Häufig gestellte Fragen zum Thema Erdmagnetismus

Was ist das Erdmagnetfeld?

Die Erde ist von einem magnetischen Feld umgeben. Bildlich ist es näherungsweise als magnetisches Dipolfeld mit einem Nord- und einem Südpol, wie das Feld eines Stabmagneten, vorstellbar. Die Pole des Erdmagnetfelds fallen allerdings nicht mit den geographischen Polen zusammen.Die Achse des magnetischen Dipolfeldes ist derzeit um etwa 10 Grad gegenüber der Erdrotationsachse geneigt. Das Erdmagnetfeld umschließt die Erde und wirkt als Schutzschild gegen die hochenergetischen Teilchen, die als Sonnenwind auf die Erde treffen.

Bei genauerer Betrachtung sind großräumige Abweichungen von der Dipolstruktur zu verzeichnen, deren Ursachen - wie der starke Dipolanteil - tief aus dem Erdinnern kommen. Das Erdmagnetfeld hat an verschiedenen Orten der Erde daher sehr unterschiedliche Stärke und Richtungen, und es ändert sich zudem ständig. Deshalb sind kontinuierliche weltweite Messungen zu seiner Beschreibung und seinem Verständnis notwendig.


Woher kommt das Erdmagnetfeld?

Das an der Erdoberfläche gemessene Feld hat verschiedene Quellen. Den größten Anteil hat mit über 90% das an der Erdoberfläche beobachtete Hauptfeld, das durch den Geodynamo-Prozess, durch Induktionsvorgänge im äußeren, flüssigen und elektrisch leitfähigen Erdkern entsteht. Magnetisierte Gesteine in der Erdkruste nah unter der Erdoberfläche erzeugen das Krustenfeld (auch Lithosphärenfeld), welches in Form von lokalen bis regionalen Anomalien dem Hauptfeld überlagert ist. Diese beiden Anteile werden aufgrund ihrer Quellen innerhalb der Erde auch als internes Feld bezeichnet.

Weiter gibt es die externen Anteile, die außerhalb der Erde erzeugt werden. Es handelt sich dabei um induzierte Felder von Stromsystemen in der Ionosphäre (ca. 100-300 km oberhalb der Erde) und in der Magnetosphäre ( 3-6 Erdradien Abstand), die sich unter dem Einfluss der Sonneneinstrahlung und des Sonnenwindes ständig ändern. Die Stärke dieser externen Anteile ist wesentlich schwächer als die des Hauptfeldes (Messung des Erdmagnetfelds), aber sie sind starken zeitlichen Schwankungen unterworfen. Dadurch führen die externen Felder, je nach elektrischer Leitfähigkeit des Untergrunds, auch noch zu sekundären Feldanteilen durch Induktion in der Erdkruste und im Erdmantel. Durch die gute Leitfähigkeit von Meerwasser zeigen selbst Ozeanströmungen noch messbare Effekte im beobachteten Erdmagnetfeld.


Ändert sich das Erdmagnetfeld?

Ja, und zwar auf sehr vielen Zeitskalen. Wie oben erwähnt, zeigen die externen Anteile starke Schwankungen in der Größenordnung von Bruchteilen von Sekunden bis hin zu einigen Tagen (magnetische Stürme). In langfristigen Registrierungen sind auch saisonale Schwankungen erkennbar. Hauptursachen sind Schwankungen im Sonnenwind und Auswirkungen der Sonneneinstrahlung auf die Ionosphäre. Auch das interne Hauptfeld ändert sich, aber langsamer (Säkularvariationen).


Was ist die Säkularvariation?

Die Änderung des magnetischen Kernfelds wird als Säkularvariation bezeichnet, da sie relativ langsam vor sich geht. In Magnetfeldbeobachtungen ist sie erst über mehrere Jahre als stetige Änderung von Feldstärke und -richtung erkennbar. Die Säkularvariation hat auch eine Änderung der Lage der Pole zur Folge. Das Erdmagnetfeld hat sich im Zeitraum von Jahrmillionen mehrmals umgepolt (Feldumkehr, Reversal).


