Magnetfeld: Die zweite Haut der Erde

Sie ist einfach da, ohne dass man sie bemerkt. Die schützende Magnetosphäre ist unsichtbar, geruchlos und wird auch nicht durch unseren Lebenswandel in Mitleidenschaft gezogen wie die zweite Schutzhülle unseres Planeten, die Atmosphäre. Nur selten zieht sie unsere Aufmerksamkeit auf sich, etwa wenn Polarlichter aufleuchten.

Auch für die Wissenschaft ist sie zwar keine Unbekannte, aber doch eine wenig Beachtete. Dabei ist das Erdmagnetfeld keineswegs ein starres Skelett aus Feldlinien, die unveränderlich in den Kosmos ragen. Wie ein Gummiball werden sie zuweilen verbeult, so dass Kommunikationssatelliten schutzlos dem Sonnenwind ausgesetzt sind und Schaden nehmen können. „Auch die Übermittlung von GPS-Signalen kann von magnetischen Phänomenen empfindlich gestört werden“, sagt Hermann Lühr vom Deutschen Geoforschungszentrum in Potsdam (GFZ). Mit einem Verbund von drei Satelliten namens „Swarm“ (siehe Infokasten) wollen europäische Wissenschaftler von 2012 an die Magnetosphäre unseres Planeten genau studieren und rechtzeitig vor gefährlichen Änderungen warnen. Koordiniert wird das Vorhaben am GFZ.

„Das Erdmagnetfeld ist in Wirklichkeit etwas komplizierter als der große Stabmagnet, den man sich im Innern des Globus vorstellt“, sagt der Geophysiker Lühr, zugleich Projektleiter für „Swarm“. Sieben unterschiedliche Magnetfeldquellen tragen dazu bei. Das bedeutendste ist dennoch das vom „Geodynamo“ im Erdkern erzeugte Hauptfeld. Tief unten, im Zentrum der Erde, befindet sich ein heißer Kern aus festem Eisen. Drumherum strömt flüssiges Eisen, das gewaltige Walzen bildet, die mehrere hundert Kilometer messen. Angetrieben werden sie von der Hitze des festen Kerns. Diesen „Konvektion“ genannten Vorgang kann man auch einige Nummern kleiner in einem Kochtopf beobachten. „Wenn sich ein elektrischer Leiter, eben das flüssige Eisen, bewegt, entsteht ein Magnetfeld“, sagt Lühr.

Ein weiteres Magnetfeld entsteht in der Hochatmosphäre jenseits von 100 Kilometern Höhe. Wenn tagsüber die Sonne scheint, werden die wenigen Moleküle ionisiert und sind damit leitend. Sobald sich die leitende Luft bewegt, tritt der gleiche Effekt ein wie im Erdkern. Ein Magnetfeld entsteht. Es ändert sich mit dem Gang der Sonne und folgt damit „solaren Gezeiten“. „Diese Veränderungen machen bis zu fünf Prozent der gesamten magnetischen Feldstärke aus“, berichtet Lühr. Einen viel kleineren Einfluss, nämlich nur etwa ein Zwanzigtausendstel, steuert der Ozean bei. Im Zwölf-Stunden-Rhythmus der bekannten lunaren Gezeiten schwappen die Weltmeere hin und her. Das Salzwasser enthält ebenfalls Ionen, die sich im Hauptmagnetfeld bewegen. Dadurch wird ein Stromfluss induziert, der wiederum ein weiteres Magnetfeld erzeugt.

Im Gegensatz zu diesen periodischen Änderungen gibt es auch abrupte Wechsel, mit teils schweren Folgen. So hat der Satellit „Champ“, dessen Mission vor wenigen Wochen mit einem Wiedereintritt in die Atmosphäre ein heißes Ende nahm, weitere rätselhafte Magnetfelder in der Hochatmosphäre entdeckt. „Man hat immer wieder beobachtet, dass GPS-Signale dort oben in der Ionosphäre gestört werden“, sagt Lühr. „Champ“, der in dieser Schicht die Erde umkreiste, hat das Rätsel gelöst. Wenn die Sonne untergeht, endet die Ionisation der Hochatmosphäre. Vor allem in den tieferen Schichten neutralisieren sich die geladenen Teilchen, während weiter oben noch Ionen vorhanden sind. „Diese Schicht sackt ab, dabei werden die Ionen verwirbelt, und es entstehen kleine Magnetfelder, die allerdings stark genug sind, um GPS-Signale zu behindern“, erläutert Lühr.

Die Swarm-Satelliten werden ebenfalls in dieser Höhe fliegen und das Phänomen erforschen. Bekannt ist, dass die Störungen in Gebieten von rund 100 Kilometern Größe auftreten und vor allem in Äquatornähe vorkommen. Langfristig könnten Wissenschaftler mit Swarm eine Art Weltraumwettervorhersage machen, die sinngemäß mitteilt: „Heute ist vor allem die Gegend um Rio de Janeiro betroffen, während um Jakarta keine Probleme zu erwarten sind“, skizziert Lühr.

Zudem soll die Swarm-Mission das Schwächeln des magnetischen Hauptfeldes weiter ergründen. Besonders ausgeprägt ist der Effekt im Südatlantik. Dort nahm die Feldstärke in den letzten 30 Jahren um rund zwölf Prozent ab. Die Wissenschaftler sehen darin ein Anzeichen dafür, dass sich das Erdmagnetfeld wieder mal umpolt. Das geschieht im Schnitt alle halbe Million Jahre. Seit der letzten Umpolung sind schon 780 000 Jahre vergangen, der Wechsel ist überfällig. Grund für die lokale Schwächung sei, dass der Generator im Innern der Erde teilweise schon verkehrt herum rotiere, sagt Lühr. Irgendwann wird der bekannte Dipol mit zwei „magnetischen Enden“ einem Multipol mit vielen Einzelpolen weichen, bis das Feld vollständig umgekehrt ist. Das dauert etwa 1000 Jahre, schätzen die Wissenschaftler.

„Direkt am Erdkern gibt es bereits heute ein zweites Feld“, sagt Lühr. „Aber der ist 3000 Kilometer entfernt, so dass der Effekt verwischt und oben auf der Erdoberfläche nur eine Richtungsabweichung zu beobachten ist.“

Gefährlich ist das auf dem Boden erst mal nicht. Anders im Weltraum. Geostationäre Satelliten, die der Kommunikation dienen, umkreisen die Erde in einer Höhe von rund 36 000 Kilometern. Diese Bahnen liegen noch innerhalb der schützenden Magnetosphäre, die bis in rund 60 000 Kilometer Höhe reicht.

„Bei magnetischen Stürmen der Sonne wird diese Hülle aber zusammengedrückt und die Satelliten sind dem Beschuss mit geladenen Teilchen ausgesetzt“, erläutert Lühr. Die Geräte können sich statisch aufladen, es folgen Blitze, die Bauteile zerstören. Die schnellen Protonen des Sonnenwinds können aber auch die Satellitenhülle durchdringen und bis auf die Leiterplatten der Hightechkisten gelangen, wo sie Kurzschlüsse auslösen. All das hat es schon gegeben. „Wenn das Magnetfeld insgesamt schwächer wird, drohen häufiger solche Schäden“, warnt der Forscher.