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Magnetfeldumschlag in einem „Augenblick“

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 11.07.2016 08:58

Gewöhnlich rechnen Geowissenschaftler in gewaltigen Zeiträumen, Jahrmillionen werden da schnell zu einem Wimpernschlag. Hin und wieder aber hat es selbst die Erde eilig. Auf der Jahrestagung der Europäischen Geowissenschaftlichen Union berichtete ein italienischer Geologe von einem solchen Blitzereignis. Die jüngste Umpolung des Erdmagnetfeldes hat italienischen Seesedimenten zufolge weniger als 20 Jahre in Anspruch genommen.

„Wir haben entsprechende Sedimente in einem Tal der Abruzzen gefunden und dort dauerte die Umpolung zwischen zehn und 20 Jahren“, berichtete der Geologe Leonardo Sagnotti in Wien. Innerhalb von weniger als zwei Jahrzehnten verlief damals die bislang jüngste Inversion des Erdmagnetfeldes, bei der die Ausrichtung der Feldlinien von Süd auf das seither bestimmende Nord wechselte.

Das Erdmagnetfeld in der Theorie. (Bild: GFZ)

Das Erdmagnetfeld in der Theorie. (Bild: GFZ)

Sagnotti ist Leiter des Paläomagnetik-Labors beim Italienischen Institut für Geophysik und Vulkanologie (INGV) in Rom und legte auf der EGU-Jahrestagung die bislang genaueste Chronologie dieser Inversion vor. Seine Kollegen und er haben akribisch die im Valle Peligna anstehenden Sedimente eines schon lange trocken gefallenen Paläosees durchgesehen. „Wir haben die Sedimente millimeterweise auf magnetische Signale hin untersucht und konnten die Umpolung in einer drei Millimeter dicken Schicht identifizieren“, erklärte Sagnotti in Wien. Das Tal um die alte bis in die frühe Römerzeit zurückreichende Stadt Sulmona liegt etwa 100 Kilometer östlich von Rom und ist rund 100 Quadratkilometer groß. Im mittleren Pleistozän, in dem die jüngste Magnetfeldumkehr stattfand, befand sich hier für einige Hunderttausend Jahre ein großer See. Er hinterließ die Sedimente, die die Umpolung des Erdmagnetfeldes speicherten. Heutzutage sind die Sedimente am Talgrund frei zugänglich, oft liegen sie als Kalksteinkliffs sogar offen.

Vier Umpolungen in einer Million Jahre


Das irdische Magnetfeld ändert in unregelmäßigen Abständen seine Ausrichtung. Während der vergangenen 30 Millionen Jahre ist eine solche Inversion etwa vier Mal in einer Million Jahre vorgekommen. Das ist allerdings nur ein sehr grober Mittelwert, die jüngste Brunhes-Matuyama-Umpolung zum Beispiel, über deren Spuren Leonardo Sagnotti berichtete, liegt bereits gut 780.000 Jahre zurück. Der Polaritätswechsel ist der Höhepunkt einer wesentlich längeren Schwächeperiode des Magnetfeldes, die offenbar mit Strömungsänderungen im flüssigen äußeren Erdkern zusammenhängt. Das normalerweise vorherrschende Dipol-Feld mit seinen von Pol zu Pol ausgerichteten Linien verliert immer stärker an Intensität, während lokale oder regionale Anomalien stärker werden, die anders ausgerichtete Magnetfelder aufbauen. Irgendwann kann das Dipol-Feld so stark geschwächt sein, dass es verschwindet und sich mit umgekehrter Ausrichtung wieder aufbaut.

Das schwach ausgeprägte Magnetfeld über dem Südatlantik. (Bild: ESA)Dieser Moment der Umpolung ist im Kalkstein des Valle Peligna gespeichert. „Sagnotti und seine Kollegen haben die extrem schnelle Dynamik der jüngsten Umpolung beschrieben“, sagt der Magnetfeldspezialist Julien Aubert, Forschungsdirektor am Pariser Institut du Physique du Globe, „aber die schnelle Richtungsänderung bedeutet nicht, dass sich auch die Intensität des Feldes so schnell geändert hat.“ Auch Leonardo Sagnotti geht davon aus, dass der extrem kurze Magnetfeld-Flip eingebettet war in eine lange Periode der allgemeinen Magnetfeldschwäche: „Die plötzliche Umpolung war am Ende einer Periode geomagnetischer Instabilität, die vielleicht 4000 bis 5000 Jahre dauerte.“ Die Seesedimente zeigen sogar, dass es in dieser langen Schwächeperiode bereits vor der Inversion eine unvollständige Feldumkehr, eine sogenannte Exkursion, gegeben hat, nach der das Feld jedoch seine alte Ausrichtung wieder annahm.

