Das Magnetfeld der Erde spielt eine entscheidende Rolle beim Schutz des Lebens auf unserem Planeten vor schädlicher Strahlung und geomagnetischen Aktivitäten, die Satellitenkommunikation und die Funktion von Stromnetzen beeinträchtigen könnten. Darüber hinaus ist das Magnetfeld nicht statisch, es bewegt sich.

Wissenschaftler haben die Bewegungen der magnetischen Pole seit Jahrhunderten untersucht und dokumentiert. Die historische Bewegung dieser Pole deutet auf Veränderungen in der globalen Geometrie des Erdmagnetfelds hin. Sie könnte sogar auf den Beginn einer Umkehrung des Magnetfeldes – eines „Wechsels“ zwischen dem nördlichen und dem südlichen magnetischen Pol – hindeuten.

Als Physiker, der die Wechselwirkungen zwischen den Planeten und dem Weltraum erforscht, beobachtet er, dass die Bewegung des nördlichen magnetischen Pols zwar unbedeutend erscheint, eine Umkehrung jedoch erhebliche Auswirkungen auf das Klima der Erde und unsere moderne Technologie haben könnte. Diese Umkehrungen geschehen jedoch nicht plötzlich; sie erstrecken sich über Tausende von Jahren.

Erzeugung des Magnetfeldes

Wie entstehen Magnetfelder, wie das um die Erde? Magnetfelder werden durch bewegte elektrische Ladungen erzeugt. Ein Material, das es Ladungen ermöglicht, sich leicht zu bewegen, wird als Leiter bezeichnet. Ein Beispiel für einen Leiter ist Metall, das genutzt wird, um elektrische Ströme von einem Ort zum anderen zu übertragen. Der elektrische Strom besteht aus negativen Ladungen, den Elektronen, die sich durch das Metall bewegen, wodurch ein Magnetfeld entsteht.

Im flüssigen Eisenkern der Erde befinden sich Schichten leitfähigen Materials. Ströme von Ladungen bewegen sich durch den Kern, dessen flüssiges Eisen ebenfalls in Bewegung und Zirkulation ist. Diese Bewegungen generieren das Magnetfeld.

Die Erde ist nicht der einzige Planet mit einem Magnetfeld; gasförmige Riesenplaneten wie Jupiter verfügen über eine leitfähige Schicht aus metallischem Wasserstoff, die deren Magnetfelder erzeugt.

Die Bewegung dieser leitenden Schichten innerhalb der Planeten resultiert in zwei Arten von Feldern. Größere Bewegungen, wie großflächige Rotationen des Planeten, führen zu einem symmetrischen Magnetfeld mit einem Nord- und einem Südpol, ähnlich einem Spielzeugmagneten.

Diese leitenden Schichten können einige lokale unregelmäßige Bewegungen aufgrund lokaler Turbulenzen oder kleinerer Strömungen aufweisen, die nicht den großflächigen Mustern folgen. Diese Unregelmäßigkeiten manifestieren sich in kleinen Anomalien im Magnetfeld des Planeten oder in Bereichen, wo das Feld von einem perfekten Dipolfeld abweicht.

Diese kleinräumigen Abweichungen im Magnetfeld können tatsächlich zu Veränderungen im großflächigen Feld über die Zeit führen und möglicherweise sogar zu einer vollständigen Umkehrung der Polarität des Dipolfeldes, bei der Nord und Süd vertauscht werden. Die Bezeichnungen „Nord“ und „Süd“ im Magnetfeld beziehen sich auf ihre entgegengesetzten Polaritäten und haben keine Verbindung zu geografischem Norden und Süden.

Die Magnetosphäre der Erde: Eine schützende Blase

Das Magnetfeld der Erde schafft eine magnetische „Blase“, die als Magnetosphäre bezeichnet wird, über dem obersten Teil der Atmosphäre, der Ionosphäre.

