Das Loch im Magnetfeld der Erde

Hintergrund

Seit fast zwei Jahrhunderten registrieren Forscher eine Abschwächung des Erdmagnetfeldes – und eine Lücke. Nun will man den Phänomenen auf den Grund gehen.

Wieso wird das Magnetfeld der Erde schwächer?: Dieser Frage sollen die drei identischen Swarm-Satelliten nachgehen.

Wieso wird das Magnetfeld der Erde schwächer?: Dieser Frage sollen die drei identischen Swarm-Satelliten nachgehen.

(Bild: Astrium)

Mit einem Satelliten-Trio namens Swarm wollen Geophysiker diesen und anderen Phänomenen auf den Grund gehen. Am kommenden Freitag soll es vom russischen Kosmodrom Plessezk ins All starten und mindestens vier Jahre lang das Erdmagnetfeld in bislang unerreichter Genauigkeit vermessen.

«Unsere Satellitenmission ist wie eine moderne Version von der Reise zum Mittelpunkt der Erde», umreisst Volker Liebig die Ziele der Swarm-Mission. Liebig ist Direktor des Erdbeobachtungsprogramms der Europäischen Weltraumorganisation ESA, die das 220 Millionen Euro teure Satelliten-Trio bei dem Raumfahrtunternehmen Astrium vor acht Jahren in Auftrag gegeben hat.

Swarm besteht aus drei baugleichen Satelliten, die auf polaren Bahnen die Erde umkreisen. Zwei der neun Meter langen und 500 Kilogramm schweren Satelliten fliegen nebeneinander in 460 Kilometer, der dritte auf einer dazu geneigten Bahn in 530 Kilometer Höhe. Das ermöglicht es, Details im Magnetfeld und zeitliche Veränderungen gleichzeitig an mehreren Stellen zu messen. «Wie Ärzte Gehirnströme messen, so messen wir das Erdmagnetfeld und schliessen daraus auf die Vorgänge im Erdinnern», sagt Hermann Lühr, wissenschaftlicher Projektleiter von Swarm am Geoforschungszentrum Potsdam. Eine der grossen technischen Herausforderungen bestand darin, dass der Satellit nicht seine eigenen Messinstrumente stört. «Wir wollen das Magnetfeld der Erde messen und nicht das vom Swarm-Satelliten», sagt Astrium-Projektleiter Albert Zaglauer. Ständig gab es Rückschläge. So liess sich die ursprünglich vorgesehene Keramik aus Siliziumkarbid nicht einsetzen, weil diese Spuren von Eisen enthielt und geringfügig magnetisch war. Selbst einige Klebstoffe konnten wegen ihrer winzigen Magnetisierung nicht verwendet werden.

Das Magnetfeld wird schwächer

Trotz aller Tricks lassen sich schwache Magnetfelder, beispielsweise von elektrischen Strömen im Innern des Satelliten, nicht gänzlich verhindern. Deshalb sind zwei empfindliche Magnetometer an einem fünf Meter langen Arm installiert, der erst in der Erdumlaufbahn ausgeklappt wird. Nötig ist dieser Aufwand, weil die Forscher das Magnetfeld bis auf ein Fünfzigstel Promille genau vermessen wollen.

Der Aufwand ist es wert, denn das für irdisches Leben wichtige Erdmagnetfeld birgt noch viele Rätsel. Seit langem verliert es kontinuierlich an Stärke: Das globale Hauptfeld hat seit 1832 um fast zehn Prozent abgenommen. In manchen Regionen sogar noch mehr. Geophysiker kennen weder die Ursache für das Schwinden des Feldes, noch können sie die weitere Entwicklung vorhersagen.Die Quelle des Magnetfeldes befindet sich tief im Inneren unseres Planeten. Der zentrale, innere Erdkern ist mehr als 4000 Grad Celsius heiss. Doch wegen des enormen Drucks ist die darin befindliche Mischung aus Eisen und Nickel fest. Dieser Zentralbereich ist von dem schalenförmigen äusseren Kern umgeben. Er befindet sich etwa zwischen 2900 und 5200 Kilometer Tiefe und ist wegen des geringeren Drucks flüssig. Der innere Erdkern heizt den äusseren Kern und lässt das darin befindliche Metall zirkulieren. Diese Situation ist vergleichbar mit einem mit Wasser gefüllten Topf auf einer Herdplatte. Nur dass in diesem Fall der Topf die Form einer Kugelschale hat und sich zudem innerhalb von 24 Stunden einmal um seine Achse dreht. Dies führt zu einem komplizierten Strömungsmuster des heissen Metalls. Da dies elektrisch leitend ist, erzeugt es wie ein starker Strom ein Magnetfeld.

Doch hin und wieder kommt der Geodynamo ins Stottern. In den vergangenen 160 Millionen Jahren haben Nord- und Südpol mehrmals ihre Plätze getauscht, zuletzt vor 780 000 Jahren. Hierbei wanderten die Pole jedoch nicht einfach über den Globus, sondern sie lösten sich auf und an ihre Stelle traten mehrere schwache Pole, die sich ständig veränderten. Eine solche Übergangsphase, in der der Magnetschirm sehr schwach wird, dauert wenige Tausend Jahre, danach formiert sich das starke Dipolfeld wieder, aber in umgekehrter Richtung als zuvor.Gegenwärtig wandert der Nordpol pro Tag um rund 150 Meter, und die Magnetfeldstärke nimmt in manchen Regionen um bis zu vier Prozent im Jahrzehnt ab. Der stärkste Rückgang ereignet sich über dem Südatlantik, ausgerechnet dort, wo das Erdmagnetfeld ohnehin am schwächsten ist. Die Bahn der Internationalen Raumstation führt genau durch diese südatlantische Anomalie. Dort ist die Feldstärke um 60 Prozent geringer als im Durchschnitt, weswegen Astronauten wegen der geringeren Magnetabschirmung die höchste Dosis an kosmischer Strahlung aufnehmen. Zudem leidet die Elektronik von Satelliten.

Die nächste Polumkehr

Mit neuen Methoden versucht Andrew Jackson, stellvertretender Leiter des Bereichs Erdwissenschaften an der ETH Zürich und Mitglied des Swarm-Wissenschaftsrates, die Entwicklung des Erdmagnetfeldes über einige Jahre im Voraus zu berechnen. «Aber wenn wir wissen wollen, ob sich das Erdmagnetfeld umpolt, müssen wir mehr als tausend Jahre in die Zukunft schauen», sagt er. In absehbarer Zeit wird dies nicht möglich sein, denn die Strömungen im Innern der Erde verhalten sich womöglich chaotisch und können von ganz allein «umkippen», ähnlich wie eine Wasserströmung plötzlich turbulent werden kann. Das Verhalten eines chaotischen Systems lässt sich deshalb nicht über einen längeren Zeitraum vorhersagen.

Die drei Swarm-Satelliten sollen nicht nur Veränderungen in dem dominierenden Dipolfeld messen und Rückschlüsse auf die Vorgänge tief im Erdinneren ermöglichen. Es tragen noch weitere, wesentlich schwächere Beiträge zum Gesamtfeld bei. Den weitaus schwächsten Anteil erzeugt das elektrisch leitende Salzwasser der Meeresströmungen. Er macht nur etwa ein Fünfzigtausendstel des globalen Dipolfeldes aus. Swarm soll es auch ermöglichen, die für das Klima so bedeutenden grossräumigen Meeresströmungen räumlich und zeitlich zu verfolgen. Damit wird das Satelliten-Trio auch zum Klimamonitor.

Tages-Anzeiger

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