Heißes flüssiges Eisen wirbelt um den festen inneren Kern unseres Planeten, mehr als 1.800 Meilen unter der Oberfläche, und erzeugt ein Magnetfeld, das sich über die Atmosphäre hinaus erstreckt. Dieses Feld bietet uns alles von Kompassrichtungen bis zum Schutz vor kosmischer Strahlung. Es ist daher nicht verwunderlich, dass die Wissenschaftler zu Beginn dieses Jahres alarmiert waren, als sie bemerkten, dass der nördliche Magnetpol schnell in Richtung Sibirien wanderte. Während Geophysiker sich bemühten, ein aktualisiertes Modell des Erdmagnetfelds vor seinem Fünfjahresplan zu veröffentlichen, warf der Wandermast eine dringende Frage auf: Bereitet sich das Erdmagnetfeld auf einen Schlag vor?
Der magnetische Zustand unserer Welt ändert sich ständig, und die magnetischen Nord- und Südpole wandern etwa jedes Jahrhundert um einige Grad. Gelegentlich erfährt das Magnetfeld eine vollständige Umpolung, wodurch der magnetische Nord- und Südpol die Orte wechseln, obwohl niemand genau weiß, was diese Umkehr verursacht. (Tatsächlich ist der Nordpol des Planeten im Moment ein magnetischer Südpol, aber er wird immer noch als "magnetischer Norden" bezeichnet, um unseren geografischen Messungen zu entsprechen.)
In einer heute in Science Advances veröffentlichten Studie berichten Forscher über eine neue geschätzte Zeitachse der letzten Polaritätsumkehr, die Brunhes-Matuyama-Umkehr, die vor etwa 780.000 Jahren stattfand. Mithilfe einer Kombination aus Lavaproben, Ozeansedimenten und Eisbohrkernen konnten sie das Fortschreiten dieser Umkehrung verfolgen und nachweisen, dass ihr Muster länger und komplexer war als von früheren Modellen vorgeschlagen. Die Ergebnisse könnten ein besseres Verständnis der Entwicklung der magnetischen Umgebung unseres Planeten ermöglichen und hoffentlich Vorhersagen für die nächste größere Störung leiten.
"[Polaritätsumkehr] ist eines der wenigen geophysikalischen Phänomene, das wirklich global ist", sagt Brad Singer, Professor für Geowissenschaften an der University of Wisconsin-Madison und Hauptautor der Studie. „Es ist ein Prozess, der in den tiefsten Teilen der Erde einsetzt, sich jedoch in Gesteinen auf der gesamten Oberfläche des Planeten manifestiert und die Atmosphäre auf ziemlich wichtige Weise beeinflusst. ... Wenn wir eine Chronologie für das Timing der Umkehrungen erstellen können, haben wir Marker, mit denen wir Gesteine auf dem ganzen Planeten datieren und gemeinsame Zeitpunkte auf der ganzen Erde kennen können. "
Die Erzeugung des Erdmagnetfeldes beginnt in der Mitte. Wärme aus dem durch radioaktiven Zerfall erzeugten festen inneren Kern erwärmt das umgebende flüssige Eisen und bewirkt, dass es wie ein Topf Wasser auf einem Kochfeld zirkuliert. Die Flüssigkeitsbewegung oder Konvektion des Eisens erzeugt einen elektrischen Strom, der ein Magnetfeld erzeugt. Während sich die Erde dreht, richtet sich das Magnetfeld grob auf die Rotationsachse aus und erzeugt den magnetischen Nord- und Südpol.
In den letzten 2, 6 Millionen Jahren hat sich das Erdmagnetfeld 10-mal und bei Ereignissen, die als Exkursionen bezeichnet werden, fast 20-mal gedreht. Einige Forscher glauben, dass Polaritätsumkehrungen durch eine Störung des Gleichgewichts zwischen der Erdrotation und der Kerntemperatur verursacht werden, die die Flüssigkeitsbewegung des flüssigen Eisens verändert, aber der genaue Prozess bleibt ein Rätsel.
