Auf der Tagseite der Erde leitet die magnetische Rekonnektion Material und Energie von der Sonne in die magnetische Umgebung der Erde.(Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center)
Eines der charakteristischen Merkmale der Erde ist ihr Magnetfeld. Es bildet einen Schutzschild gegen hochenergetische Teilchen, die von der Sonne ausgestoßen werden, und hat dem Leben wohl einen sichereren Ort geboten, an dem es sich zu der komplexen Vielfalt an Organismen entwickeln konnte, die wir heute sehen.
Die verblüffendsten Anzeichen für das Magnetfeld der Erde sind Polarlichter, tanzende Vorhänge aus farbigem Licht, die während Zeiten hoher Sonnenaktivität in der Nähe des Nord- und Südpols erscheinen. Ein weiteres Zeichen dafür, dass die Erde ein Magnetfeld hat, ist die Tatsache, dass ein Kompass nach Norden zeigt, egal wo auf dem Planeten man sich befindet.
Aber wie können wir feststellen, ob andere Planeten oder Körper im Sonnensystem Magnetfelder haben? Und ist es möglich zu wissen, ob ferne Exoplaneten Magnetfelder haben?
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Wir wissen, dass die Gasriesen (Jupiter und Saturn) und Eisriesen (Uranus und Neptun) des Sonnensystems starke eigene Magnetfelder haben. Bei den terrestrischen Planeten und Monden ist es jedoch etwas komplizierter, so Joseph G. O’Rourke, Planetenforscher an der Arizona State University.
Die Erde, Merkur und der Jupitermond Ganymed haben heute alle intern erzeugte Magnetfelder. Der Mars und der Erdmond haben alte Krustengesteine, in denen Reste der Magnetisierung von Magnetfeldern aus der Frühzeit ihrer Geschichte erhalten sind, so O’Rourke.
Was den anderen Nachbarn der Erde betrifft: „Auf der Venus wurde kein intrinsischer Magnetismus entdeckt, aber wir haben keine Instrumente nahe genug an die Oberfläche gebracht, um nach magnetisierter Kruste zu suchen“, fügte er hinzu.
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Damit ein Magnetfeld auf einem Planeten oder Mond existieren kann, muss ein großes Volumen leitfähiger Flüssigkeit im Inneren des Körpers in Bewegung sein. Ein Körper könnte sein Magnetfeld verlieren, wenn sich diese Materialien nicht mehr bewegen oder wenn der Temperaturunterschied zwischen der Erwärmung und Abkühlung der Materialien nicht groß genug ist, um die Konvektion der Flüssigkeiten im Inneren eines Planeten oder Mondes anzutreiben, da sich die Flüssigkeiten in diesem Fall zu langsam bewegen würden, so O’Rourke.
Im Falle des offensichtlichen Fehlens einer Magnetosphäre auf der Venus gibt es laut O’Rourke vier Möglichkeiten.
Die allgemein akzeptierte Idee ist, dass die Venus einen erdähnlichen Kern hat, der zu langsam abkühlt. Da es auf der Venus keine Plattentektonik gibt, könnte sich ihr Inneres langsamer abkühlen als das der Erde.
Eine Abbildung zeigt einen koronalen Massenauswurf, der aus der Sonne ausbricht und dann auf die Magnetosphäre der Erde trifft. (Bildnachweis: ESA/NASA – SOHO/LASCO/EIT)
Eine andere Möglichkeit ist jedoch, dass das Innere der Venus vollständig fest ist. Dies würde voraussetzen, dass der Kern des Planeten viel kälter ist als der der Erde, was O’Rourke für unwahrscheinlich hält. Die für 2031 geplante Mission Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography and Spectroscopy der NASA und die Mission EnVision der Europäischen Weltraumorganisation werden versuchen herauszufinden, ob der Venuskern zumindest teilweise flüssig ist.
Alternativ könnte die Venus keinen inneren Kern haben. Der innere Kern der Erde trägt zur Erzeugung des Magnetfelds unseres Planeten bei. Wenn er kristallisiert, stößt er Verunreinigungen (Elemente, die leichter als Eisen sind) aus, was einen chemischen Auftrieb erzeugt, der Flüssigkeitsbewegungen antreibt. Vielleicht hat die Venus noch keinen inneren Kern gebildet, so dass ihr diese zusätzliche Energiequelle fehlt.
