21.08.2018

Wenn die Pole wandern

Stalagmiten belegen starke Oszillationen des Erd­magnet­felds in kurzen Zeit­räumen.

Das Erdmagnetfeld schützt nicht nur die Erde vor dem Sonnenwind und kosmischer Strahlung. Es dient auch Tier und Mensch zur Navi­gation. In der Vergangen­heit hat es aber immer wieder Phasen gegeben, in denen das Erd­magnet­feld schwächer geworden ist und während denen die Pole stark gewandert sind oder sich die Polari­sa­tion des Erd­magnet­felds sogar umge­dreht hat. Die Ursachen hierfür sind noch nicht klar ver­standen, aber vermut­lich sind nicht­lineare Prozesse des Geo­dynamos im flüs­sigen äußeren Erdkern für dieses Ver­halten ver­ant­wort­lich. Auch in den letzten Jahr­zehnten ist eine Abschwä­chung sowie eine leichte Ver­schie­bung der magne­tischen Pole zu beob­achten, was Anlass zur Sorge gibt, eine Pol­umkehr könnte bevor­stehen. Das hätte nicht nur Aus­wir­kungen auf die Bio­sphäre, sondern würde auch viele Satel­liten in Gefahr bringen und zu Störungen der welt­weiten Tele­kommuni­ka­tions­netze führen.

Abb.: Stalagmiten wie dieser aus der Sanxing-Höhle in Süd­china eignen sich zur präzisen Rekon­struk­tion geo­magne­tischer Oszil­la­tionen. (Bild: PNAS)

Ein internationales Forscherteam um Chuan-Chou Shen von der Natio­nalen Univer­sität in Taiwan hat jetzt eine besonders unruhige geo­magne­tische Epoche unter­sucht. Es gelang ihnen, aus den Wachs­tums­schichten eines Stalag­miten Proben zu gewinnen, die sowohl eine Rekon­struk­tion des Erd­magnet­felds als auch eine präzise Datie­rung zuließen. Wie sich heraus­stellte, gab es vor etwa hundert­tausend Jahren eine mehrere tausend Jahre währende Epoche, in der ein schwaches Erd­magnet­feld mit starken Oszil­la­tionen und wieder­holten schnellen Wande­rungen des magne­tischen Nord­pols bis in die süd­liche Hemi­sphäre einher­ging. Die Wissen­schaftler konnten die zeit­liche Ent­wick­lung dieser Phase mit zuvor uner­reichter Genauig­keit nach­zeichnen.

Der untersuchte Stalagmit stammte aus der Sanxing-Höhle in der Provinz Guizhou im süd­lichen China. Die Wissen­schaftler hatten ihn unter anderem wegen seines gleich­mäßigen Wuchses ausge­wählt. Der Stalagmit befand sich etwa acht­hundert Meter vom Eingang der zwei Kilo­meter langen Höhle ent­fernt, war unge­fähr ein Meter lang und hatte einen Durch­messer von acht Zenti­metern. Der kerzen­förmige Tropf­stein besaß eine gelb­liche bis dunkel­braune Färbung.

Die Verwendung von Stalagmiten für paläomagnetische Untersuchungen besitzt einige positive Eigen­schaften. Zwar muss man erst einmal einen passenden Tropf­stein finden, der im ent­spre­chenden Zeit­raum gleich­mäßig gewachsen ist. Im Gegen­satz zu Vulkan­aus­brüchen, die nur spora­disch statt­finden, lässt sich an ihnen aber eine konti­nuier­liche Ent­wick­lung ablesen. Sedi­mente wiede­rum wachsen zwar eben­falls gleich­mäßig, bei ihnen gestaltet sich aber die Radio­iso­topen-Datie­rung schwieriger und die magne­tischen Signale in den abge­lagerten Schichten können sich zum Teil gegen­seitig ver­fälschen.

