Letzte Umpolung des Erdmagnetfelds präziser bestimmt
C-14-Analyse subfossiler Kauri-Bäume gestattet Synchronisation verschiedener Klimaarchive.
Das Erdmagnetfeld unterliegt permanenten Schwankungen und gelegentlich kommt es sogar zu Umpolungen. Deren Ursachen, Verlauf und Auswirkungen sind bislang nicht vollständig geklärt. Wissenschaftler haben nun das Laschamps-Ereignis, die letzte vollständige – allerdings nur kurzzeitige – Umpolung des Erdmagnetfeldes vor rund 42.000 Jahren, untersucht. Bei diesem änderte das Magnetfeld nicht nur seine Richtung, es verlor über einen Zeitraum von mehreren Hundert Jahren auch dramatisch an Stärke und schwächte sich innerhalb von rund 500 Jahren auf sechs bis null Prozent ab. Während einer Zeitspanne von rund 500 Jahren blieben die Pole vertauscht, mit einer Feldstärke, die unterhalb von 28 Prozent des heutigen Wertes variierte, um sich danach im Laufe von rund 250 Jahren wieder umzukehren.
Diese genaue zeitliche Einordnung ist jetzt möglich durch die Verknüpfung verschiedener Datensätze. Zum einen nutzten die Forscher Ergebnisse über das Erdmagnetfeld aus Sediment-Bohrkernen des Schwarzen Meeres von Norbert Nowaczyk und Team aus dem Jahr 2013, die über zeitgleich dokumentierte Klimavariation mit grönländischen Eisbohrkernen abgeglichen wurden.
Zum zweiten wurde die genaue Analyse und Datierung der Ereignisse überhaupt erst möglich durch die Radiokarbon- (14C-) Analyse eines subfossilen Kauri-Baumes, der in der fraglichen Zeit für rund 1700 Jahre in den Wetlands von Ngawha im Norden Neuseelands wuchs und anschließend in den Sümpfen sehr gut konserviert wurde.
Über diesen Fund ungefähr aus der Zeit von vor 40.000 Jahren hatte Chris Turney, heute Leiter der Chronos 14Carbon-Cycle Facility der University of New South Wales (UNSW), vor einigen Jahren bei einem Besuch am Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam (GFZ) berichtet. „Als Geomagnetiker hatte ich gleich eine Verknüpfung mit dem Laschamps-Ereignis im Kopf und 14C-Analysen vorgeschlagen, die bis dato an Bäumen aus dieser Zeit noch nicht gemacht worden waren“, sagt Nowaczyk, der am GFZ das Labor für Paläo- und Gesteinsmagnetik leitet.
Der Hintergrund: Mit dem Schwinden des Magnetfelds geht der Erde ein wichtiger Schutzschild vor kosmischer Strahlung zumindest teilweise verloren. Das spiegelt sich auch in erhöhten Anteilen des radioaktiven Kohlenstoff-Isotops 14C in den Bäumen wider. Dieses wird dann nämlich in der Erdatmosphäre beim Bombardement von Stickstoff mit hochenergetischen, elektrisch geladenen kosmischen Partikeln verstärkt gebildet.
„Die subfossilen Kauri-Bäume sind ein spannendes Archiv der Atmosphärenzusammensetzung“, sagt Florian Adolphi, Paläoklimatologe am Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI). Diese Bäume können mehrere tausend Jahre alt werden und zeichnen während ihres Wachstums jährliche Variationen des atmosphärischen Radiokarbongehalts auf, welche das Forschungsteam präzise gemessen hat.
„Diese Daten verbessern die Kalibrierungskurve für Radiokarbondatierung und erlauben somit eine genauere Datierung verschiedenster Klimaarchive und Fossilien. Außerdem ermöglichen sie einen direkten Vergleich zu Eisbohrkernen: Dort gemessene Beryllium-Isotope zeigen ähnliche Schwankungen wie das Radiokarbon in den Bäumen, da die Produktion beider Isotope in der Erdatmosphäre von der Intensität der kosmischen Strahlung abhängt, welche auf die Erde trifft“, erläutert der Koautor der Studie. Er nutzte diesen Effekt, um Bäume und Eisbohrkerne mit hoher Präzision zu synchronisieren und die Unsicherheit des Vergleichs beider Archive von mehreren tausend Jahren auf etwa 100 Jahre zu reduzieren.
Um weitere Auswirkungen des schwachen Erdmagnetfeldes auf die Atmosphäre und damit auch auf das globale Klima zu untersuchen, haben die Forscher Simulationen der Atmosphärenchemie durchgeführt. Dabei stellten sie unter anderem einen Rückgang des Ozons fest. „Ungefilterte Strahlung aus dem Weltraum zerriss Luftpartikel in der Erdatmosphäre, trennte Elektronen ab und emittierte Licht - ein Prozess, der Ionisierung genannt wird“, erläutert Turney. Das löste eine Welle von Veränderungen in der Atmosphäre aus. Dazu gehörten auch vermehrt Polarlichter, die damals nicht nur in Polnähe, sondern über den ganzen Globus zu beobachten gewesen sein dürften.
Weitere Analysen der Auswirkungen des schwachen Magnetfeldes in dieser Richtung seien angesichts aktueller Entwicklungen wichtig, sagt Nowaczyk. Denn das Erdmagnetfeld schwächelt bereits seit rund 2000 Jahren wieder. Verglichen mit den ersten direkten Messungen vor 170 Jahren wurde eine Abschwächung um neun Prozent festgestellt, im Bereich des Südatlantiks sogar um dreißig Prozent. Ob sich damit für die kommenden ein- bis zweitausend Jahre wieder eine Polumkehr ankündigt, ist allerdings umstritten. Unsere heutige, sehr auf Elektronik basierende Gesellschaft würde ein Zusammenbrechen des natürlichen Strahlenschutzschildes dennoch vor große Herausforderungen stellen.
Auf Basis dieser neuen Möglichkeiten zur zeitlichen Einordnung der Ereignisse vor 42000 Jahren stellen die Hauptautoren der Studie noch weiterreichende Hypothesen über die Auswirkungen der Erdmagnetfeld-Umkehr auf – etwa hinsichtlich des Aussterbens der Neandertaler oder dem Einsetzen von Höhlenmalereien. Dass hier kausale Zusammenhänge bestehen, hält Nowaczyk nicht für ausgeschlossen, aber eher für unwahrscheinlich.
UNSW / AWI / GFZ / LK
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
A. Cooper et al.: A global environmental crisis 42,000 years ago, Science 371 (2021) 8677, 811-818; DOI: 10.1126/science.abb8677 - University of New South Wales (UNSW), Chronos 14Carbon-Cycle Facility
- Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI), MArine Geochemie
- Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Sektion 4.3: Klimadynamik und Landschaftsentwicklung
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