Solche Exkursionen, bei denen das Feld nur kurzzeitig und regional begrenzt seine Ausrichtung ändert, sind wesentlich häufiger als die komplette Feldumpolung. Sie sind Zeichen dafür, dass das vorherrschende Dipol-Feld mit seinen Süd-Nord-Linien ein wesentlich komplexeres Geschehen im Geodynamo überdeckt. Erst wenn das Hauptfeld nachhaltig geschwächt ist, können sich die schwächeren Phänomene bemerkbar machen. „Richtungsänderungen können an verschiedenen Stellen der Erde relativ unterschiedlich ablaufen“, sagt Monika Korte, Leiterin der Arbeitsgruppe "Langzeitvariationen des Erdmagnetfelds" beim Deutschen Geoforschungszentrum (GFZ) in Potsdam, „das kann an einigen Orten durchaus mit einer solchen Geschwindigkeit die Richtung ändern, aber das heißt nicht, dass weltweit die komplette Feldumkehr auf diesen Zeitskalen abläuft.“ Eine GFZ-Arbeitsgruppe unter der Leitung von Norbert Nowaczyk hat an Sedimenten aus dem Schwarzen Meer festgestellt, dass dort die sogenannte Laschamp-Exkursion von vor 41.000 Jahren gerade einmal 400 Jahre gedauert hat. Diese Exkursion ist die zweitjüngste bislang datierte, offenbar änderte damals das Erdmagnetfeld für eine kurze Zeit weltweit seine Ausrichtung, flippte danach aber zurück in die ursprüngliche Formation.

Irdisches Magnetfeld schwächt sich derzeit ab


Derzeit befindet sich das Erdmagnetfeld wieder in einer Abschwächungsphase. „Seit zwei Jahrhunderten sinkt die Feldintensität permanent“, berichtet Julien Aubert, der an seinem Institut vor allem an Magnetfeldprognosen arbeitet. „Man kann sie mit Wettervorhersagen vergleichen“, erzählt der Geophysiker, „sie sind für eine gewisse Zeit sehr verlässlich, doch dann kommt der Schmetterlings-Effekt zum Tragen.“ Will heißen, dass dann nach und nach kleine Effekte den Fortgang beeinflussen und eine Prognose zunehmend unmöglich wird. Bei der Wetterprognose endet die Zuverlässigkeit spätestens nach 14 Tagen, bei der Magnetfeldprognose beträgt dieser Zeitraum etwa ein Jahrhundert.

Das Magnetfeld der Erde in einer Computersimulation. (Bild: MPI für Aeronomie) Aubert und seine Kollegen können daher relativ sicher vorhersagen, dass sich das Magnetfeld bis ins kommende Jahrhundert hinein immer stärker abschwächen wird. Doch wie es dann weitergeht, ist ungewiss. „Würde die derzeit beobachtete Rate, die wir auch für das nächste Jahrhundert vorhersagen, beibehalten, würde das Magnetfeld in rund 2000 Jahren verschwunden sein“, so Aubert. Ob jedoch tatsächlich ein Magnetfeldwechsel bevorsteht, ob es wieder nur eine Exkursion gibt oder ob sich das Feld aus einer derzeitigen Schwächephase zu neuer Stärke aufschwingt, kann nach menschlichem Ermessen derzeit niemand sagen. „Wir verstehen die Mechanismen einfach noch nicht gut genug“, sagt Monika Korte, „mit unserem jetzigen Wissen würde ich sagen, können wir erst sagen, ob es sich um eine Exkursion oder einer Umkehr handelt, wenn man das wirklich weltweit so beobachtet.“