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Erdmagnetfeld: Wohin wandert der Nordpol?

Steht der Welt ein Polsprung bevor? So genannte Exkursionen erlauben einen Blick ins brodelnde Herz der Erde und vielleicht sogar in die Zukunft des Erdmagnetfelds.
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Das Erdmagnetfeld tut seltsame Dinge, und niemand weiß warum. Sein Nordpol wandert derzeit um mehr als 50 Kilometer pro Jahr quer übers Polarmeer, und über dem Südatlantik hat es ein ausgeprägtes Loch. Seit Jahrhunderten wird es schwächer. Steht uns ein dramatisches geologisches Ereignis bevor? Viele Fachleute mutmaßen: Magnetischer Nord- und Südpol könnten schon bald ihre Plätze tauschen.

Oder eben nicht. »Das Erdmagnetfeld kehrt sich wahrscheinlich nicht um«, verkündete 2018 eine Arbeitsgruppe unter Beteiligung von Monika Korte und Ingo Wardinski vom GeoForschungsZentrum Potsdam in »PNAS«, eine These, die in den letzten Jahren an Gewicht gewonnen hat. Nicht zuletzt, weil wir dank präziserer Daten und neuer Hypothesen den Dynamo in der Erde immer besser verstehen. Auch sein Verhalten in ferner Vergangenheit ist immer besser bekannt.

Wie oft es zu solchen Polsprüngen kommt, hat im Lauf der Erdgeschichte stark geschwankt. Derzeit kehrt sich das Magnetfeld pro Million Jahre etwa viermal um. In der Ära der Dinosaurier dagegen verharrte es über einen Zeitraum von 40 Millionen Jahren in seiner heutigen Orientierung. Solche Äonen der Stabilität bezeichnen Forscher als »Superchrons«. Inzwischen gibt es Hinweise auf drei solcher Phasen.

Was sie auslöst, wissen Forscher nicht. Und genauso wenig ist geklärt, warum der nächste Polaritätswechsel schon so lange auf sich warten lässt. Die aktuelle Phase gleich bleibender Polarität, Brunhes-Chron genannt, ist die längste der letzten fünf Millionen Jahre. Dabei sind die Wechsel der Polarität ohnehin nur die dramatischsten Erscheinungen eines magnetisch sprunghaften Planeten. Denn auch zwischen diesen Ereignissen ist das Erdmagnetfeld alles andere als stabil und berechenbar. Es verändert sich über Jahrtausende, aber flackert auch auf Zeitskalen von Minuten bis Jahren, an manchen Orten ist es schwächer, an anderen stärker.

»Exkursionen« – drastisch, aber nicht von Dauer

Der Schlüssel zum Verständnis des Erdmagnetfelds könnte in einem Typ von Ereignis liegen, das zwischen beiden Extremen liegt: drastisch genug, um genauen Aufschluss über das innere Wirken des Felds zu geben, aber bei Weitem nicht so selten wie die Umpolungen. Das Feld hat immer wieder einmal Schwächephasen, in denen es zu einem Bruchteil seiner normalen Stärke kollabiert. Solche Episoden bezeichnet man als Exkursionen, weil sich während einer solchen Schwächeperiode die Orientierung der Magnetpole dramatisch verschiebt, nur um nach ein paar hundert oder tausend Jahren wieder zu ihrem normalen Zustand zurückzukehren.

Sicher ist allerdings, dass diese Exkursionen zumindest in den letzten paar Millionen Jahren recht häufig auftraten. Allein in den etwa 780 000 Jahren seit der letzten Feldumkehr sind sieben solcher Ereignisse gesichert, sechs weitere gelten als möglich. Dadurch sind sie viel leichter zu erforschen, als die viel selteneren und weiter zurückliegenden vollständigen Umkehrungen des Erdmagnetfelds. Der Clou: Womöglich handelt es sich bei beiden um ein und denselben Vorgang. »Wahrscheinlich hängt es von Zufällen ab, ob sich im Lauf einer ›Exkursion‹ dauerhaft eine umgekehrte Polarität entwickeln kann oder nicht«, sagt Norbert Nowaczyk vom GeoForschungszentrum in Potsdam.

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Aktuelle Gestalt des Erdmagnetfelds | Die Linien grenzen Bereiche gleicher Inklination voneinander ab.

Sollten beide Phänomene auf den gleichen Mechanismus zurückgehen, müsste man Erklärungen für die mysteriösen Polsprünge nicht in grauer Vorzeit suchen. Schon vergleichsweise leicht zu findende Spuren aus jüngerer Vergangenheit könnten auch die Vorgänge hinter den heutigen Magnetfeldeskapaden erhellen. Zum Beispiel fand die vorletzte bekannte Exkursion vor etwas über 41 000 Jahren statt; dieses Laschamp-Ereignis dauerte etwa 1000 Jahre.