Schematische Darstellung der von der Erde erzeugten unsichtbaren Magnetfeldlinien, dargestellt als Dipolmagnetfeld. Tatsächlich ist unser magnetischer Schild auf der der Sonne zugewandten Seite näher an die Erde gedrückt und auf der Nachtseite aufgrund des Sonnenwinds extrem langgestreckt. (Peter Reid / NASA) Singer und Kollegen erhielten genauere zeitliche Schätzungen für die letzte Polaritätsumkehr, indem sie neue Techniken zur Datierung von erstarrter Lava verwendeten. Die Basaltlava, die bei 1.100 Grad Celsius ausbricht, enthält Magnetit, ein Eisenoxid, dessen äußerste Elektronen sich am Erdmagnetfeld orientieren. Wenn die Lava auf 550 Grad Celsius abkühlt, wird „die Magnetisierungsrichtung verriegelt und buchstäblich in den Fluss eingebrannt“, sagt Singer. Infolgedessen wird die Geschichte des Magnetfelds in die erstarrte Lava eingeprägt, die Singer und sein Team mithilfe eines speziellen Verfahrens zur Messung der Argonisotope der zerfallenen Lavaproben auslesen konnten.
Unglücklicherweise für Geologen (aber zum Glück für den Rest von uns) brechen Vulkane nicht die ganze Zeit aus, was Lava zu einem unauffälligen Rekordhalter der Entwicklung des Magnetfelds macht. Um die fehlenden Daten zusammenzunähen, kombinierte das Forscherteam die neuen Messungen von sieben verschiedenen Lavaquellen auf der ganzen Welt mit früheren Aufzeichnungen magnetisierter Elemente in Ozeansedimenten und antarktischen Eiskernen. Im Gegensatz zu Lava liefert der Ozean eine kontinuierliche Aufzeichnung der Magnetisierung, da sich ständig Körner aus magnetischem Material auf dem Meeresboden ansiedeln und sich mit dem Feld des Planeten ausrichten. "Aber diese Aufzeichnungen werden glatt und durch Verdichtung deformiert, und es gibt viele Lebewesen, die am Boden des Meeresbodens leben ... so dass die Aufzeichnung ein wenig zerstört wird", sagt Singer.
Das antarktische Eis bietet eine dritte Möglichkeit, die Geschichte des Erdmagnetfelds aufzulösen, da es Proben eines Berylliumisotops enthält, das entsteht, wenn die kosmische Strahlung stark mit der oberen Atmosphäre interagiert - genau das, was passiert, wenn das Magnetfeld während einer Exkursion oder Umkehrung schwächer wird.
Durch die Kombination aller drei dieser Quellen haben die Forscher eine gründliche Geschichte darüber zusammengestellt, wie sich das Magnetfeld während seiner letzten Umkehrung entwickelt hat. Während frühere Studien darauf hinwiesen, dass alle Umkehrungen in einer Zeitspanne von nicht mehr als 9.000 Jahren drei Phasen durchlaufen, entdeckte Singers Team einen viel komplexeren Umkehrungsprozess, der über 22.000 Jahre in Anspruch nahm.
"Wir können in diesem Zeitraum von 22.000 Jahren viel mehr Nuancen des Wachsens und Schwindens von Stärken und Richtungsverhalten beobachten als jemals zuvor", sagt Singer. "Und es passt nicht zum [dreiphasigen] Muster ... also denke ich, dass sie zum Zeichenbrett zurückkehren müssen."
