Geophysiker an der Universität von Leeds, Yon Mound und Phil Livermore, glauben, dass es in ein paar tausend Jahren zu einer Umkehrung des Erdmagnetfeldes kommen wird. Britische Wissenschaftler präsentierten ihre Ergebnisse in einer Kolumne von The Conversation. "Lenta.ru" liefert die wichtigsten Thesen der Autoren und erklärt, warum Geophysiker höchstwahrscheinlich Recht haben.
Das Magnetfeld schützt die Erde vor gefährlicher kosmischer Strahlung, indem es geladene Teilchen vom Planeten ablenkt. Dieses Kraftfeld ist jedoch nicht permanent. In der gesamten Geschichte des Planeten gab es mindestens mehrere hundert Magnetfeldumkehrungen, als die Nord- und Südmagnetpole vertauscht wurden.
Während der Polaritätsumkehr nimmt das Magnetfeld des Planeten eine komplexe Form an und wird schwächer. Während dieser Zeit kann sein Wert auf zehn Prozent des ursprünglichen Wertes fallen und gleichzeitig werden nicht zwei Pole gebildet, sondern mehrere, beispielsweise zum Beispiel am Äquator. Im Durchschnitt treten Magnetfeldumkehrungen alle Millionen Jahre auf, aber das Intervall zwischen den Umkehrungen ist nicht konstant.
Zusätzlich zu den geomagnetischen Umkehrungen traten in der Erdgeschichte unvollständige Umkehrungen auf, als sich die Magnetpole in niedrige Breiten bis zum Schnittpunkt des Äquators bewegten und dann zurückkehrten. Das letzte Mal fand vor etwa 780.000 Jahren eine geomagnetische Umkehrung statt, das sogenannte Brunes-Matuyama-Phänomen. Eine vorübergehende Umkehrung - das Lashamp-Ereignis - ereignete sich vor 41.000 Jahren und dauerte weniger als tausend Jahre. Während dieser Zeit änderte sich die Richtung des Magnetfelds des Planeten tatsächlich für etwa 250 Jahre.
Erde aus der Umlaufbahn
Foto: Stuart Rankin / Flickr
Änderungen des Magnetfeldes während der Inversion schwächen den Schutz des Planeten vor kosmischer Strahlung und erhöhen das Strahlungsniveau auf der Erde. Wenn die geomagnetische Umkehrung heute stattfinden würde, würde dies die Risiken für den Betrieb erdnaher Satelliten, der Luftfahrt und der bodengestützten elektrischen Infrastruktur dramatisch erhöhen. Geomagnetische Stürme, die mit einem starken Anstieg der Sonnenaktivität auftreten, bieten Wissenschaftlern die Möglichkeit, die Bedrohungen zu bewerten, denen der Planet ausgesetzt sein kann, wenn sein Magnetfeld abrupt geschwächt wird.
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Im Jahr 2003 verursachte ein Sonnensturm in Schweden Stromausfälle und erforderte Änderungen der Flugrouten, um vorübergehende Netzstörungen zu vermeiden und das Strahlungsrisiko für Satelliten und Bodeninfrastruktur zu verringern. Aber dieser Sturm wird im Vergleich zum Carrington-Ereignis - dem geomagnetischen Sturm von 1859, als Auroren sogar in der Nähe der Karibikinseln auftraten - als unbedeutend angesehen.
In der Zwischenzeit ist noch unklar, welche spezifischen Auswirkungen ein schwerer Sturm auf die heutige elektronische Infrastruktur haben könnte. Wir können mit Sicherheit sagen, dass die wirtschaftlichen Schäden durch Stromausfälle, Heizungssysteme, Klimaanlagen, geografische Standorte und das Internet sehr bedeutend sein werden: Nur nach groben Schätzungen werden sie auf mindestens 40 Milliarden US-Dollar pro Tag geschätzt.
Die direkten Auswirkungen der Inversion des Magnetfelds auf Lebewesen und Menschen sind ebenfalls schwer vorherzusagen: Der moderne Mensch ist in der gesamten Geschichte seiner Existenz keinem solchen Ereignis begegnet. Es gibt Studien, die versuchen, geomagnetische Umkehrungen und vulkanische Aktivität mit Massensterben in Verbindung zu bringen. Mound und Livermore bemerken jedoch, dass es keine merkliche Aktivierung des Vulkanismus gibt, so dass sich die Menschheit höchstwahrscheinlich ausschließlich mit elektromagnetischen Effekten befassen muss.
Erdmagnetfeld 500 Jahre vor der Umkehrung (nach Supercomputermodellierung)
Bild: GA Glatzmaier
Erdmagnetfeld unmittelbar nach der Umkehrung (gemäß Supercomputermodellierung)
Bild: GA Glatzmaier
Erdmagnetfeld nach 500 Jahren Umkehrung (nach Supercomputermodellierung)
Bild: GA Glatzmaier
Es ist bekannt, dass viele Tierarten irgendeine Form der Magnetorezeption haben, die es ihnen ermöglicht, Änderungen im Erdmagnetfeld zu erfassen. Tiere verwenden diese Funktion, um während langer Migrationen zu navigieren. Es ist noch nicht klar, welche Auswirkungen die geomagnetische Umkehrung auf solche Arten haben wird. Es ist nur bekannt, dass es den alten Menschen gelungen ist, das Lashamp-Ereignis erfolgreich zu überleben, und dass das Leben auf dem Planeten während der gesamten Geschichte seiner Existenz hunderte Male einer vollständigen Umkehrung des Erdmagnetfeldes ausgesetzt war.