Die Magnetosphäre spielt eine wesentliche Rolle beim Schutz der Menschen. Sie schirmt und lenkt schädliche, hochenergetische kosmische Strahlung ab, die in Sternexplosionen entsteht und ständig durch das Universum strömt. Zudem interagiert die Magnetosphäre mit dem Sonnenwind, einem Strom magnetisierter Gase, der von der Sonne ausgesandt wird.

Die Wechselwirkung der Magnetosphäre und Ionosphäre mit dem magnetisierten Sonnenwind erzeugt das, was Wissenschaftler als Weltraumwetter bezeichnen. In der Regel ist der Sonnenwind mild, und es gibt wenig bis kein Weltraumwetter.

Es gibt jedoch Zeiten, in denen die Sonne große magnetisierte Gasmassen, sogenannte koronale Massenauswürfe, ins All abstößt. Wenn diese koronalen Massenauswürfe die Erde erreichen, kann ihre Wechselwirkung mit der Magnetosphäre geomagnetische Stürme erzeugen. Solche geomagnetischen Stürme können Aurora Borealis hervorrufen, wenn ein Strom von energiegeladenen Teilchen auf die Atmosphäre trifft und sie erhellt.

Während dieser Weltraumwetterereignisse ist die Strahlung näher an der Erde gefährlicher. Diese Strahlung kann Satelliten und Astronauten potenziell schädigen. Außerdem kann das Weltraumwetter große leitende Systeme, wie beispielsweise Pipelines und Stromnetze, durch Überlastung der Ströme in diesen Systemen beschädigen.

Weltraumwetterereignisse können auch die Satellitenkommunikation und den Betrieb von GPS stören, was für viele Menschen von entscheidender Bedeutung ist.

Umkehrungen des Magnetfeldes

Wissenschaftler kartieren und verfolgen die Gesamtform und Ausrichtung des Erdmagnetfeldes mithilfe lokaler Messungen der Feldorientierung und -stärke sowie, neuerdings, Modellen.

Die Position des nördlichen magnetischen Pols hat sich seit der ersten Messung im Jahr 1831 um etwa 600 Meilen (965 Kilometer) bewegt. Die Geschwindigkeit der Migration hat sich in den letzten Jahren von 10 Meilen pro Jahr auf 34 Meilen pro Jahr (16 km bis 54 km) erhöht. Diese Beschleunigung könnte den Beginn einer Umkehrung des Magnetfelds anzeigen, aber mit weniger als 200 Jahren Daten können Wissenschaftler darüber keine verlässlichen Aussagen treffen.

Das Magnetfeld der Erde kehrt auf Zeitrahmen um, die zwischen 100.000 und 1.000.000 Jahren variieren. Wissenschaftler können feststellen, wie oft das Magnetfeld umgekehrt wird, indem sie vulkanische Gesteine im Ozean untersuchen.

Diese Gesteine nehmen die Orientierung und Stärke des Erdmagnetfeldes zur Zeit ihrer Entstehung auf, sodass eine Datierung dieser Gesteine ein klares Bild davon vermittelt, wie sich das Magnetfeld der Erde im Laufe der Zeit entwickelt hat.

Umkehrungen des Magnetfeldes geschehen aus geologischer Sicht schnell, jedoch langsam aus menschlicher Perspektive. Eine Umkehrung dauert in der Regel einige Tausend Jahre, aber während dieser Zeit kann sich die Orientierung der Magnetosphäre verschieben und mehr Teile der Erde kosmischer Strahlung aussetzen. Diese Ereignisse könnten die Ozonkonzentration in der Atmosphäre beeinflussen.

Wissenschaftler können mit Sicherheit nicht vorhersagen, wann die nächste Umkehrung des Magnetfeldes stattfinden wird, aber sie setzen ihre Kartierung und Verfolgung der Bewegung des magnetischen Nordpols fort.

Dieser Artikel wird mit Genehmigung von The Conversation, einer gemeinnützigen, unabhängigen Nachrichtenorganisation, veröffentlicht, die Ihnen Fakten und vertrauenswürdige Analysen bietet, um die Komplexität unserer Welt besser zu verstehen. Geschrieben von: Ofer Cohen, UMass Lowell