Die Ergebnisse stellen in Frage, ob zukünftige Feldumkehrungen ähnliche Komplikationen und Dauern aufweisen werden. "Dies ist ein wichtiges Papier, da es neue vulkanische Daten dokumentiert und vulkanische und sedimentäre Aufzeichnungen zur Instabilität des geomagnetischen Feldes vor der letzten Polaritätsumkehr zusammenführt", sagt James Channell, ein Geophysiker von der University of Florida, der nicht beteiligt war in der neuen Forschung in einer E-Mail. „Ist diese Instabilität vor der Umkehrung ein Merkmal aller Umkehrungen der Polarität? Bisher gibt es dafür keine Belege aus älteren Umkehrungen. “
Mitverfasser der Studie Rob Coe und Trevor Duarte, die Kerne von einem Lavastromort aus aus ausrichten und die Umkehrung der magnetischen Polarität nach Matuyama-Brunhes im Haleakala-Nationalpark, Hawaii, im Jahr 2015 aufzeichnen. (Brad Singer) Selbst bei den drei Messreihen bleibt die Frage offen, ob die zusammengefügte Historie genügend Informationen darüber liefert, wie lange eine Umkehrung dauert und in welchem Zustand sich das Feld genau befindet, wenn solche Umkehrungen auftreten. „Solange keine vollständigen Aufzeichnungen Beweise für die komplexe Abfolge von Ereignissen zeigen, die von den Autoren dargestellt werden, bin ich nicht davon überzeugt, dass wir aufgrund der Unsicherheiten des Alters mehr als zwei verschiedene Phasen unterscheiden können“, sagt Jean-Pierre Valet, a Geophysiker des Pariser Instituts für Erdphysik, der nicht an der Forschung beteiligt war, in einer E-Mail. Valet stellt auch die Dauer der Umkehrung in Frage und argumentiert, dass Unsicherheiten in den Daten darauf hindeuten, dass der gesamte Prozess zwischen 13.000 und 40.000 Jahren hätte liegen können - immer noch länger als bisher angenommen.
Weitere Informationen zu den Prozessen, die zu Polaritätsumkehrungen führen, könnten für zukünftige Zivilisationen von entscheidender Bedeutung sein, da das sich verändernde Magnetfeld weitreichende Auswirkungen auf den Planeten haben kann.
„Wenn das [magnetische] Feld schwach ist, was bei Umkehrungen der Fall ist, bricht das Hauptdipolfeld auf etwa zehn Prozent seiner normalen Stärke zusammen“, sagt Singer. Dieser Zusammenbruch könnte zu Problemen für das Leben auf der Erde führen, da das Magnetfeld Ozonmoleküle stabilisiert und den Planeten vor ultravioletter Strahlung schützt. Singer weist darauf hin, dass neuere Arbeiten darauf hindeuten, dass moderne Menschen Schutzgene haben, nachdem Neandertaler während einer Exkursion, die das Magnetfeld verschlechterte, unter Strahlung gelitten haben.
"Es ist schon eine Weile diskutiert worden, ob magnetische Umkehrungen einen Einfluss auf die Biota an der Erdoberfläche haben", sagt er. „Die meisten der frühen Behauptungen sind absurd, weil die Chronologie nicht gut genug war, um zu wissen, dass die Entdeckung von Fossilien von Neandertalern zum Beispiel mit einem Ausflug korrelierte. Aber jetzt kennen wir diese Zeiten viel besser. “
In den letzten 200 Jahren oder länger ist das Erdmagnetfeld jedes Jahrhundert um fünf Prozent zurückgegangen. Wenn diese Schwächung und die kürzliche Wanderung des nördlichen Magnetpols auf eine sich abzeichnende Feldumkehr hindeuten, könnte dies schwerwiegende Auswirkungen auf Technologien haben, die auf Satelliten beruhen, die durch kosmische Strahlung beschädigt werden können. Singer warnt jedoch davor, dass es in den nächsten Jahrtausenden wahrscheinlich nicht zu einer Umkehr kommen wird.
"Was wir jetzt sehen, wenn sich der Nordpol schnell bewegt, ist eigentlich ganz normal", sagt Singer. „Es gibt Veröffentlichungen, die auf viel schlechteren Unterlagen basieren als diejenigen, mit denen wir arbeiten. Dies lässt vermuten, dass eine Umkehrung in weniger als einem menschlichen Leben stattfinden könnte, und dies wird von der überwiegenden Mehrheit der Unterlagen einfach nicht unterstützt. … Die eigentliche Umkehrung, die endgültige Umkehrung, dauert mehrere tausend Jahre. “
Das sollte der Menschheit Zeit verschaffen, um ihre Technologien bei der nächsten Umkehrung besser vor Strahlung zu schützen. Seien Sie bis dahin nicht beunruhigt, wenn sich Ihr Kompass um ein oder zwei Grad verschiebt.