Was ist eine Feldumkehr (Reversal)?

Im Zeitraum von Jahrmillionen hat sich das Erdmagnetfeld mehrfach komplett umgekehrt, so dass der heutige Nordpol der Südpol war. Der eigentliche Prozess einer Umpolung dauert vermutlich einige tausend Jahre, die Häufigkeit der Umkehrungen ist stark variabel und liegt über die letzten Jahrmillionen im Mittel bei einer Umpolung aller 0,5 Mio Jahre. Wie eine Umkehrung genau vor sich geht, ist noch nicht geklärt. Die Stärke des Erdmagnetfelds nimmt während dieser Zeit ab. Möglicherweise zeigt das Feld während einer Umkehr eine deutlich kompliziertere Struktur mit mehreren Polen, bevor es sich als überwiegendes Dipolfeld mit umgekehrter Richtung wieder aufbaut. Die letzte Umkehrung liegt 0,78 Mio Jahre zurück.


Was ist ein magnetischer Sturm?

Ein magnetischer Sturm kann auftreten, wenn es aufgrund von Eruptionen auf der Sonne zu einer deutlichen Verstärkung der Sonnenwindenergie in Richtung unserer Erde kommt. Wenn die erhöhte Sonnenstrahlung und dieser erhöhte Sonnenwind mit dem Magnetfeld der Erde wechselwirkt, beobachtet man in magnetischen Registrierungen sehr starke Schwankungen. Magnetische Stürme können Auswirkungen auf unsere moderne Technik haben und z. B. zu Störungen des Funkverkehrs, Satellitenausfällen oder im Extremfall sogar zu Stromausfällen führen. Besonders während solcher magnetischen Stürme entstehen auch die bekannten Polarlichter. Wegen des Dipolcharakters des Magnetfeldes ist dieses Phänomen normalerweise nur in der Nähe der Magnetpole zu beobachten. Bei starken magnetischen Stürmen können Polarlichter sogar bis nach Süddeutschland beobachtet werden.

Die Stärke der durch die Sonnenaktivität erzeugten Magnetfeldschwankungen wird durch eine Kennziffer, den Kp-Index, beschrieben. Diese wurde von Julius Bartels im Jahr 1949 als "planetariche Kennziffer" für Zeitintervalle von 3 Stunden eingeführt und findet in dieser Form auch heute noch weite Anwendung. Die fast in Echtzeit zur Verfügung gestellte "Quicklook" Version dieser Kennziffer gibt Auskunft über die aktuelle Stärke der Magnetfeldschwankungen. Kp Werte zwischen 0 und 3 stehen für geringe Aktivität, Werte bis 6 charakterisieren mittlere Aktivität und höhere Werte (bis 9) zeigen starke magnetische Stürme an.

Siehe auch: Ausgewählte Geomagnetische Stürme in Niemegk (seit 1995)


Wie wird das Erdmagnetfeld gemessen?

Grundlage der weltweiten Messungen des Erdmagnetfelds ist ein Netz von magnetischen Observatorien, welche von Universitäten und Forschungseinrichtungen in vielen Ländern betrieben werden. Dort wird kontinuierlich das Erdmagnetfeld mit seinen Schwankungen registriert. Die ältesten Observatorien bestehen seit etwa 170 Jahren. Um eine höhere räumliche Auflösung zu erreichen, werden im regelmäßigen Abstand von einigen wenigen Jahren sogenannte Säkularpunkte zwischen den Observatorien besucht, wo Messungen durchgeführt werden. Zur Untersuchung der kleinräumigen Krustenanomalien dienen aeromagnetische Messungen von Flugzeugen aus. Ähnliche Messungen werden auch von Schiffen aus durchgeführt. Seit einigen Jahren messen mehrere Satelliten das Feld in einigen hundert Kilometern über der Erde mit hoher Genauigkeit.