Die vierte Möglichkeit, so O’Rourke, ist, dass der Venuskern chemisch geschichtet sein könnte. Der mondbildende Einschlag könnte den alten Erdkern aufgewühlt haben, so dass er ein Magnetfeld erzeugte, als er abkühlte. Die Venus hat jedoch keine Monde, was bedeuten könnte, dass ihr Kern nie aufgewühlt wurde.
Die beste Methode, um festzustellen, ob Körper im Sonnensystem Magnetfelder haben, besteht darin, ein Raumschiff zu dem Objekt fliegen zu lassen, um die Stärke des Magnetfelds mit einem Magnetometer zu messen. Wissenschaftler konnten jedoch bereits in den 1950er Jahren das Magnetfeld des Jupiters aus der Ferne feststellen, indem sie die Radioemissionen der Polarlichter des Planeten auffingen.
O’Rourke sagte, Magnetfelder seien eine der besten Möglichkeiten, etwas über das Innere von Planeten zu erfahren. Das Vorhandensein eines starken Magnetfeldes verrät den Wissenschaftlern, dass der Planet über ein großes Reservoir an elektrisch leitender Flüssigkeit verfügt, die sich bewegen kann.
„Ein Dynamo ist der Prozess, durch den die Energie der Flüssigkeitsbewegung in ein Magnetfeld umgewandelt wird“, erklärt O’Rouke. „Bei terrestrischen Planeten können metallische Kerne Dynamos beherbergen, wie bei der heutigen Erde. Aber auch flüssige Silikate (im Grunde geschmolzenes Gestein) sind bei extremen Drücken und Temperaturen elektrisch leitfähig. In den Tiefen des Inneren von Gasriesen wie Jupiter und Saturn wird Wasserstoff metallisch, was ihre starken Magnetfelder ermöglicht.
Gibt es Exoplaneten mit Magnetfeldern?
Wenn es um Exoplaneten geht – Planeten außerhalb des Sonnensystems – haben Planetenwissenschaftler noch nicht eindeutig das Vorhandensein eines Magnetfeldes nachgewiesen. O’Rourke glaubt jedoch, dass wir nicht allzu weit davon entfernt sind. Astronomen haben Polarlichter, die durch Magnetfelder entstehen, bei kleinen Sternen, so genannten Braunen Zwergen und M-Zwergen mit geringer Masse, entdeckt.
„Ich würde vermuten, dass die nächste Generation von Instrumenten in der Lage sein wird, Magnetfelder von Jupiter-ähnlichen Exoplaneten zu entdecken“, sagte O’Rourke. „Die Entdeckung von Magnetfeldern erdähnlicher Planeten ist noch in weiter Ferne, aber hoffentlich in den nächsten Jahrzehnten möglich. Im Allgemeinen können wir Magnetfelder von Exoplaneten direkt (z. B. durch die Beobachtung von Polarlichtern oder Strahlungsgürteln) oder indirekt (z. B. durch die Beobachtung der Wechselwirkungen von Magnetfeldern von Planeten mit ihren Muttersternen) nachweisen.“
Planetenwissenschaftler debattieren derzeit darüber, ob Magnetfelder Planetenatmosphären insgesamt schützen. Einerseits können Magnetfelder Atmosphären vor stellaren Winden abschirmen, insbesondere in der Nähe des magnetischen Äquators. Andererseits können Magnetfelder geladene Teilchen in die Polarregionen schleusen, und eine Reihe von Mechanismen, die zum Entweichen aus der Atmosphäre beitragen, werden von Magnetfeldern nicht stark beeinflusst, erklärte O’Rourke.
„Die Erde hat seit Milliarden von Jahren sowohl ein Magnetfeld als auch eine bewohnbare Oberfläche beibehalten“, sagte O’Rourke. „Der Mars hat den größten Teil seines Wassers an den Weltraum verloren, als sein Magnetfeld erlosch. Die Venus, die Höllenwelt, hat kein Magnetfeld. In unserem Sonnensystem ist der Magnetismus mit der Bewohnbarkeit korreliert. Allerdings ist Korrelation nicht gleichbedeutend mit Kausalität.“
Wenn wir durch Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop eine größere Stichprobe von Exoplaneten erhalten, werden die Planetenforscher beginnen, die Beziehung zwischen Magnetfeldern und der Bewohnbarkeit von Planeten aufzudecken. Polarlichter könnten einer der ersten Indikatoren dafür sein, dass wir etwas genauer nach Anzeichen von Leben suchen sollten.
