Auch ein flüssiger Erdkern erzeugt ein Magnetfeld

Wie gut, dass die Erde ein Magnetfeld hat: Es sch¨¹tzt den Planeten und sein Leben vor sch?dlicher kosmischer Strahlung. Andere Planeten unseres Sonnensystems, wie der Mars, sind dauerndem Beschuss durch geladene Teilchen ausgesetzt, die das Leben schwierig machen.

Die Wissenschaft erkl?rt sich die Erzeugung des Magnetfelds mit Mechanismen der Dynamo-Theorie. Diese besagt folgendes: Die fortlaufende langsame Abk¨¹hlung des fl¨¹ssigen Eisen-Nickel-Kerns h?lt im ?usseren Erdkern zirkul?re Str?mungen von fl¨¹ssigem Material aufrecht, sogenannte Konvektionsstr?me. Gleichzeitig lenkt die Erdrotation diese Str?me ab, sodass diese schraubenf?rmig verlaufen. Die Konvektionsstr?me erzeugen dabei elektrische Str?me, die ihrerseits magnetische Felder und damit den Hauptanteil des Magnetfelds der Erde hervorbringen.

Doch die Theorie hat eine L¨¹cke: Bevor der innere Erdkern kristallisierte, also vor rund 1 Milliarde Jahren, war der Erdkern v?llig fl¨¹ssig. Die Frage ist, ob vor dieser Zeit das Magnetfeld stabil erzeugt werden kann.

Fr¨¹hes Magnetfeld l?sst sich simulieren

Ein Dreierteam von Geophysikern der ETH Z¨¹rich und des SUS Tech in China liefern nun in einer neuen Studie in der Fachzeitschrift Nature eine Antwort.

Da sich das Erdinnere und die darin ablaufenden Vorg?nge nicht direkt beobachten lassen, arbeiten Geowissenschaftler:innen mit Computermodellen, um sie zu untersuchen.

So haben die Forscher ein Modell der Erde entwickelt, mit dem sie simulierten k?nnen, ob ein komplett fl¨¹ssiger Erdkern auch ein stabiles Magnetfeld erzeugen konnte. Die Simulationen wurden teilweise auf dem Hochleistungsrechner ?Piz Daint? am CSCS in Lugano berechnet.

In den Simulationen zeigen die Forscher das richtige physikalische Regime auf, in dem die Viskosit?t ¨C also die Z?hfl¨¹ssigkeit ¨C des Erdkerns den Dynamoeffekt nicht beeinflusst. Das bedeutet, dass das Magnetfeld in der Fr¨¹hzeit der Erde auf ?hnliche Weise wie heute generiert wurde.

Das Forschungsteam ist das Erste, dem es gelungen ist, in einem Modell den Einfluss der Viskosit?t des Erdkerns auf einen vernachl?ssigbaren Wert zu minimieren. ?Bisher hat es noch niemand geschafft, solche Berechnungen unter diesen korrekten physikalischen Bedingungen durchzuf¨¹hren?, sagt der Erstautor der Studie, Yufeng Lin.

Vergangenheit des Erdmagnetfelds verstehen

?Diese Erkenntnis hilft uns, die Geschichte des Erdmagnetfeldes besser zu verstehen und ist bei der Interpretation von Daten aus der geologischen Vergangenheit n¨¹tzlich?, sagt Mitautor Andy Jackson, Professor f¨¹r Geophysik der ETH Z¨¹rich.

Auch die Entstehung des Lebens auf der Erde erscheint so in neuem Licht: Es profitierte offenbar schon vor Jahrmilliarden vom magnetischen Schutzschild, der die sch?dliche Strahlung aus dem All abhielt und so die Entwicklung erst erm?glichte.

Die Forschenden k?nnen die neuen Erkenntnisse zudem dazu verwenden, um die Magnetfelder von weiteren Himmelsk?rpern wie der Sonne oder der Planeten Jupiter und Saturn zu untersuchen.

Unabdingbar f¨¹r moderne Zivilisationen

Das Magnetfeld der Erde sch¨¹tzt aber nicht nur das Leben, sondern macht auch die Satellitenkommunikation und vieles mehr in der modernen Zivilisation erst m?glich. ?Es ist deshalb wichtig zu verstehen, wie das Magnetfeld entsteht, sich ¨¹ber die Zeit ver?ndert und welche Mechanismen es aufrechterhalten?, sagt Jackson. ?Wenn wir verstehen, wie das Magnetfeld generiert wird, k?nnen wir seine k¨¹nftige Entwicklung vorhersagen.?

Das Magnetfeld hat im Laufe der Erdgeschichte tausende Male seine Polarit?t gewechselt. In den letzten Jahrzehnten beobachteten Forschende auch eine rasche Verschiebung des magnetischen Nordpols hin zum geografischen Nordpol. F¨¹r unsere Zivilisation ist es essenziell, zu verstehen, wie sich der Magnetismus auf der Erde ver?ndert.

Diese Studie wurde unter anderem ¨¹ber einen ERC Advanced Grant 2019 an Andy Jackson finanziert.