Wie stark ist das Erdmagnetfeld?

Die gebräuchliche Einheit zur Beschreibung der Stärke des Erdmagnetfels ist Nanotesla (nT) = 10-9Tesla. Diese Einheit beschreibt physikalisch die magnetische Flussdichte, die sich proportional zur Feldstärke verhält.

Die Stärke des Erdmagnetfelds liegt zur Zeit zwischen 25.000nT am Äquator und 70.000nT an den Polen (Abb. Totalintensität). Mit unserem Deklinationsrechner lässt sich auch die Stärke des Erdmagnetfelds für jeden Punkt der Erdoberfläche aus dem IGRF (Magnetfeldmodelle) berechnen. Das Krustenfeld erreicht demgegenüber nur eine maximale Stärke von wenigen 1.000nT. Auch die externen Variationen, die sich über lange Zeiträume fast auf 0 mitteln, haben nur Amplituden von bis zu wenigen 100nT, bei starken magnetischen Stürmen können maximal einige 1.000nT erreicht werden.

Künstliche Magnete haben viel höhere Feldstärken. Sehr starke Elektromagnete besitzen Feldstärken von wenigen Tesla, also mehr als das zwanzigtausendfache des Erdmagnetfeldes. Magnetisierbare Materialien wie Eisen sowie fließende Ströme wirken daher extrem störend auf Messungen des Erdmagnetfelds.


Wie lässt sich das Erdmagnetfeld beschreiben?

Zur vollständigen Beschreibung des Erdmagnetfelds genügt die Stärke allein nicht. Auch die Richtungen im Raum müssen angegeben werden (siehe Vektorenmodell weiter unten). Dies ist zum Beispiel durch zwei Winkel möglich, genannt Deklination (D) und Inklination (I). Daneben ist auch die Angabe von drei rechtwinkligen Komponenten, den Anteilen des Feldes in Richtung geographisch Nord (X), geographisch Ost (Y) und vertikal dazu in die Erde (Z) ist üblich.

Magnetfeldkomponenten-Darstellung in einem orthogonalen Vektorsystem

Die X- und Y-Komponenten liegen parallel zur Erdoberfläche und zeigen in Richtung des geografischen Nordpols, bzw. nach geografisch Ost. Die Richtung und die Stärke des Magnetfeldes wird mit dem Vektor F dargestellt. H ist seine Horizontalkomponente, die ebenfalls parallel zur Erdoberfläche liegt und entlang der Magnetfeldlinien nach magnetisch Nord weist. Rechtwinklig dazu weist die vertikale Komponente (Z) in die Erdoberfläche. Die Inklination (I) ist der Winkel zwischen H und F, also der Winkel unter dem die Magnetfeldlinien auf die Erde treffen. Die Deklination (D) ist der Winkel zwischen der magnetischen (H) und geographischen (X) Nordrichtung.


Was sind Magnetfeldmodelle?

Um die Verteilung des internen Magnetfelds an jedem Punkt der Erdoberfläche zu beschreiben, wird die weltweite Feldverteilung durch mathematische Funktionen dargestellt, die an die weltweiten Messwerte angepasst werden. Daraus lassen sich für jeden Ort der Erde Stärke und Richtung des Magnetfelds ermitteln, z. B. um die Deklination für die Navigation mit dem Kompass anzugeben. Weit verbreitet für praktische Zwecke ist auch das Internationale Geomagnetische Referenzfeld (IGRF), welches das interne Hauptfeld beschreibt und aller 5 Jahre aktualisiert wird. Mit dem Deklinationsrechner lassen sich die IGRF-Werte für jeden Ort auf der Erde berechnen. Für wissenschaftliche Zwecke werden aber auch weit kompliziertere Modelle entwickelt, die ebenso die externen Variationen oder die langfristige Säkularvariation kontinuierlich beschreiben. 

Siehe auch: Modelle des erdmagnetischen Feldes.


