Geologie Satelliten erkunden das Erdmagnetfeld

Wann kippen die Pole um? Und warum schwächelt das Erdmagnetfeld? Die Satellitenmission "Swarm" soll einige der Rätsel um die zweite Haut der Erde lösen.

© GFZ Potsdam

Die Grafik stellt das Magnetfeldsignal der Erdkruste in 100 Kilometern Höhe dreidimensional dar. Der herausstechende Zipfel ist die Kursk-Magnetfeldanomalie über einem Eisenerzlager in Russland

Sie ist einfach da, ohne dass man sie bemerkt. Die schützende Magnetosphäre ist unsichtbar , geruchlos und wird auch nicht durch unseren Lebenswandel in Mitleidenschaft gezogen wie die zweite Schutzhülle unseres Planeten, die Atmosphäre. Nur selten zieht sie unsere Aufmerksamkeit auf sich, etwa wenn Polarlichter aufleuchten.

Auch für die Wissenschaft ist sie zwar keine Unbekannte, aber doch eine wenig Beachtete. Dabei ist das Erdmagnetfeld keineswegs ein starres Skelett aus Feldlinien, die unveränderlich in den Kosmos ragen. Wie ein Gummiball werden sie zuweilen verbeult, so dass Kommunikationssatelliten schutzlos dem Sonnenwind ausgesetzt sind und Schaden nehmen können. "Auch die Übermittlung von GPS-Signalen kann von magnetischen Phänomenen empfindlich gestört werden", sagt Hermann Lühr vom Deutschen Geoforschungszentrum in Potsdam (GFZ) . Mit einem Verbund von drei Satelliten namens Swarm wollen europäische Wissenschaftler von 2012 an die Magnetosphäre unseres Planeten genau studieren und rechtzeitig vor gefährlichen Änderungen warnen. Koordiniert wird das Vorhaben am GFZ.

"Das Erdmagnetfeld ist in Wirklichkeit etwas komplizierter als der große Stabmagnet, den man sich im Innern des Globus vorstellt", sagt der Geophysiker Lühr, zugleich Projektleiter für Swarm . Sieben unterschiedliche Magnetfeldquellen tragen dazu bei. Das bedeutendste ist dennoch das vom "Geodynamo" im Erdkern erzeugte Hauptfeld. Tief unten, im Zentrum der Erde, befindet sich ein heißer Kern aus festem Eisen. Drumherum strömt flüssiges Eisen, das gewaltige Walzen bildet, die mehrere hundert Kilometer messen. Angetrieben werden sie von der Hitze des festen Kerns. Diesen "Konvektion" genannten Vorgang kann man auch einige Nummern kleiner in einem Kochtopf beobachten. "Wenn sich ein elektrischer Leiter, eben das flüssige Eisen, bewegt, entsteht ein Magnetfeld", sagt Lühr.

Ein weiteres Magnetfeld entsteht in der Hochatmosphäre jenseits von 100 Kilometern Höhe. Wenn tagsüber die Sonne scheint, werden die wenigen Moleküle ionisiert und sind damit leitend. Sobald sich die leitende Luft bewegt, tritt der gleiche Effekt ein wie im Erdkern. Ein Magnetfeld entsteht. Es ändert sich mit dem Gang der Sonne und folgt damit "solaren Gezeiten".

"Diese Veränderungen machen bis zu fünf Prozent der gesamten magnetischen Feldstärke aus", berichtet Lühr. Einen viel kleineren Einfluss, nämlich nur etwa ein Zwanzigtausendstel, steuert der Ozean bei. Im Zwölf-Stunden-Rhythmus der bekannten lunaren Gezeiten schwappen die Weltmeere hin und her. Das Salzwasser enthält ebenfalls Ionen, die sich im Hauptmagnetfeld bewegen. Dadurch wird ein Stromfluss induziert, der wiederum ein weiteres Magnetfeld erzeugt.

Im Gegensatz zu diesen periodischen Änderungen gibt es auch abrupte Wechsel, mit teils schweren Folgen. So hat der Satellit Champ , dessen Mission vor wenigen Wochen mit einem Wiedereintritt in die Atmosphäre ein heißes Ende nahm, weitere rätselhafte Magnetfelder in der Hochatmosphäre entdeckt. "Man hat immer wieder beobachtet, dass GPS-Signale dort oben in der Ionosphäre gestört werden", sagt Lühr.

Champ , der in dieser Schicht die Erde umkreiste, hat das Rätsel gelöst. Wenn die Sonne untergeht, endet die Ionisation der Hochatmosphäre. Vor allem in den tieferen Schichten neutralisieren sich die geladenen Teilchen, während weiter oben noch Ionen vorhanden sind. "Diese Schicht sackt ab, dabei werden die Ionen verwirbelt, und es entstehen kleine Magnetfelder, die allerdings stark genug sind, um GPS-Signale zu behindern."

Die Swarm -Satelliten werden ebenfalls in dieser Höhe fliegen und das Phänomen erforschen. Bekannt ist, dass die Störungen in Gebieten von rund 100 Kilometern Größe auftreten und vor allem in Äquatornähe vorkommen. Langfristig könnten Wissenschaftler mit Swarm eine Art Weltraumwettervorhersage machen, die sinngemäß mitteilt: "Heute ist vor allem die Gegend um Rio de Janeiro betroffen, während um Jakarta keine Probleme zu erwarten sind."