04. Jun. 2018
Remanente Magnetisierung aus Satellitendaten und Magnetosurveys am Beispiel Australiens.

Remanente Magnetisierung aus Satellitendaten und Magnetosurveys am Beispiel Australiens.

Das Erdmagnetfeld ist der wichtigste Schutzschirm für das Leben auf der Erde. Doch für die Geophysiker ist es auch das größte Rätsel im Erdsystem. Das liegt nicht zuletzt daran, dass sein Motor in 3000 Kilometer Tiefe liegt, völlig unzugänglich für menschliche Instrumente. Die Wissenschaftler müssen sich daher mit dem Magnetfeld begnügen und aus seinen Veränderungen auf den Geodynamo im flüssigen Erdkern schließen. Dank der umfassenden Satellitenbeobachtung tragen sie jedoch Puzzle-Stein um Puzzle-Stein zusammen.

Für Albert Einstein gehörten Entstehung und Verhalten des Erdmagnetfeldes zu den größten Rätseln der Naturwissenschaften, neben der Quantenmechanik und der Entstehung von Turbulenzen. "Er sagte damals, was diese beiden Probleme angehe, da sei er relativ zuversichtlich, aber beim Erdmagnetfeld sei eine Lösung wohl am schwersten zu finden", erzählt Nils Olsen, Professor für Geophysik an der Dänischen Technischen Universität in Kopenhagen. Grundsätzlich gilt Einsteins Diktum weiterhin, allerdings tragen dank Satelliten wie Ørsted, Champ oder aktuell Swarm Magnetfeldforscher wie Olsen Steinchen um Steinchen zu einem besseren Verständnis von Geodynamo und Magnetfeld zusammen.

Der Geodynamo im Erdinneren.

Der Geodynamo im Erdinneren.

Bild: ESA/AOES Medialab
Darstellung der Swarm-Satelliten.

Darstellung der Swarm-Satelliten.

Bild: ESA
Umlaufbahn der Swarm-Konstellation.

Umlaufbahn der Swarm-Konstellation.

Bild: ESA
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Der Geodynamo im Erdinneren.

Bild: ESA/AOES Medialab

Darstellung der Swarm-Satelliten.

Bild: ESA

Umlaufbahn der Swarm-Konstellation.

Bild: ESA

Swarm ist eine Formation der Europäischen Raumfahrtagentur ESA aus drei baugleichen Satelliten und umkreist seit November 2013 die Erde auf einem polaren Orbit. Ursprünglich für vier Jahre geplant wurde ihr Betrieb inzwischen bis 2021 verlängert. Die drei Flugkörper umkreisen den Planeten 15 Mal am Tag und liefern durch ihren Formationsflug ein Gesamtbild des irdischen Magnetfeldes in bislang einzigartiger zeitlicher Auflösung und räumlichem Umfang. Das gilt nicht nur für das Hauptfeld, das mit seinen beiden Polen und dem derzeitigen Magnetlinienverlauf von Süd nach Nord rund 95 Prozent des Erdmagnetfeldes ausmacht, sondern auch für lokale Anomalien, wie sie etwa durch Erzvorkommen oder Abraumhalden entstehen, oder die remanente Magnetisierung. Das ist das magnetische Profil der Erdkruste, das die Ausrichtung des Erdmagnetfelds zum Zeitpunkt ihrer Erstarrung konserviert. Auf dem Boden der Ozeane ist dadurch ein charakteristisches Streifenmuster entstanden, weil die ozeanische Kruste, die permanent an den mittelozeanischen Rücken entsteht, immer die jeweils aktuelle Ausrichtung des Erdmagnetfeldes trägt.

Übersichtskarte der remanenten Magnetisierung

"Natürlich sind die Satellitendaten viel gröber als die Magnetikmessungen von Schiffen oder Flugzeugen aus, aber aus dem Orbit erhalten wir das Hintergrundbild", betont Olsen. Theoretisch sollte es möglich sein, die detaillierten aber räumlich beschränkten Magnetosurveys, die seit Jahrzehnten durchgeführt werden, in die aktuellen Satellitenkarten einzuhängen. Für Australien haben die Swarm-Wissenschaftler das gemacht und auf der Jahrestagung der Europäischen Geowissenschaftlichen Union in Wien vorgestellt. "Wir sahen dieselben langwelligen Strukturen in den Satellitendaten wie in den Flugzeugdaten", so Olsen, "das macht uns Mut, das auch in anderen Regionen zu tun." Im Ergebnis erhält man wie in einem Atlas eine globale Karte der Krustenmagnetisierung in größerem Maßstab, in die regional besser aufgelöste Detailstudien eingearbeitet sind.

