Elektrotechnik Grundlagen

Magnetfeld der Erde

Das Magnetfeld der Erde schützt uns vor gefährlicher Strahlung aus dem Weltall. Was das Erdmagnetfeld ist, wie es entsteht und mehr erfährst du in diesem Beitrag.

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Inhaltsübersicht

Magnetfeld der Erde einfach erklärt

Unsere Erde ist von einem Magnetfeld umgeben, das Magnetfeld der Erde (auch Erdmagnetfeld). Von außen betrachtet besitzt das Erdmagnetfeld eine Form, die der eines Stabmagneten ähnelt. Das bedeutet, dass du dir einen enormen Stabmagneten unterhalb der Erdoberfläche vorstellen kannst, der zur Rotationsachse der Erde geneigt ist. Der Südpol dieses Stabmagnets zeigt dabei in Richtung des geografischen Nordpols der Erde.

Das Magnetfeld der Erde besitzt eine Stärke, die zwischen 30 Mikrotesla (\mathsf{\mu T}) und 60 Mikrotesla liegt. Der Hauptteil des Erdmagnetfelds entsteht im flüssigen äußeren Erdkern aufgrund der Konvektion von geschmolzenem Eisen. 

Neben der Orientierung durch einen Kompass, erfüllt das Magnetfeld der Erde eine weitere, lebenswichtige Aufgabe: Die Abschirmung des Sonnenwindes.

Wie entsteht das Magnetfeld der Erde?

Der Hauptteil des Erdmagnetfelds entsteht im Inneren der Erde. Daher zeigen wir dir in diesem Abschnitt zunächst wie der Erdkern aufgebaut ist und gehen danach kurz auf die sogenannte Dynamotheorie ein. 

Erdkern Aufbau

Die Erde kannst du dir aufgeteilt in vier Kugelschalen und einer Kugel vorstellen. Jede Kugelschale besteht dabei aus unterschiedlichen Materialien und besitzt verschiedene Dicken. Die Kugel sitzt in der Mitte während die vier Kugelschalen nacheinander die Kugel umgeben. Die folgende Liste zeigt den Aufbau der Erde beginnend von der Erdoberfläche bis in den Zentrum der Erde

  • Kugelschale 1 – Erdkruste: Dicke von 5 – 70 km
  • Kugelschale 2 – Oberer Mantel: Tiefe von etwa 660 km
  • Kugelschale 3 – Unterer Mantel: Tiefe von 660 – 2900 km
  • Kugelschale 4 – Äußerer Erdkern: Tiefe von 2900 – 5150 km
  • Kugel – Innerer Erdkern: Tiefe von 5150 – 6371 km

Von entscheidender Bedeutung für das Magnetfeld der Erde ist der äußere Erdkern. Zwei Eigenschaften sind hier wesentlich: Der äußere Erdkern ist flüssig und stark eisenhaltig.

% Abbildung 4 aus Videoskript einfügen.

Dynamotheorie

Der äußere Kern besteht zu einem großen Teil aus flüssigen, elektrisch leitfähigen Eisen. Die äußerste Schicht des äußeren Erdkerns ist kühler als der innere Erdkern. Diese Temperaturdifferenz führt zu Konvektionsströmen. Das bedeutet, dass sich das flüssige Eisen im äußeren Kern wild hin und her bewegt. Zu dieser Bewegung kommt die Rotation der Erde hinzu. 

Entscheidend für das Magnetfeld der Erde ist nun folgende Beobachtung: In einem guten Leiter wird ein Magnetfeld „gefangen“. Bewegt sich der Leiter, muss das Magnetfeld ihm folgen. Und genau das passiert im äußeren Erdkern. Ein externes Magnetfeld dringt in den Erdkern ein und wird vom flüssigen Eisen gefangen. Dieses externe Magnetfeld folgt dann den Bewegungen des flüssigen Eisens. 

Im äußeren Erdkern existiert ein Rotationsgradient: Je näher du dich am inneren Erdkern befindest, umso schneller rotierst du um die Rotationsachse der Erde. Dieser Rotationsgradient führt dazu, dass das flüssige Eisen die Corioliskraft erfährt und dadurch in helixförmige Bahnen abgelenkt wird. Das externe Magnetfeld folgt dieser helixförmigen Bewegung, wodurch es verzerrte Ringe bildet. Ein solcher „magnetischer Ring “ korrespondiert zu einem elektrischen Strom. Dieser elektrische Strom erzeugt seinerseits ein Magnetfeld, das das externe Magnetfeld verstärkt. Es entsteht das Magnetfeld der Erde.

% Abbildung 5 aus Videoskript einfügen.

Die Zutaten für das Magnetfeld der Erde sind also folgende: Konvektionsströme, die Rotation der Erde und eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit im Erdkern.

Merke: Grundidee hinter dem Erdmagnetfeld

Ein bereits existierendes Magnetfeld im Erdkern, führt zu einem elektrischen Strom. Dieser elektrische Strom erzeugt seinerseits ein Magnetfeld, das das ursprüngliche Magnetfeld verstärkt. 

Jetzt könntest du dich fragen, woher ein externes Magnetfeld kommt. Tatsächlich reicht die kleinste thermische Bewegung im äußeren Erdkern dafür aus, dass es zu einem zufälligen elektrischen Strom kommt. Dieser Strom erzeugt dann das externe Magnetfeld, das durch den Dynamoeffekt verstärkt wird, um das Magnetfeld der Erde zu bilden.