Was sind Deklination, Inklination und magnetischer Äquator?

Die Winkel Deklination und Inklination beschreiben die Richtung des Magnetfelds im Raum (siehe auch Vektorenmodell). Die Deklination ist der Winkel zwischen Magnetfeldrichtung und geographischer Nordrichtung. Die Inklination ist der Winkel, mit dem die gedachten Linien des Erdmagnetfelds auf die Erdoberfläche treffen. Auf der Nordhalbkugel ist die Inklination im wesentlichen positiv, auf der Südhalbkugel negativ und am magnetischen Äquator genau Null. Hier verläuft das Magnetfeld parallel zur Erdoberfläche. An den magnetischen Polen ist die Inklination demzufolge 90 Grad. Die Abb. 3 zeigt die weltweite Verteilung der Deklination für das Jahr 2015 nach dem IGRF (siehe Magnetfeldmodelle). Die Deklination läßt sich für jeden Ort der Erde mit dem Deklinationsrechner berechnen.

Weltkarte mit Linien gleicher Deklination nach IGRF 2011.

Wo sind die Magnetpole?

Man unterscheidet zwischen den magnetischen Polen und den geomagnetischen Polen. Die magnetischen Pole sind die Orte, an denen die Inklination 90 Grad beträgt, das Feld also senkrecht auf die Erde trifft. Die geomagnetischen Pole sind die Pole des Dipolfelds; hier schneiden sich die Achse des angenäherten Dipolfelds und die Erdoberfläche. Infolge der Säkularvariation sind magnetische und geomagnetische Pole nicht ortsfest. Nach der physikalischen Definition ist der Pol auf der Nordhalbkugel entsprechend der Richtung der Magnetfeldlinien der magnetische Südpol und umgekehrt. Aber im Allgemeinen wird der magnetische Pol der Nordhalbkugel meist als Nordpol und der der Südhalbkugel als Südpol bezeichnet.

Der magnetische Nordpol liegt zurzeit (2015) in der Arktis bei etwa 86 Grad nördlicher Breite und 160 Grad westlicher Länge. Er bewegt sich gegenwärtig jährlich etwa 40km. Der magnetische Südpol liegt bei etwa 64 Grad Süd, 137 Grad Ost und bewegt sich weniger als 15km im Jahr. Durch die externen Variationen, die sich in hohen Breiten besonders stark auswirken, kann die genaue Lage des Punktes mit 90 Grad Inklination jedoch kurzfristig um bis zu 80km schwanken. Die untere Abbildung zeigt die Positionen des magnetischen (schwarz) und geomagnetischen (rot) Pols auf der Nord- und Südhalbkugel seit 1590.

Darstellung der Wanderung des nördlichen magnetischen (schwarze Punkte) und geomagnetischen Pols (rote Punkte) zwischen 1590 und 2015.
Nördlicher magnetischer (schwarze Punkte) und geomagnetischer Pol (rote Punkte) zwischen 1590 und 2015
Darstellung der Wanderung des südlichen magnetischen (schwarze Punkte) und geomagnetischen Pols (rote Punkte) zwischen 1590 und 2015.
Südlicher magnetischer (schwarze Punkte) und geomagnetischer Pol (rote Punkte) zwischen 1590 und 2015

Wie funktioniert der Magnetkompass?

