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(Bildnachweis: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images)

Die Erde, unsere felsige, wässrige Oase im Kosmos, ist aus einer Reihe von Gründen der ideale Ort für das Gedeihen von Leben.

Wir befinden uns genau in der richtigen Entfernung von unserem Heimatstern, damit flüssiges Wasser auf der Oberfläche des Planeten existieren kann. Die Anziehungskraft anderer großer Planeten schützt uns vor apokalyptischen Kollisionen mit wandernden Meteoriten. Und das Magnetfeld des Planeten umgibt die Erde mit einer schützenden Barriere, die uns vor geladenen Teilchen abschirmt, die durch das All rasen.

Das Magnetfeld der Erde wird durch den komplexen Fluss von geschmolzenem metallischem Material im äußeren Kern des Planeten erzeugt. Der Fluss dieses Materials wird sowohl durch die Rotation der Erde als auch durch das Vorhandensein eines festen Eisenkerns beeinflusst, was zu einem dipolaren Magnetfeld führt, dessen Achse ungefähr mit der Rotationsachse des Planeten übereinstimmt.

In der chemischen Zusammensetzung alter Gesteine sind Hinweise darauf versteckt, dass das Magnetfeld der Erde ein dynamisches, sich veränderndes Phänomen ist. Abkühlendes Magma, das reich an Eisenmineralien ist, wird in Richtung des Erdmagnetfeldes gezogen, ähnlich wie die Nadel eines Kompasses in Richtung Norden gezogen wird. Die Untersuchung alter geomagnetischer Felder, die in Gesteinen aufgezeichnet sind, ist Gegenstand einer Disziplin, die als „Paläomagnetismus“ bekannt ist.

Die paläomagnetische Forschung hat den Wissenschaftlern die Erkenntnis gebracht, dass sich das Magnetfeld der Erde in der geologischen Vergangenheit viele Male verschoben und sogar umgepolt hat. Aber warum?

Warum drehen sich die Magnetpole um?

Das Magnetfeld der Erde verändert sich auf sehr kurzen und extrem langen Zeitskalen, die von Millisekunden bis zu Millionen von Jahren reichen. Die Wechselwirkung des Magnetfelds mit geladenen Teilchen im Weltraum kann es auf kurzen Zeitskalen verändern, während Störungen des Magnetfelds auf längeren Zeitskalen durch interne Prozesse im äußeren flüssigen Kern der Erde verursacht werden.

„Die säkulare Variation des Erdmagnetfeldes ergibt sich aus dem Effekt der Advektion des Magnetfeldes durch die Strömung im flüssigen äußeren Kern und aus Effekten der Magnetfelddiffusion im Kern und im Mantel“, so der Geophysiker Leonardo Sagnotti gegenüber kosmischeweiten.de.

Schwankungen im Magnetfeld, die durch die Bewegung von metallischem Material im äußeren Kern verursacht werden, haben in der Vergangenheit der Erde zu vollständigen Umkehrungen der Polarität des Magnetfeldes geführt. Paläomagnetische Studien, die frühere Zustände des Magnetfeldes untersucht haben, haben gezeigt, dass es zwei mögliche Zustände der Polarität gibt – den derzeitigen „normalen“ Zustand, bei dem die Kraftlinien des Feldes in der nördlichen Hemisphäre in Richtung Erdmittelpunkt eintreten und in der südlichen Hemisphäre in Richtung Erdaußenrand austreten. Die umgekehrte oder „umgekehrte“ Polarität ist ebenso wahrscheinlich und stabil.

Paläomagnetische Studien haben gezeigt, dass Polaritätsumkehrungen des Erdmagnetfeldes nicht periodisch sind und nicht vorhergesagt werden können. Dies liegt vor allem am Verhalten der Mechanismen, die dafür verantwortlich sind.

„Die Strömung der metallischen Flüssigkeit (meist geschmolzenes Eisen) im äußeren Erdkern ist chaotisch und turbulent. Polaritätsumkehrungen treten in Zeiten geringer geomagnetischer Feldstärke auf, in denen die Intensität der dipolaren Komponente drastisch abnimmt und die Struktur des Feldes instabil ist“, sagt Sagnotti.

Die vorübergehende Periode der Polaritätsumkehr erscheint als ein geologischer Augenblick (d.h. unterhalb der geologischen Auflösung), mit einer Dauer von bis zu einigen tausend Jahren.

Die obige Visualisierung zeigt das Magnetfeld um die Erde – die Magnetosphäre – wie es vom Weltraum aus aussehen könnte. Diese Ansicht ist konzeptionell, basiert aber auf realen wissenschaftlichen Beobachtungen, die seit Beginn des Weltraumzeitalters gemacht wurden. Die orangefarbenen und blauen Linien stellen die entgegengesetzte Nord- und Südpolarität der Feldlinien der Erde dar. (Bildnachweis: NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio)

Wie wirkt sich die Umkehrung der Magnetpole auf das Leben auf der Erde aus?

Wenn das Magnetfeld zum Umkippen neigt, befindet es sich in einem Zustand verringerter Intensität, was dazu führt, dass die Erdatmosphäre stärker dem Sonnenwind und der kosmischen Strahlung in Form von geladenen Teilchen ausgesetzt ist. Eine kürzlich durchgeführte Studie hat gezeigt, dass während der Laschamps-Exkursion, einer nur 41.000 Jahre zurückliegenden Periode geringer Magnetfeldstärke, der globale kosmische Strahlungsfluss, der die Erdatmosphäre erreichte, bis zu dreimal höher war als der heutige Wert.

Zurzeit gibt es keine signifikanten Beweise für einen Zusammenhang zwischen dem Massenaussterben von Lebewesen auf der Erde und geomagnetischen Polaritätsumkehrungen. Die Verknüpfung von Artensterben und Speziesbildung mit Perioden geringer Magnetfeldintensität wird jedoch durch Unsicherheiten in der bekannten Zeitskala dieser magnetischen „Umkehrungen“ behindert.

Außerdem treten magnetische Umkehrungen auf geologischen Zeitskalen häufig auf (mehrere hundert Mal in den letzten 160 Millionen Jahren), während aufgezeichnete Massenaussterbeereignisse etwa alle hundert Millionen Jahre auftreten (viel seltener).

Für die menschliche Zivilisation ist nicht die Verschiebung der Magnetpole von unmittelbarer Bedeutung, sondern die sich daraus ergebende Periode geringerer geomagnetischer Feldstärke. Die Gesellschaft ist zunehmend von der Technologie abhängig, und die Auswirkungen einer geringeren Magnetfeldstärke sollten von Regierungen und internationalen Organisationen ernsthaft in Betracht gezogen werden.

„In dieser Konfiguration würde das Eindringen von geladenen Teilchen in die Magnetosphäre in Höhen, die näher an der Erdoberfläche liegen, deutlich zunehmen, was erhebliche Auswirkungen auf unsere technologische Welt hätte“, fügt Sagnotti hinzu.

Die Risiken, denen unser Planet und unsere Zivilisation ausgesetzt sind, könnten erhebliche Auswirkungen auf die Zivilgesellschaft, die Art und Weise, wie wir Handel treiben, die Sicherheit, die Kommunikation, die Energieinfrastruktur, die Satelliten und das Leben der Menschen in der niedrigen Erdumlaufbahn haben. Leider bedeutet die sporadische Natur der magnetischen Schwankungen und Umkehrungen, dass wir nicht vorhersagen können, wann genau dies geschehen wird, alles was wir wissen ist, dass es geschehen wird.