Erdmagnetfeld Stärke und Form

Das Magnetfeld der Erde besitzt eine Stärke, die zwischen 30 Mikrotesla (\mathsf{\mu T}) und 60 Mikrotesla liegt. Zum Vergleich: Ein typischer Hufeisenmagnet besitzt eine Stärke von 0,1 Tesla; ein Kernspintomograph für die Anwendung am Menschen eine Stärke zwischen 0,35 bis 3 Tesla. 

Die Form des Erdmagnetfelds erinnert an der eines Stabmagneten. Von außen betrachtet, sieht es so aus, als würde sich im Erdinneren ein gigantischer Stabmagnet befinden. Er ist um etwa 11° relativ zur Rotationsachse geneigt und sein Südpol zeigt in Richtung des geografischen Nordpols der Erde.

% Abbildung 2 aus Videoskript einfügen.

Erdmagnetfeld Umpolung

In diesem Abschnitt erklären wir dir kurz, was mit der Umpolung des Erdmagnetfelds gemeint ist und welche Bedeutung das für das Leben auf der Erde hat.

Phänomen und Bedeutung

Die Bezeichnung „Umpolung“ bedeutet, dass die Positionen der magnetischen Pole vertauscht werden. Nimm dir einen Stabmagneten zur Hand, sodass der Südpol nach oben zeigt. Nun rotierst du den Stabmagnet um 180°, sodass der Südpol nach unten zeigt. Damit hast du den Stabmagneten erfolgreich umgepolt. 

% Abbildung 1 aus Videoskript einfügen.

Durch Untersuchungen an Gesteinen konnte festgestellt werden, dass es in den letzten 84 Millionen Jahren zu 183 solcher Umpolungen kam. Die letzte Umpolung geschah vor 780.000 Jahren. Vielleicht stellst du dir nun die Frage, ob es nicht an der Zeit ist, dass es erneut zu einer Umpolung kommt. Tatsächlich scheinen die Umpolungen zufällige Ereignisse zu sein. Das bedeutet, dass Aussagen wie „es ist an der Zeit, dass…“ keinen Sinn machen. 

Angenommen aber, es kommt zur Umpolung. Hat das irgendwelche Konsequenz für das Leben auf der Erde? Auf jeden Fall würde die Navigation mit dem Kompass am Anfang nicht funktionieren. Ebenso hätten Tiere wie Vögel, Meeresschildkröte und Wale anfangs Probleme mit der Orientierung. Es wäre aber nur eine Frage der Zeit bis sich die Navigation mit dem Kompass und die Orientierung der Tiere wieder „einpendelt“.

Schlimmere Konsequenzen wie der Ausfall jeglicher Technologie ist derzeit nur eine Hypothese. Das Magnetfeld der Erde wird schwächer, dadurch gelangt mehr gefährliche Strahlung auf die Erde. Welche genauen Konsequenzen das aber hat, wird noch untersucht. 

Magnetfeld der Erde Nutzen

In diesem letzten Abschnitt gehen wir kurz darauf ein, welche wichtigen Aufgaben das Magnetfeld der Erde erfüllt.

Abschirmung und Orientierung

Eine der wichtigsten Aufgaben des Erdmagnetfelds ist die Abschirmung des Sonnenwindes: Das Erdmagnetfeld erzeugt eine sogenannte Magnetosphäre, die die Erde umgibt. Der Sonnenwind besteht aus hochenergetischen Teilchen. Eine fehlende Abschirmung könnte beispielsweise dazu führen, dass die Ozonschicht verringert wird. Diese Schicht schützt die Erde und damit die Menschen vor gefährlicher ultravioletter Strahlung. Ohne das Magnetfeld der Erde, würde daher mehr von solcher Strahlung auf den Menschen treffen und unter anderem das Krebsrisiko erhöhen.

Neben der Abschirmung dient das Erdmagnetfeld auch zur Orientierung. Mit Hilfe eines Kompasses können Menschen ihre Route durch einen Wald planen. Tiere wie Wale, Tauben und Honigbienen nutzen das Magnetfeld der Erde, um sich zu orientieren.

% Abbildung 3 aus Videoskript einfügen.

Datierung

Der Paläomagnetismus hat als Ziel, die Geschichte des Erdmagnetfelds zu verfolgen. Es werden dabei Gesteine (zum Beispiel Lavagestein) untersucht, die unter anderem das Mineral Magnetit enthalten. Dieses Mineral orientiert sich zum Zeitpunkt seiner Bildung an das Erdmagnetfeld. Das Mineral ist wie eine Aufzeichnung über die Richtung und Intensität des Erdmagnetfelds zum Zeitpunkt seiner Bildung. Diese Aufzeichnung liefert nicht nur Informationen über das Verhalten des Erdmagnetfelds in der Vergangenheit, sondern auch über die Bewegung einzelner Platten der Erdkruste. 

Anhand dieser Aufzeichnungen lässt sich zeitlich einordnen, wann sich das Magnetfeld der Erde umgepolt hat. Du erhältst eine Art Zeitskala, die dir angibt, wann Umpolungen stattgefunden haben und wie lange diese angedauert haben, bevor es zur nächsten Umpolung kam. Damit können Forscher das Alter jedes Gesteins auf dem Meeresboden ermitteln, ohne tatsächlich Proben zu sammeln.

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