale Kugelsymmetrie gibt, sondern dass da diverse Inhomogenitäten vorliegen, die dazu führen, dass die genannte Kompensation eben doch nicht vollständig gelingt. Also spiegelt das beobachtbare Magnetfeld nur die kleinen Differenzen wider, die sich aus diesen kleinen Inhomogenitäten in den Konvektionswalzen im äußeren Erdkern ergeben.

Dann passt das für mich zusammen: Eine einfache Erklärung für alle schnellen Schwankungen, Polwanderungen und auch schnelle Umpolungen. Denn Inhomogenitäten können leicht zu verschiedenen Polaritäten führen. Und das passt auch dazu, dass das Netto-Feld offensichtlich meistens halbwegs parallel zur Erdrotationsachse steht, denn die Konvektionswalzen sind dazu im Großen und Ganzen parallel, und Differenzen werden sich auch in dieser Richtung ergeben.

Und woher kommen nun diese Inhomogenitäten, die im Endeffekt zum außen messbaren Magnetfeld führen? Mir fällt erst einmal die Plattentektonik ein, bei der Schollen von Landmassen kollidieren, sich übereinanderschieben und eine davon nach unten Richtung tieferer Schichten gedrückt und geschoben wird. Eigentlich kann das nichts ausmachen, denn wir reden von Vorgängen ein paar tausend km tiefer. Aber vielleicht geben diese Unterschiebungen den Druck doch auch nach weiter unten weiter. Genaues dazu weiß aber derzeit noch niemand auf der Welt, soviel mir bekannt ist.

Neulich habe ich aber in einem FR-Artikel gelesen, dass die Verhältnisse dort tief unten in der Erde womöglich sehr viel komplexer als nach bisherigem Wissensstand sind. Dass sich damit also auch solche Subduktionseffekte vielleicht bis in größere Tiefen auswirken können. Das würde gut zu meinen Ideen passen.

Außerdem muss man immer berücksichtigen, dass es beim Magnetfeld oft relativ schnelle Änderungen gibt. Die könnte man in obigem Modell so einbringen, dass die abtauchenden Schollen eine körnige Struktur haben. An der Erdoberfläche entstehen ja Erdbeben, wenn sich Schollen mit ihren rauen Kanten gegenseitig verhaken und dann mit einem Ruck weiterspringen. Sowas könnte ja ähnlich ein paar Etagen tiefer auch passieren. Und was an der Erdoberfläche ein Ruck von Sekunden bis Minuten Dauer ist, könnte sich dort unten über Jahre und Jahrtausende erstrecken.

Aber wie gesagt, die ganze Problematik scheint noch lange nicht endgültig durchschaut, und wir können gespannt sein, was da noch an Erkenntnissen auftauchen wird.





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