In diesem Zeitraum fiel die Feldstärke auf nur ein Zwanzigstel ihres heutigen Werts, die magnetischen Pole wanderten quer über den Äquator auf die andere Erdhalbkugel. Über vier Jahrhunderte lang blieb das Magnetfeld umgedreht und gewann sogar ein bisschen an Stärke – bis es wieder in seine Ausgangsposition zurückkippte. Je mehr Daten Forscher zu solchen Schwankungen sammeln, desto besser können sie die Frage beantworten, ob wir auf dem Weg in eine Exkursion sind oder gar kurz vor einer Magnetfeldumkehr stehen. Dafür müsste man wissen, wie lang Exkursionen und Feldumkehren jeweils dauerten – und das ist bis heute umstritten, weil sehr schwierig herauszufinden.

Den bislang wichtigsten Schlüssel boten bisher Isotopendaten aus Tiefseesedimenten, doch oft sind diese Zahlen lückenhaft und mehrdeutig. Das größte Problem bei der Erforschung von Exkursionen ist die Datenqualität: Grabende Tiere durchmischen die Schichten zentimetertief und machen so genaue zeitliche Zuordnungen unmöglich. Auch Sedimente ohne Sauerstoff und tierisches Leben haben ihre Tücken.

Messungen erweisen sich als unzuverlässig

Zuverlässige Daten seien schwer zu bekommen, klagt Nowaczyk zum Beispiel in einer Veröffentlichung über Bohrkerne aus dem Schwarzen Meer. »Viele Proben sind mit nachträglich eingelagerten Eisensulfiden verunreinigt.« Das stört die hochpräzisen magnetischen Messungen. Die Folge: Abhängig von der Bestimmungsmethode findet man für die Dauer solcher Ereignisse mal 300, mal 10 000 Jahre. Deswegen kombiniert man sehr viele verschiedene Messwerte mit Hilfe von Computermodellen, um ein einheitliches, wenn auch unscharfes Bild zu gewinnen.

Genau das tat das Team um Korte und Wardinski für die Studie aus dem Jahr 2018, in der sie zu dem Schluss kamen, dass wir uns um das Magnetfeld keine Sorgen machen müssten. Die Gruppe führte paläomagnetische Daten aus Vulkangesteinen mit jenen zu Sedimenten der letzten 50 000 Jahre in einem Computermodell des Erdmagnetfelds zusammen, um dessen Struktur und Stärke zu bestimmen. Auskunft gaben ihnen auch die Atome Beryllium-10 und Chlor-36 – sie entstehen durch kosmische Strahlung, und zwar umso häufiger, je schwächer das Feld ist.

»Wahrscheinlich hängt es von Zufällen ab, ob sich dauerhaft eine umgekehrte Polarität entwickeln kann«(Norbert Nowaczyk)

Ihre Auswertung präzisierte das Bild der Laschamp-Exkursion. Demnach wanderte der Nordpol über die Beringstraße und den Pazifik nach Süden, kreuzte Neuseeland und das Südpolarmeer, bevor er über Afrika und Europa zurück in die Nähe des geografischen Nordpols wanderte. Doch zwei andere Schlussfolgerungen waren viel bemerkenswerter – und sind direkt relevant für die Zukunft des heutigen Magnetfeldes. Zu zwei Zeitpunkten in den letzten 50 000 Jahren sah das Magnetfeld so ähnlich aus wie heute. Doch in beiden Fällen kehrte es sich nicht um, es gab nicht einmal eine Exkursion, berichtet die Arbeitsgruppe.

Dafür, erklärt Nowaczyk, sei das Magnetfeld noch zu stark: »Bei einer Feldstärkenabnahme auf 25 bis 30 Prozent der heutigen Intensität bleibt das Erdmagnetfeld mehr oder weniger dipolförmig.« Das heißt, bevor die Pole wirklich Richtung Äquator wandern können, muss das Erdmagnetfeld noch einmal einen beträchtlichen Teil seiner Stärke verlieren. Das aber, sagt der Forscher, dauere mindestens noch einige Jahrtausende. »Auf Grund der relativ langsamen Prozesse im Erdkern kann die Intensitätsabnahme nicht beliebig schnell erfolgen.«

Ein Baum verspricht einen Blick auf die letzte Exkursion

Ist der kommende Polsprung damit erledigt? Vermutlich nicht, schon wegen der verwischten und vermischten Sedimentschichten. Klären wird man die Frage nur mit Daten, deren zeitliche Auflösung viel besser ist als alles, was derzeit zur Verfügung steht. Eine mögliche Quelle für präzisere Daten sind Bäume – deren Jahresringe nutzt man bereits, um detaillierte Informationen über das Klima vor Jahrtausenden zu gewinnen. Das gleiche müsste, so die Hoffnung von Fachleuten, auch für das Magnetfeld möglich sein.