Vom Hauptmagnetfeld, das durch den Geodynamo im flüssigen Erdkern gesteuert wird, lässt sich aufgrund der Swarm-Messdaten ein kontinuierliches Profil für die vergangenen fünf Jahre erstellen. Grundsätzlich nimmt die Stärke des Feldes seit Beginn der Aufzeichnungen vor mehr als 200 Jahren ab. "In den letzten 100 Jahren hat sich seine Stärke um fünf Prozent verringert", berichtet der Geophysiker. Doch die Swamp-Daten zeigen, dass es kein gleichmäßiger Rückgang ist. "Manchmal verläuft diese Abnahme schneller, manchmal langsamer", so Olsen. Die ESA nennt diese Veränderungen den "Herzschlag des Magnetfeldes", wobei sich dieser Puls nicht nur im zeitlichen Ablauf ändert, sondern auch geografisch.

Jetstream im nördlichen Erdkern

Aus dem kombinierten Datensatz der beiden abgeschlossenen Satellitenmissionen Ørsted und Champ mit den Swarm-Daten filterten die Geophysiker eine auffällige Anomalie in der Nordhälfte des Erdkern heraus. "Es scheint dort in einer Tiefe von 3000 Kilometer einen Jetstream zu geben, also eine besonders schnelle Ost-West-Bewegung des geschmolzenen Materials im Kern", berichtet Olsen. Das ist zumindest die Erklärung, die die Geophysiker für die auffälligen Messwerte, die die Satelliten unterhalb der Nordküsten von Nordamerika und Sibirien einfingen. Der Strom aus geschmolzenem Material ist rund 400 Kilometer breit und rund 10.000 Kilometer lang. Seine Geschwindigkeit ist ungefähr dreimal so hoch wie die Durchschnittsgeschwindigkeit im flüssigen äußeren Erdkern. Über die Ursache dieses großflächigen Phänomens können die Magnetfeldforscher nur spekulieren. "Das ist ein chaotisches System", meint Nils Olsen achselzuckend.

Möglicherweise liefert der nördliche Jetstream aber auch einen Schlüssel für das Verständnis der größten Magnetfeldanomalie, die sich über dem Südatlantik zwischen Südamerika und Südafrika befindet. Dort ist das irdische Dipolfeld dermaßen schwach, dass Satelliten die mit einem drastisch erhöhten Beschädigungsrisiko überqueren. Auch Interkontinentalflüge sind einer erhöhten Strahlenbelastung ausgesetzt, denn das Erdmagnetfeld ist schließlich unser wichtigster Schirm gegen die harte Strahlung, die von der Sonne und aus den Tiefen des Weltalls kommt. Hinzu kommt, dass die Feldstärke sich im Gebiet der südatlantischen Anomalie besonders schnell abbaut. Olsen: "Das gesamte Erdmagnetfeld hat in den letzten 100 Jahre um etwa fünf Prozent abgenommen, in diesem Gebiet schwand es in den jüngsten 20 Jahren um fünf Prozent, also fünfmal stärker."

Nicht zuletzt bewegt sich die Anomalie von Ost nach West. Gut möglich, dass daher eine großräumige Bewegung im südlichen Erdkern für die Delle im Erdmagnetfeld verantwortlich ist. "Ist es möglich, diese sehr konzentrierte Magnetfeldveränderung, diesen Spot sozusagen zu erklären dadurch, dass wir eine großräumige Bewegung haben im Kern, die das Magnetfeld sozusagen von einem Ort zum anderen Ort transportiert", referiert Nils Olsen die Erklärungsversuche der Zunft. Noch ist man sich nicht sicher, ob man damit den Kern des Phänomens erfaßt hat.

Einsteins Vermutung, dass das Magnetfeld die härteste Nuss im Erdsystem darstellt, gilt daher auch in Zeiten der permanenten Satellitenmessung weiterhin. Das trifft umso mehr auf die Vorhersage der künftigen Entwicklung zu. "Wir stehen mit der Vorhersage des Magnetfelds da, wo wir vor 100 Jahren mit der Wettervorhersage waren", erklärt der Geophysiker. Man extrapoliere einfach von den Daten aus Vergangenheit und Gegenwart in die Zukunft. Immerhin liefern die Satelliten Daten in großer Menge und Qualität, so dass das Rätsel Erdmagnetfeld Stück für Stück gelöst werden kann. Umso wichtiger, so Olsen, sei es, bereits jetzt eine Nachfolgemission für Swarm vorzubereiten.