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Geophysik: Satellit spürt ozeanische Magnetfelder auf

Strömendes Meerwasser liefert einen Beitrag zum Erdmagnetfeld. Am Beispiel der Gezeiten ist es erstmals gelungen, diesen winzigen Effekt von einem Satelliten aus zu messen. Im Prinzip eröffnet das eine neue Möglichkeit, Meeresströmungen aus dem All zu verfolgen.


Großräumige Verschiebungen von Wassermassen wirken sich stets auch auf das globale Klima aus. Entsprechend viel Wert legen Forscher darauf, Phänomene wie den Antarktischen Zirkumpolarstrom, den Golfstrom oder pazifische Meeresströmungen, wie sie mit El Niño in Zusammenhang stehen, präzise zu vermessen. Derzeit stützen sie sich dabei vor allem auf Radar-Altimeter von Satelliten, welche die lokale Meereshöhe zentimetergenau bestimmen. Aus solchen Daten lassen sich indirekt Erkenntnisse über das Verhalten weltweiter Strömungssysteme gewinnen.

Künftig könnten aber auch magnetische Signale der Ozeane Aufschluss über großräumige Verschiebungen von Wassermassen geben. Ergebnisse eines Forscherteams der Universität von Washington in Seattle und des GeoForschungsZentrums Potsdam (GFZ) legen nahe, dass man auf diese Weise, zumindest im Prinzip, selbst Strömungen in der Arktis messen könnte – wo Radarwellen versagen, weil sie an der geschlossenen Eisdecke abprallen (Science, Bd. 209, S. 239).

Die nötigen Daten liefert beispielsweise der im Juli 2000 gestartete Satellit Champ (Challenging Microsatellite Payload), betrieben unter wissenschaftlicher Leitung des GFZ. Aus seinen hochpräzisen Messungen des Erdmagnetfelds filterten die Forscher jetzt erstmals die winzigen ozeanischen Signale heraus, welche das in Satellitenhöhe um vier bis fünf Größenordnungen stärkere Hauptfeld überlagern.

Ursache dieser Signale sind Ladungsträger im Meerwasser, die dessen Bewegung folgen und dabei ein Magnetfeld erzeugen. Der Ozeanphysiker Robert Tyler von der Universität von Washington war schon Anfang der 1990er Jahre überzeugt, dass es gelingen müsste, dieses Feld aus dem All zu identifizieren. Präzise Messungen waren damals jedoch Mangelware, weil nur ein tief fliegender Satellit sie liefern kann. Die letzte solche Sonde, der von der Nasa betriebene Magsat, hatte aber schon 1980 seine Mission beendet.

Erst nun, rund zwanzig Jahre später, wird das Erdmagnetfeld wieder aus niedriger Höhe vermessen – unter anderem von Champ, der von seiner anfangs 460 Kilometer hohen Flugbahn im Lauf seines fünfjährigen Betriebs auf 300 Kilometer absinken wird. Gemeinsam mit Stefan Maus und Hermann Lühr vom GFZ machte sich Tyler daran, anhand der Champ-Daten seine Hypothese zu überprüfen.

Kurzschluss im Meer

Im Meerwasser gelöste Salze bilden hydratisierte Ionen. Diese bewegen sich mit den Ozeanströmungen durch das Magnetfeld der Erde. Als elektrisch geladene Teilchen unterliegen sie dabei der so genannten Lorentz-Kraft: Sie ist senkrecht zu den Magnetfeldlinien und zur Bewegungsrichtung der Ionen gerichtet und lässt diese deshalb aus dem allgemeinen Wasserstrom ausscheren. Negative und positive Teilchen wandern dabei in entgegengesetzte Richtungen.

So kommt es zu einer Ladungstrennung, durch die Ansammlungen von negativen und positiven Ionen im Meerwasser entstehen. Zwischen diesen bildet sich ein elektrisches Feld, das bestrebt ist, die entgegengesetzten Ladungsträger wieder aufeinander zu zu bewegen. Es nimmt so lange zu, bis es die Lorentz-Kraft genau ausgleicht und die Ladungstrennung zum Stillstand bringt.

Entscheidend ist nun, dass die Ansammlungen von entgegengesetzt geladenen Ionen über die wassergetränkten Sedimente am Meeresboden leitend verbunden sind. Dort gibt es keine Wasserströmung und folglich auch keine Lorentz-Kraft. Deshalb können die getrennten Ladungsträger hier in einer Art Kurzschluss wieder zusammenfließen. Dieser Kurzschlussstrom endlich erzeugt das Magnetfeld, um das es den Forschern geht. Seine Amplitude erreicht zwar gerade einmal zehn Nanotesla. Da es sich aber mit der Entfernung nur sehr langsam abschwächt, ist es noch in mehreren hundert Kilometern Höhe nachweisbar. Obwohl andere Anteile des ozeanischen Magnetfelds mit bis zu hundert Nanotesla deutlich stärker sind, bleiben sie auf den Ozean und die Sedimente beschränkt.

Für den Test der Theorie wählten die Forscher aus dem magnetischen Signal aller Meeresströmungen wiederum nur einen Anteil aus, der sich ziemlich leicht berechnen lässt, weil seine Quelle genau bekannt und sehr regelmäßig ist. Dieser Anteil rührt von der so genannten M2-Tide her. Als Tide oder Gezeit bezeichnet man die Folge aus einer Flut und der anschließenden Ebbe, also die Spanne zwischen einem Niedrigwasser und dem nächsten. Die vom Mond verursachte M2-Tide mit ihrem halbtägigen Rhythmus ist die wichtigste der vielen so genannten Partialtiden, die sich letztlich zu Ebbe und Flut überlagern. (Eine schwächere Komponente mit demselben Rhythmus ist die S2-Tide, die sich auf die Sonne zurückführen lässt). Zunächst berechnete das Team also, in welcher Weise die M2-Tide das ozeanische Magnetfeld beeinflussen müsste.