2019 kam in einer Baugrube in Neuseeland einer der ältesten nicht versteinerten Bäume zu Tage, die jemals gefunden wurden. Der 20 Meter lange Kauri-Baum stammt genau aus der Zeit des Laschamp-Ereignisses. Derzeit versucht eine Arbeitsgruppe um Chris Turney von der University of New South Wales, den Jahresringen detaillierte Informationen über den Wandel des Magnetfeldes in dieser kritischen Phase zu entlocken. Das radioaktive Kohlenstoffisotop C-14 im Holz soll diese Daten liefern, erklärt Nowaczyk. Das Isotop entstehe in der oberen Erdatmosphäre, und wie viel, hänge auch von der Stärke des Erdmagnetfeldes ab.

Der jahrtausendealte Baum verspricht einen Blick ins brodelnde Herz der Erde – auf das Funktionieren des Geodynamos selbst. Das Erdmagnetfeld entsteht im äußeren, flüssigen Erdkern. Dessen Strömungen geschmolzenen Metalls erzeugen ein sich selbst erhaltendes Magnetfeld, indem sie das vorhandene Magnetisierungsmuster permanent dehnen, falten und aufspulen. Dabei übertragen sie Bewegungsenergie auf das Feld.

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Wanderung des magnetischen Nordpols | Der magnetische Nordpol bewegt sich seit Jahren mit verblüffend hoher Geschwindigkeit. Den Norden Kanadas hat er bereits hinter sich gelassen.

Während dieses Grundprinzip lange bekannt ist, sind die Hintergründe der Felddynamik noch weitgehend unklar. Das wollen Fachleute ändern, indem sie anhand des präzisen Ablaufs einer Magnetfeldexkursion überprüfen, wie gut ihre theoretischen Modelle die Strömungen im äußeren Erdkern vorhersagen können. Genauere Daten helfen hierbei, die Spreu vom Weizen zu trennen und Modelle auszuschließen, in denen beispielsweise Polsprünge in unregelmäßigen Abständen ausbleiben.

Wirken sich auch die Kontinente auf das Erdmagnetfeld aus?

Geeignete Modelle würden dann womöglich auch verraten, was genau eine Magnetfeldexkursion eigentlich ist – und was sie von einer kompletten Feldumkehr unterscheidet. Laut einer verbreiteten Hypothese sind diese Ereignisse schlicht Umkehrungen, die an der Trägheit des inneren Kerns scheitern: Das Feld im äußeren, flüssigen Kern kehrt sich um, während es im festen Erdkern seine Orientierung behält und schließlich auch das Feld im flüssigen Metall zurückzwingt. Alternative Modelle sehen darin einen Übergang zwischen einem von weit reichenden Konvektionsströmungen und hohen Feldstärken geprägten Geodynamo zu einer kleinräumigeren Dynamik, die auf schwachen lokalen Feldern basiert.

Ein mindestens genauso großer Teil der Erklärung dürfte am anderen Ende der Zeit- und Größenskala zu suchen sein. Die Veränderungen im Geodynamo bemessen sich in Jahrtausenden, und doch müssen sie irgendwie mit den Rhythmen der mehrere zig Millionen Jahre währenden Superchrons zusammenhängen.

Möglicherweise wirkt sogar die Erdkruste am unregelmäßigen Flackern des Magnetfeldes mit. Eine auffällige Parallele sehen einige Fachleute im Werden und Vergehen von Superkontinenten, die eine Regelmäßigkeit von etwa 200 Millionen Jahren zeigen – ähnlich wie die Superchrons, die vor ungefähr 100, 300 und 480 Millionen Jahren herrschten. Das aber hieße, dass auch die 3000 Kilometer zähflüssigen Erdmantels, die zwischen uns und dem Kern liegen, bei der Beschreibung des Erdmagnetfelds zu berücksichtigen wären. Womit sich das Rätsel um seine regelmäßigen Polaritätswechsel noch ein ganzes Stückchen weiter von seiner Lösung entfernt hätte.

09/2020

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 09/2020

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