Die Forscher schnitten den Stein für ihre Analysen in 194 Segmente. Die Alters­bestim­mung war mit Hilfe der Uran-Thorium-Radio­iso­topen-Methode möglich und lieferte eine sehr gute Datie­rung mit Unsicher­heiten im Bereich von nur wenigen Dutzend Jahren – wichtig, wenn man kurz­zeitige Exkur­sionen der Pole nach­ver­folgen will. Die Bestim­mung der Magneti­sie­rung erfolgte unter anderem mit einem hoch­auf­lösenden Kryo-Magneto­meter in einem besonders gut abge­schirmten paläo­magne­tischen Labor der Chine­sischen Akademie der Wissen­schaften in Peking.

Abb.: Das Erdmagnetfeld schützt die Erde vor Sonnen­wind und kosmischer Strah­lung, kann sich aber in kurzen Zeit­räumen bedeu­tend ver­ändern. (Bild: PNAS)

Die Magnetdaten zeigen mehrere Phasen besonders starker Fluktua­tionen. Vor etwa 105.000 Jahren gab es mindes­tens drei Phasen, in denen der magne­tische Nordpol bis in die Äquator­regionen rutschte und sehr schnelle Oszil­la­tionen zeigte. Die Exkur­sionen dauerten zwischen etwa hundert und einigen hundert Jahren, unter­brochen von mehrere hundert Jahren geo­magne­tischer Norma­lität. Vor etwa 98.300 Jahren gab es dann eine weitere Phase mit einer starken Exkur­sion des magne­tischen Nord­pols tief in die süd­liche Hemi­sphäre. Besonders über­raschend hieran war die Geschwin­dig­keit, mit der sich diese Pol­wande­rung voll­zog: Die Uran-Thorium-Daten weisen auf einen Zeit­raum von gerade einmal 144 ± 58 Jahren hin.

Eine ähnlich schnelle Poldrift ließ sich bislang an anderen paläo­magne­tischen Proben nicht ein­deutig nach­weisen. Zwar gab es Hin­weise von anderen Typen unter­suchter Gesteine, etwa von Lava oder aus Sedi­menten in Gewässern. Bei diesen dürfte aber unter anderem eine spätere Remagne­tisie­rung die Daten ver­fälscht haben.

Nach dieser Polumkehr folgten wiederum eine Zeitlang starke Fluktua­tionen des Erd­magnet­felds, die sich über einen Zeit­raum von rund ander­thalb Jahr­tausenden erstreckten und nach denen sich der Pol dann für ähn­lich lange Zeit in Äquator­nähe stabi­li­sierte.

Dieses erstaunliche Verhalten lässt sich bislang kaum model­lieren und wirft auch einige Fragen zum zukünf­tigen Ver­halten des Erd­magnet­felds auf. Die mitunter chao­tischen Ver­hält­nisse im äußeren Erd­kern haben offen­sicht­lich einige Über­raschungen zu bieten. Eine völlige Umkehr der Polari­sie­rung des Erd­magnet­felds geschieht auch auf geo­lo­gischen Zeit­räumen zwar nur selten. Wie die neuen Ergeb­nisse zeigen, können starke Fluktu­a­tionen und Pol­wande­rungen aber auch in erstaun­lich kurzen Zeit­räumen auf­treten und gehen mit einem ins­ge­samt abge­schwächten Erd­magnet­feld ein­her. In den letzten hundert Jahren ist das Erd­magnet­feld etwa zehn Prozent schwächer geworden. Man darf gespannt bleiben, wie es sich weiter ent­wickeln wird.

Dirk Eidemüller

RK

ContentAd

Kleinste auf dem Markt erhältliche Hochleistungs-Turbopumpe

Kleinste auf dem Markt erhältliche Hochleistungs-Turbopumpe

Die HiPace 10 Neo ist ein effizienter, kompakter Allrounder für den Prüfalltag, der geräuscharm und besonders energieeffizient ist.

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Meist gelesen

Themen