Studie enthüllt: Massive Gesteinsblöcke beeinflussen das Erdmagnetfeld

Die Erforschung des Erdinneren stellt Wissenschaftler vor enorme Herausforderungen. Während der Mensch bereits 25 Milliarden Kilometer ins Weltall vorgedrungen ist, beträgt die tiefste Bohrung in die Erdkruste gerade einmal etwas über 12 Kilometer. Dadurch bleibt vieles über die Grenze zwischen Erdmantel und Erdkern – einer der bedeutendsten Schnittstellen im Erdinneren – unbekannt. Doch genau hier haben Forscher nun spannende magnetische Aktivitäten entdeckt.

Neue Erkenntnisse aus der Tiefe der Erde

In einer Studie, die in Nature Geoscience veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler unter der Leitung der Universität Liverpool Hinweise darauf gefunden, dass zwei riesige Gesteinsstrukturen am unteren Ende des Erdmantels, etwa 2900 Kilometer unter Afrika und dem Pazifik, die darunter liegende flüssige äußere Kernschicht beeinflussen. Diese massiven Blöcke aus festem, extrem heißem Material sind von einem kühleren Gesteinsring umgeben und haben das Magnetfeld der Erde über Millionen von Jahren geformt.

Die Untersuchung dieser tiefen Erdstrukturen erforderte eine Kombination aus paläomagnetischen Beobachtungen und hochentwickelten Computersimulationen des Geodynamos, der das Magnetfeld erzeugt.

Dynamo-Effekt erzeugt Magnetfeld

Das Magnetfeld wird größtenteils durch die Strömungen flüssigen Eisens im äußeren Erdkern erzeugt, der durchschnittlich 2900 Kilometer unter der Oberfläche beginnt und sich in eine Tiefe von bis zu 5150 Kilometern erstreckt. Kontinuierlich wird heißes Magma nach oben zum Erdmantel gespült, es kühlt dort ab und sinkt wieder in die Tiefe, gleichzeitig rotiert der Erdkern. Diese überlappenden Bewegungen führen zu einer Art Dynamoeffekt: So entstehen Strom und das Magnetfeld, dessen Stärke und Strömungen im Fluss sind.

Mithilfe numerischer Modelle konnten die Forscher das Verhalten des Magnetfelds über die letzten 265 Millionen Jahre rekonstruieren. Diese Simulationen stellten eine immense rechnerische Herausforderung dar.

Temperaturkontraste und stabile Magnetfeldbereiche

Die Ergebnisse zeigen, dass die obere Grenze des äußeren Kerns nicht gleichmäßig temperiert ist. Stattdessen gibt es starke thermische Kontraste mit lokal heißen Regionen, die von den Gesteinsstrukturen, überlagert werden, die so groß wie Kontinente sind. Einige Bereiche des Magnetfelds blieben über Hunderte von Millionen Jahren relativ stabil, während andere sich im Laufe der Zeit erheblich verändert haben.

Bedeutung für die Erdgeschichte und zukünftige Forschung

Biggin erklärt, dass das Magnetfeld der Erde über lange Zeiträume hinweg nicht immer wie ein perfekter Stabmagnet funktioniert habe, der exakt mit der Rotationsachse des Planeten ausgerichtet sei.

Die Studie liefert wertvolle Einblicke in die langfristige Entwicklung des Erdinneren und dessen stabilere Eigenschaften. Sie gibt zudem wichtige Hinweise für die Rekonstruktion antiker Kontinentalformationen wie zum Beispiel den Urkontinent Pangaea sowie für Fragen zu Klima, Paläobiologie und natürlichen Ressourcen.

Kurz erklärt: Was ist das Erdmagnetfeld?

Das Erdmagnetfeld ist ein unsichtbares Kraftfeld, das die Erde umgibt – ähnlich wie ein großer Magnet mit Nord- und Südpol. Dieses Feld bildet zusammen mit der sogenannten Magnetosphäre eine Art Schutzblase um unseren Planeten. Von der Sonne strömt ständig ein Fluss geladener Teilchen, der sogenannte Sonnenwind, auf die Erde zu. Die Magnetosphäre lenkt den größten Teil dieses Teilchenstroms an der Erde vorbei und schützt so das Leben auf der Erde und auch unsere Technik, zum Beispiel Satelliten, Funk- und Navigationssysteme sowie Stromnetze, vor schädlicher Strahlung.

Durch den Druck des Sonnenwinds ist die Magnetosphäre nicht kugelförmig, sondern verformt: Auf der Tagseite, also der der Sonne zugewandten Seite, wird sie zusammengedrückt, auf der Nachtseite dagegen in die Länge gezogen und bildet einen langen Schweif im All. Die äußere Grenze dieser Schutzhülle nennt man Magnetopause. Auf der Tagseite befindet sie sich im Mittel in etwa 63.000 Kilometern Entfernung von der Erdoberfläche.

Kommt es zu einem Sonnensturm, etwa bei koronalen Massenauswürfen, trifft eine besonders dichte und energiereiche Plasmawolke auf die Magnetosphäre. Dann wird das magnetische Schutzschild geschwächt, und überdurchschnittlich viele geladene Teilchen können eindringen. Diese Teilchen bewegen sich entlang der Magnetfeldlinien bis in die polare Atmosphäre und regen dort Luftmoleküle zum Leuchten an – so entstehen Polarlichter. Gleichzeitig wird das Erdmagnetfeld deutlich und auf charakteristische Weise verzerrt. Solche länger anhaltenden Störungen bezeichnet man als geomagnetische Stürme, die oft mehrere Tage dauern können.