Was verursacht das Magnetfeld der Erde?
Magnetfelder werden durch elektrische Ladungen in Bewegung erzeugt. In einem Stabmagneten sind die sich bewegenden Ladungen Elektronen, die in Atomen umkreisen. In der Erde sind sie Elektronen, die von zirkulierenden Strömen aus geschmolzenem Eisen herumbefördert werden.
Die Details sind nicht gut verstanden. Aber im Grunde dehnt sich heißes Material im äußeren flüssigen Eisenkern der Erde aus, wird weniger dicht als seine Umgebung und steigt daher auf. Abkühlend und an Dichte verlierend, sollte es wieder nach unten sinken. Aber die Rotation der Erde verhindert dies.
Folglich zirkuliert Flüssigkeit um den Kern und die Reibung zwischen seinen verschiedenen Schichten lädt sie auf – genau wie ein Plastikkamm, der an einem Nylonpullover reibt. Es sind diese sich bewegenden Ladungen, die das Magnetfeld der Erde erzeugen.
Die beiden Voraussetzungen für planetarischen Magnetismus sind also ein flüssiger Kern und Rotation. Wir wissen das, weil die Venus, obwohl sie ungefähr die Größe der Erde hat, im Wesentlichen kein Magnetfeld hat. Der Planet hat einen flüssigen Kern, dreht sich aber langsam – nur einmal alle 243 Erdentage.
Warum bewegen sich die Magnetpole der Erde?
Obwohl das Magnetfeld der Erde dem eines Stabmagneten sehr ähnlich ist, mit Nord- und Südpol, ist es nicht so stabil, da es durch komplexe Prozesse im Inneren der Erde erzeugt wird. Diese bewirken, dass die Magnetpole wandern.
Historisch hat sich der Nordpol um etwa 15 Kilometer pro Jahr bewegt. Aber seit den 1990er Jahren hat es sich beschleunigt und bewegt sich jetzt mit etwa 55 Kilometern pro Jahr in Richtung Sibirien. Es ist Spekulation, aber dies könnte eine „magnetische Umkehrung“ ankündigen, bei der die magnetischen Nord- und Südpole ihre Position wechseln. Das ist in den letzten 71 Millionen Jahren 171 Mal passiert – und wir sind überfällig.
Modelle des Erdmagnetfelds auf der Grundlage von Satellitenbeobachtungen haben gezeigt, dass die gegenwärtige Wanderung das Ergebnis eines Kampfes zwischen „Blobs“ ungewöhnlich intensiver Magnetfelder tief im Inneren des Planeten ist. Was die Umkehrung des Erdmagnetfelds betrifft, ist sich niemand hundertprozentig sicher, warum dies geschieht.
Was würde passieren, wenn das Magnetfeld verschwindet?
Wissenschaftler entdeckten magnetische Umkehrungen, indem sie das Magnetfeld auf beiden Seiten der mittelatlantischen Rücken maßen, aus denen geschmolzenes Gestein wie Zahnpasta aus einer Tube austritt. Während es sich verfestigt, richten sich seine Kristalle entlang der Richtung des Erdmagnetfelds zu der Zeit aus und hinterlassen eine „Bandaufnahme“ von Umkehrungen.
Es wird angenommen, dass Umkehrungen über 1.000 bis 10.000 Jahre stattfinden, während dieser Zeit schrumpft das Feld auf Null, bevor es mit der entgegengesetzten Polarität wieder anwächst. Es gab daher Zeiten – vielleicht sogar Jahrhunderte – in denen die Erde im Wesentlichen kein Magnetfeld hatte.
Dies ist lebensgefährlich, da sich das Magnetfeld des Planeten weit in den Weltraum erstreckt und eine schützende Blase um die Erde herum erzeugt, die die Oberfläche des Planeten vor dem Hurrikan von Partikeln des „Sonnenwinds“ der Sonne und höherenergetischen „kosmischen Strahlen“-Partikeln aus dem Weltraum abschirmt.
Normalerweise werden diese sicher an den Polen nach unten geleitet, wodurch die Polarlichter entstehen. Ohne ein Schutzfeld würde eine solche tödliche Strahlung die Mutationsrate lebender Zellen erhöhen und bei Tieren zu Krebs führen. Trotzdem hat das Leben schon viele solcher Ereignisse überstanden, ohne ausgelöscht zu werden.
Wie stabil ist das Magnetfeld der Erde?
Die Tatsache, dass das Magnetfeld der Erde von elektrischen Strömen abhängt, die von geschmolzenem Material getragen werden, das im turbulenten Inneren des Planeten zirkuliert, bedeutet, dass es von Natur aus variabel ist, wie durch die gegenwärtige Wanderung des magnetischen Nordpols gezeigt wird (der magnetische Südpol wandert überraschenderweise nicht so schnell).
Bemerkenswert ist jedoch, dass das von solchen heftigen inneren Krämpfen erzeugte Magnetfeld zu 99,9 Prozent der Zeit relativ stabil ist. Es ist die Stabilität des Erdmagnetfelds und die Zuverlässigkeit des Schutzes, der es ermöglicht hat, dass das Leben auf der Erde seit fast mindestens 3,8 Milliarden Jahren bestehen kann.
Wie nutzen Tiere das Magnetfeld zur Navigation?
Viele Kreaturen demonstrieren bemerkenswerte Navigationsleistungen. Daher liegt der Verdacht nahe, dass sie eine Art Magnetsinn haben, der es ihnen ermöglicht, die magnetischen Feldlinien zwischen den Polen zu erkennen. Die Lokalisierung des Mechanismus hat sich jedoch als schwierig erwiesen. Im Jahr 2021 wurden jedoch Fortschritte von japanischen Wissenschaftlern erzielt, die einen vor vielen Jahren entdeckten Prozess untersuchten.
In den 1970er Jahren beobachtete Richard Blakemore, ein Doktorand in den USA, einzellige Organismen, die in einem schlammigen Teich in eine feste Richtung strömten, und zeigte, dass sie auf ein Magnetfeld reagierten. Biologen entdeckten später, dass solche einzelligen Organismen winzige Beutel mit magnetischem Eisenoxid oder Eisensulfid enthalten.
Nun haben Noboru Ikeya und Jonathan Woodward von der Universität Tokio gezeigt, dass ein Magnetfeld chemische Veränderungen hervorruft, die das Zellverhalten beeinflussen können. Dies gelang ihnen mit Hilfe einer Zellchemikalie, die in Abhängigkeit vom äußeren Magnetfeld fluoresziert. Wenn sie einen Magneten in der Nähe von Zellen bewegten, wurde die Chemikalie um bis zu 3,5 % gedimmt.