Gezeiten als Testfall

Dabei modellierten die Forscher den oben geschilderten Kurzschlussstrom als dreidimensionalen räumlichen Stromkreis – genauer als Stromvektorfeld, das durch die Lorentz-Kraft angetrieben wird. Ihren Berechnungen legten sie Informationen über die Topografie und Leitfähigkeit des Meeres und der Sedimente sowie die horizontale Strömungsgeschwindigkeit der betrachteten Tide zu Grunde. Parallel dazu analysierten die Forscher die Champ-Daten zwischen August 2000 und Juli 2002. Um störende Einflüsse weitgehend auszuschließen, trafen sie dabei erneut eine Auswahl. So berücksichtigten sie nur die Nachtstunden von 22 bis 6 Uhr, jeweils in lokaler Zeit. Das stellte sicher, dass die gesuchten Signale nicht durch den Einfluss elektrischer Ströme aus der tagsüber durch Sonnenstrahlung gut leitenden Ionosphäre überlagert wurden. Zudem blieben Regionen jenseits sechzig Grad nördlicher oder südlicher Breite ausgeblendet. Auf diese Weise wurden Störungen durch »polare Elektrojets« vermieden: Ströme, die in der auch nachts elektrisch gut leitenden polaren Ionosphäre in etwa hundert Kilometern Höhe durch Potenzialunterschiede in der fernen Magnetosphäre induziert werden.

Von den verbliebenen Daten zogen die Forscher zunächst alle bekannten Magnetfeldbeiträge ab. Dazu griffen sie auf ein Magnetfeldmodell zurück, das unter anderem von Lühr entwickelt wurde. Es trägt die Bezeichnung CO2, abgekürzt aus den Namen der drei Missionen, die derzeit das Erdmagnetfeld mit einer Genauigkeit im Nanotesla-Bereich vermessen. Außer Champ sind dies der 1999 gestartete dänische Satellit Ørsted und sein argentinisches Gegenstück SAC-C, das sich seit dem Jahr 2000 in einem erdnahen Orbit befindet und an Bord das Ørsted-2-Experiment mitführt.

CO2 lieferte den Forschern die Größe jener langwelligen Magnetfeldbeiträge, die nicht aus ozeanischen Strömungen stammen. Dazu gehören vor allem die zeitveränderlichen Komponenten des Hauptfelds der Erde und der magneto­sphärische Ringstrom, der mit einer Stärke von einigen Millionen Ampere um die Erde fließt. Neben diesen Anteilen wurden schließlich auch noch Beiträge aus dem Magnetfeld der Erdkruste abgezogen, die sich aus einem Modell ergaben, das Maus auf der Basis von Champ-Messungen entwickelt hat. Übrig blieb ein sehr schwaches Restfeld, das die ozeanischen Einflüsse enthalten sollte. Aus ihm filterten die Forscher mit einem mathematischen Verfahren all jene Komponenten heraus, die mit der M2-Periode von 12,4 Stunden variierten.

Es funktioniert!

Das Ergebnis war viel versprechend: Die aus den Messwerten von Champ extrahierten Magnetfeldbeiträge der Gezeitenströmung stimmten in hohem Maße mit den theoretischen Voraussagen der Wissenschaftler überein. Auch regionale Spitzenwerte, die sich aus den Berechnungen ergaben, fanden sich in den Satelliten-daten wieder. Der erste Versuch, die ozeanischen Magnetfeldbeiträge quantitativ zu erfassen, scheint somit geglückt. Allerdings gibt es noch Ungereimtheiten. Dazu gehören unrealistische Magnetfeldquellen auf Landmassen wie Westaustralien oder ein seltsames Streifenmuster über dem Südpazifik.

Solche Fehler rühren vermutlich daher, dass zum Beispiel störende Magnetfeldbeiträge aus der Ionosphäre nicht vollständig aus den Messdaten eliminiert wurden. Noch muss das neue Verfahren beträchtlich verbessert werden, wenn es tatsächlich eine Alternative zu bewährten Methoden werden soll. Schließlich gelang der Nachweis der Gezeitenströme nur, weil es sich um ein regelmäßiges Phänomen mit bekannter Periode handelt. Nicht-periodische ozeanische Zirkulationen lassen sich anhand ihres Magnetfeldes bisher nicht erkennen.

Zudem liefern nach Ansicht der Forscher so genannte geostrophische Strömungen wie der Golfstrom – sie fließen entlang von Linien gleichen Wasserdrucks – ohnehin nur einen winzigen Beitrag zum Magnetfeld. Auch die Arktis bietet für das Verfahren angesichts der zu erwartenden Störeinflüsse durch die Ionosphäre erschwerte Bedingungen.

Dennoch hat der jetzt durchgeführte Test allein schon einen wichtigen Zweck erfüllt, indem er den Beweis lieferte, dass die theoretischen Vorstellungen über den magnetischen Effekt von Meeresströmungen richtig sind. Dieser Effekt bildet den größten Beitrag zum Erdmagnetfeld, der sich bislang noch nicht theoretisch modellieren ließ. Wird dies jetzt nachgeholt, kann man künftig den Feldanteil, der aus der Erdkruste und Teilen des Erdmantels stammt, besser von den ozeanischen Einflüssen trennen. Damit wird es möglich, Temperatur und Struktur dieser Regionen präziser zu bestimmen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 2003, Seite 14
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
10 / 2003

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 10 / 2003

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