Allgemeine Geophysik

(10) Das Erdmagnetfeld

Geophysik 189

Das Erdmagnetfeld (1)

Zwei Seiten aus dem Buch De Magnete (1600) von William Gilbert (oben links, Quelle: Smithsonian Institution Libraries). Gilbert (oben, Mitte) behauptete ganz richtig, dass die Erde ein natürlicher Magnet ist, dessen Pole nahe der geographischen Pole liegen. Das Erdmagnetfeld kann in sehr guter Näherung durch ein Dipolfeld beschrieben werden (rechts o.). Da es (offenbar) keine magnetischen Monopole gibt, ist das auch gleichzeitig die einfachst-mögliche Konfiguration eines magnetischen Feldes. Das bekannteste Beispiel für ein Dipolfeld ist das Feld eines Stabmagneten (rechts unten)

Geophysik 190

Das Erdmagnetfeld (2)

Magnetit oder Magneteisenstein, Fe3O4. Das Eisen liegt hier sowohl in der zweiwertigen (Fe2+) als auch in der dreiwertigen (Fe3+) Form vor. Magnetit bildet in der Natur schwarz-glänzende, oktaedrische Kristalle. Schon lange vor den Chinesen „entdeckten“ allerdings magnetotaktische Bakterien in Schlammböden von Gewässern (rechts: Magnetobacterium bavaricum) die Navigation mit (körpereigenem) Kompass. Ketten aus (von den Bakterien gebildeten) Magnetitkristallen, den Magnetosomen (1), wirken wie ein Stabmagnet. Die Entdeckung ähnlicher Magnetitkristalle in einem Marsmeteoriten sorgten vor einigen Jahren für große Aufregung (2).

(2)

(1)

Geophysik 191

Das Erdmagnetfeld (3)

Der magnetische Nordpol ist der Punkt, an dem die magnetischen Feldlinien senkrecht auf die Erdoberfläche stehen. Er wandert zur Zeit immer schneller nach Norden (derzeit mit ~50 km pro Jahr, o.r., NOAA), in die Nähe des Geographischen N-Pols. Der geomagnetische Nordpol ist der berechnete Durchstoßpunkt der mittleren Dipolachse durch die Erdoberfläche. Er liegt zur Zeit bei 80.1° Nord, 72.2° West, in Ellesmere Island (o.l., NSIDC). Der Dipol ist übrigens nach Süden gerichtet, das bedeutet, dass in der Nähe des geographischen Nordpols ein magnetischer Südpol liegt (rechts). Der Grund für diese Sprachverwirrung liegt in der seit alters her gebräuchlichen Bezeichnung „Nordpol“ für das Nordende der Kompassnadel.

Geophysik 192

Das Erdmagnetfeld (4)

Wanderung des magnetischen Nordpols (rot) und des geomagnetischen Nordpols (blau) (British Geol. Survey).

Geophysik 193

Das Erdmagnetfeld (5)

Wanderung des magnetischen Südpols (rot) und des geomagnetischen Südpols (blau) (British Geol. Survey).

Geophysik 194

Das Erdmagnetfeld (6)

Dreht man eine Kupferscheibe im Magnetfeld eines Stabmagneten oder einer stromdurchflossenen Spule (1), so werden in der Scheibe elektrische Ströme induziert (Faradayscher Scheibendynamo). Diese Ströme können nun durch die Windungen der Spule geleitet werden (2), mit dem Ergebnis, dass sie das zu ihrer Aufrechterhaltung nötige Magnetfeld selbst erzeugen (solange sich die Scheibe dreht). Damit haben wir einen einfachen selbsterhaltenden Dynamo. Das Magnetfeld der Erde wird ähnlich erzeugt. Die Drehung der elektrisch leitenden Scheibe wird durch walzenförmige Bewegung (Taylor-Säulen) der elektrisch leit-fähigen Schmelze im äußeren Erdkern „ersetzt“ (3). Mit flüssigem Natrium konnte der Vorgang erst kürzlich im (2001) Prinzip nachgewiesen werden (4).

(1)

(2)

(3)

(4)

Geophysik 195

Das Erdmagnetfeld (7)

Geophysik 196

Betrag der Radialkomponente des magnetischen Feldes an der Erdoberfläche (Quelle: GFZ). Am magnetischen Äquator ist die Radialkomponente = 0.

Das Erdmagnetfeld (8)

Betrag der Radialkomponente des (extrapolierten) magnetischen Feldes an der Kern-Mantel Grenze. Die Struktur ist hier deutlich komplizierter als an der Oberfläche. Die Beiträge höherer Momente nehmen aber nach außen wesentlich schneller ab als die Dipolkomponente (Quelle: GFZ).

Geophysik 197

Das Erdmagnetfeld (9)

Kompassnadeln, die um die vertikale Achse frei beweglich sind (oben links), veranschaulichen die Feldlinien eins Stabmagneten. Nur wenn eine Kompassnadel um die horizontale Achse frei beweglich ist, kann die Inklination gemessen werden (oben rechts, „symbolisch“).Der geomagnetische Südpol (Inklination = 0) befindet sich in der Nähe der russischen Wostok-Station in der Antarktis (rechts unten). Der magnetische Südpol (nicht symmetrisch zum Nordpol !) liegt mittlerweile sogar schon außerhalb des Polarkreises.

Geophysik 198

Das Erdmagnetfeld (10)

Magnetische Deklination in Österreich – 2011 (Quelle: ZAMG). Seit der ersten Landesauf nahme (1850 (!)) hat sich die Deklination um mehr als 10° verringert. In der gleichen Zeit hat die Inten sität um 9% abgenommen.

Geophysik 199

Das Erdmagnetfeld & Co (11)

Die Blindmaus (Mitte: im Test-Labyrinth) ist das erste bekannte Landsäugetier, das das Erdmagnetfeld zur Orientierung verwendet (wahrscheinlich ist das auch besser so). Sobald das Test-Labyrinth einem künstlichen Magnetfeld ausgesetzt wird, verirrt sich die Blindmaus (auch Stumpfschnauzenmull genannt) gründlich. Magnetische Anomalien liefern Hinweise auf den Untergrund, der Foelsche-Krater (kein Scherz) in Australien, ein Meteoritenkrater aus dem Neo-Proterozoikum mit ~6 km Durchmesser ist im Luftbild (rechts oben) nur noch undeutlich zu sehen. Anhand der magnetischen Anomalie wird die Struktur deutlich.

Geophysik 200

Das Erdmagnetfeld (12)

Geophysik 201

Erst kürzlich ist es in Computersimulationen gelungen, Umpolungen des Erdmagnetfeldes (im Prinzip) nachzuvollziehen (oben rechts). Eine interessante Verknüpfung zwischen Erd-magnetfeld, Mantelkonvektion und Platten-tektonik zeigt die „Superplume-Episode“ der mittleren Kreidezeit. Vor etwa 125 Mio. Jahren verdoppelte sich die Bildungsrate ozeanischer Kruste (was auch zu einem deutlichen Anstieg des Meeresspiegels führte), zur gleichen Zeit wurden gewaltige Plateaubasalte (wie das Ontong–Java–Plateau) gebildet, und das Erd-magnetfeld behielt etwa 40 Mil. Jahre die gleiche Richtung bei (links, Quelle: Spektrum der Wissenschaft). Mögliche Erklärung: Auf-steigende Diapire führen Wärme ab stärkerer T-Gradient im Kern verstärkte Konvektion.