Zwei Umstände - das Alter des Brunes-Matuyama-Phänomens und die beobachtete Abschwächung des Erdmagnetfelds um etwa fünf Prozent pro Jahrhundert - lassen vorsichtig darauf schließen, dass innerhalb der nächsten zweitausend Jahre eine Inversion auftreten könnte. Es ist schwierig, genauere Daten zu nennen. Das Magnetfeld des Planeten wird von einem flüssigen Eisen-Stein-Kern erzeugt, der den gleichen physikalischen Gesetzen wie die Hydrosphäre und die Atmosphäre folgt.
Inzwischen hat die Menschheit gelernt, Wetteränderungen nur wenige Tage im Voraus vorherzusagen. Im Fall des Kerns in einer Tiefe von etwa dreitausend Kilometern von der Erdoberfläche ist die Situation viel komplizierter, vor allem aufgrund der äußerst knappen Informationen über die Struktur und die Prozesse im Inneren des Planeten. Den Wissenschaftlern stehen ungefähre Informationen über die Zusammensetzung und Struktur des Kerns sowie ein globales Netzwerk von bodengestützten geophysikalischen Observatorien und umlaufenden Satelliten zur Verfügung, mit denen Änderungen im Erdmagnetfeld gemessen und so die Bewegung des Erdkerns verfolgt werden können.
Über den Kern des Planeten ist nicht viel bekannt. Beispielsweise haben japanische Wissenschaftler erst kürzlich in Laborexperimenten, in denen die Bedingungen im Erdinneren simuliert wurden, zuverlässig festgestellt, dass seine dritte Hauptkomponente Silizium ist: Sie macht etwa fünf Prozent der Masse des Erdkerns aus. Weitere Anteile sind Eisen (85 Prozent) und Nickel (10 Prozent). Wie in solchen Fällen üblich, blieben die Befürworter der alternativen Hypothese des dritten Elements übrig, die glauben, dass es sich nicht um Silizium, sondern um Sauerstoff handelt.
Farbkarte von Merkur
Foto: NASA Goddard Space Flight Center / Flickr
Wenig Wissenschaftler wissen um die Struktur des Planetenmantels. Erst vor drei Jahren wurde zuverlässig bekannt, dass in der Übergangsschicht zwischen Ober- und Untermantel in einer Tiefe von 410-660 Kilometern riesige Wasserreserven vorhanden sind. Anschließend wurden diese Daten wiederholt bestätigt. Weitere Analysen zeigten, dass Wasser auch in den darunter liegenden Schichten in einer Tiefe von etwa tausend Kilometern enthalten sein kann. Aber auch in diesem Fall ist nicht bekannt, ob es in der gesamten Schicht verteilt ist oder nur bestimmte lokale Bereiche einnimmt.
Wenn Wissenschaftler höher klettern, stehen sie vor einem weiteren Problem - der Art und dem Ursprung der Tektonik lithosphärischer Platten. Genau genommen gilt die Erde als der einzige Planet im Sonnensystem, auf dem es Tektonik gibt, aber niemand weiß noch, wann und warum sie entstanden ist. Die Beantwortung dieser Fragen würde es uns ermöglichen, die Vergangenheit und Zukunft der Kontinente zu verfolgen - insbesondere die aktuelle Phase des Wilson-Zyklus. Die Wissenschaftler präsentierten die vorläufigen Daten erneut auf einer Fachkonferenz im Jahr 2016.
Die Natur des Magnetfelds des Planeten ist das größte geophysikalische Problem. Es ist zuverlässig bekannt, dass Ganymed, der größte Satellit des Jupiter, neben Merkur, der Erde und vier Gasriesen auch eine Magnetosphäre hat, aber wie der Planet seine eigene Magnetosphäre unterstützt, ist sehr wenig bekannt. Bisher steht Wissenschaftlern praktisch die einzige Theorie des Geodynamos zur Verfügung. Nach dieser Theorie befindet sich im Darm des Planeten ein Metallkern mit einem festen Zentrum und einer flüssigen Hülle. Durch den Zerfall radioaktiver Elemente wird Wärme freigesetzt, die zur Bildung konvektiver Strömungen eines leitenden Fluids führt. Diese Ströme erzeugen das Magnetfeld des Planeten.
Obwohl die Theorie des Geodynamo praktisch unbestritten ist, verursacht sie große Schwierigkeiten. Nach der klassischen Magnetohydrodynamik sollte der Dynamoeffekt abnehmen und der Kern des Planeten abkühlen und aushärten. Es gibt noch kein genaues Verständnis der Mechanismen, aufgrund derer die Erde den Effekt der Dynamo-Selbsterzeugung zusammen mit den beobachteten Merkmalen des Magnetfelds, hauptsächlich geomagnetischen Anomalien, Migration und Polinversion, aufrechterhält.
Die jüngste Entdeckung eines Eisenstrahls im Erdkern, wie von Mound und Livermore festgestellt, zeugt von den wachsenden Fähigkeiten der Wissenschaft, die Dynamik von Prozessen im Inneren des Planeten zu untersuchen. Der Strahl wurde im flüssigen äußeren Erdkern in dem Gebiet unterhalb des Nordpols gebildet. Die Breite des Objekts beträgt derzeit 420 Kilometer. Der Jet hat seit 2000 solche Dimensionen erreicht und wird jedes Jahr um bis zu 40 Kilometer breiter.
Geophysiker glauben, dass der Eisenstrahl, den sie entdeckt haben, eines der Objekte ist, die das Magnetfeld der Erde erzeugen. In Kombination mit numerischen Methoden und Laborexperimenten dürften diese und andere Entdeckungen nach Ansicht von Experten den Fortschritt auf diesem Gebiet der Geophysik erheblich beschleunigen. Mound und Livermore weisen darauf hin, dass Wissenschaftler das Verhalten des Erdkerns bald vorhersagen können.
Juri Suchow
