Kompassanzeigen, die nicht die Richtung des wahren Nordens anzeigen, und Interferenzen mit dem Betrieb von Satelliten sind einige der Probleme, die durch Besonderheiten des Erdmagnetfelds verursacht werden.
Das Magnetfeld strahlt um die ganze Welt und weit in den Weltraum, aber es wird von Prozessen bestimmt, die tief im Erdkern stattfinden, wo die Temperaturen 5.000 Grad Celsius überschreiten.
Neue Forschungsergebnisse von Geophysikern der University of Leeds legen nahe, dass die Art und Weise, wie dieser superheiße Kern gekühlt wird, der Schlüssel zum Verständnis der Ursachen der Besonderheiten – oder Anomalien, wie Wissenschaftler sie nennen – des Magnetfelds der Erde ist.
Dynamo im Zentrum der Erde
Bei den extrem heißen Temperaturen tief in der Erde ist der Kern eine Masse aus wirbelndem, geschmolzenem Eisen, das als Dynamo wirkt. Wenn sich das geschmolzene Eisen bewegt, erzeugt es das globale Magnetfeld der Erde.
Konvektionsströme halten den Dynamo in Gang, während Wärme aus dem Kern in den Mantel fließt, eine Gesteinsschicht, die sich 2.900 Kilometer bis zur Erdkruste erstreckt.
Untersuchungen von Dr. Jonathan Mound und Professor Christopher Davies von der School of Earth and Environment in Leeds haben ergeben, dass dieser Abkühlungsprozess auf der ganzen Erde nicht einheitlich abläuft – und diese Schwankungen Anomalien im Erdmagnetfeld verursachen.
Schwankungen im Erdmagnetfeld
Seismische Analysen haben ergeben, dass es Regionen des Mantels gibt, beispielsweise unter Afrika und im Pazifik, die besonders heiß sind. Computersimulationen der Forscher haben gezeigt, dass diese heißen Zonen die Kühlwirkung auf den Kern verringern – und dies bewirkt regionale oder lokale Veränderungen der Eigenschaften des Magnetfelds.
Wo beispielsweise der Mantel heißer ist, ist das Magnetfeld an der Spitze des Kerns wahrscheinlich schwächer.
Und dies führt zu einem schwächeren Magnetfeld, das über dem Südatlantik in den Weltraum projiziert wird, was Probleme für umlaufende Satelliten verursacht.
Eingriff in die Raumfahrttechnik
Dr. Mound, der die Studie leitete, sagte: „Eines der Dinge, die das Magnetfeld im Weltraum bewirkt, ist die Ablenkung geladener Teilchen, die von der Sonne emittiert werden. Wenn das Magnetfeld schwächer ist, ist dieser Schutzschild nicht so effektiv.
„Wenn also Satelliten über dieses Gebiet fliegen, können diese geladenen Teilchen ihren Betrieb stören und stören.“
Wissenschaftler wissen von der Anomalie über dem Südatlantik, seit sie mit der Überwachung und Beobachtung des Magnetfelds begonnen haben, aber es ist nicht bekannt, ob es sich um ein langlebiges Merkmal handelt oder um etwas, das in jüngerer Zeit in der Erdgeschichte passiert ist.
Wie die Studie in Leeds gezeigt hat, werden die Anomalien wahrscheinlich durch Unterschiede in der Geschwindigkeit verursacht, mit der Wärme vom Erdkern in den Mantel fließt. Wo in der inneren Struktur der Erde diese Wärmeflussunterschiede auftreten, bestimmt wahrscheinlich, wie lange sie andauern könnten.
Dr. Mound fügte hinzu: „Prozesse im Mantel laufen sehr langsam ab, daher können wir davon ausgehen, dass die Temperaturanomalien im unteren Mantel über zig Millionen Jahre gleich geblieben sind. Daher würden wir die Eigenschaften des Magnetfelds erwarten, das sie erzeugen auch über zig Millionen Jahre ähnlich gewesen zu sein.
„Aber der heißere äußere Kern ist eine ziemlich dynamische Flüssigkeitsregion. Daher werden die Wärmeströme und die Magnetfeldeigenschaften, die sie verursachen, wahrscheinlich auf kürzeren Zeitskalen schwanken, vielleicht für Hunderte bis Tausende von Jahren.“
Die Abhandlung – Longitudinal structure of Earth’s magnetic field controlled by lower mantle heat flow – ist veröffentlicht in Natur Geowissenschaften.
Mehr Informationen:
Jonathan Mound, Längsstruktur des Erdmagnetfeldes, gesteuert durch den Wärmefluss des unteren Mantels, Natur Geowissenschaften (2023). DOI: 10.1038/s41561-023-01148-9. www.nature.com/articles/s41561-023-01148-9