Die Magnetnadel des Kompasses richtet sich entlang der örtlichen Magnetfeldlinien aus. Sie kann ganz erheblich von der geographischen Nordrichtung abweichen. Da das Feld kein "reines" Dipolfeld ist, ist auch die Aussage "die Kompassnadel zeigt zum magnetischen Pol" für die meisten Orte falsch. Die Abweichung der Kompassnadel von geographisch Nord muss unter Berücksichtigung der örtlichen Deklination korrigiert werden, die durch weltweite Magnetfeldmodelle für jeden Punkt der Erde bestimmt werden kann (Deklinationsrechner). Diese Deklinationswerte gelten großräumig; stark magnetisierte Gesteine können die Kompassnadel lokal zusätzlich ablenken, und bei sehr heftigen magnetischen Stürmen kann die Kompassnadel in hohen geografischen Breiten innerhalb von Minuten um einige Grad schwanken. Eine frei bewegliche Magnetnadel passt sich außerdem dem Neigungswinkel der Magnetfeldlinien (Inklination) an. Diese Neigung muß durch die Gewichtsverteilung der Nadel ausgeglichen werden. Die meisten Kompasse werden speziell für den jeweiligen Einsatzbereich hergestellt. Z. B. sind hierzulande verkaufte Kompasse meist nur für die mittleren Breiten der Nordhalbkugel hergestell. Auf der Südhalbkugel würde so eine einfache Kompassnadel verkanten.


Seit wann wird das Erdmagnetfeld gemessen?

Bereits im 15. Jahrhundert war die Deklination als Abweichung der Magnetnadel von der geographischen Nordrichtung bekannt. Vor allem zu Navigationszwecken wurden daher Deklinationsmessungen auf Schiffen vorgenommen. Auch Inklinationsmessungen wurden schon seit dem 16. Jahrhundert vereinzelt durchgeführt. 1832 entwickelte Carl Friedrich Gauss eine Methode zur Bestimmung der absoluten Intensität des Erdmagnetfelds. Angeregt durch Alexander von Humboldt, wurde auch seit dieser Zeit ein weltweites Netz von geomagnetischen Observatorien aufgebaut, von denen es derzeit etwa 200 gibt. Seit einigen Jahrzehnten wird das Erdmagnetfeld zusätzlich von Satelliten aus gemessen. Der Satellit Magsat war 1980 der erste, der 6 Monate lang die Intensität und zusätzlich durch drei rechtwinklige Komponenten das gesamte Magnetfeld registrierte. Seit 1999 befindet sich der dänische Satellit Ørsted auf der Erdumlaufbahn, der heute noch Intensitätsdaten liefert. Von Juli 2000 bis September 2010 erhielten wir auch von dem deutschen Satelliten CHAMP unter anderem sehr hochwertige Magnetfelddaten. Die ESA Magnetfeldmission Swarm, die aus einer Konstellation von 3 baugleichen Satelliten besteht, wurde im November 2013 gestartet.


Woher wissen wir von Feldumkehrungen?

Informationen über das Erdmagnetfeld aus der Zeit vor dem Beginn der direkten Messungen lassen sich aus der permanenten Magnetisierung von bestimmten Gesteinen und archäologischen Artefakten gewinnen. Oberhalb einer für jedes Material spezifischen Temperatur, der Curie-Temperatur, kann keine permanente Magnetisierung bestehen. Daher richtet sich in Lava oder gebranntem Ton die Magnetisierung im heißen Material in Richtung des Erdmagnetfelds aus und wird beim Abkühlen unter die Curie-Temperatur sozusagen "eingefroren". Sind bei der Ablagerung von Sedimenten magnetische Mineralien vorhanden, richten sich diese ebenfalls an der Magnetfeldrichtung aus und werden bei der Verfestigung des Sediments in dieser Lage fixiert. Die Messung der Magnetisierung solcher Materialien ergibt daher Information über Richtung und teilweise auch Stärke des Erdmagnetfelds zur Zeit der Entstehung bzw. Abkühlung des Materials. Dies ist das Forschungsgebiet des Paläomagnetismus.


Wie beeinflusst uns das Erdmagnetfeld?

Wir können das Erdmagnetfeld nicht bewusst wahrnehmen, aber verschiedene Tiere - unter anderem Tauben, Rotkehlchen, Wasserschildkröten, Delphine, Thunfische, Bienen - nutzen es neben anderen Sinnen zur Navigation. Ob das Erdmagnetfeld den menschlichen Körper beeinflusst, ist umstritten. Pulsationen des Erdmagnetfelds und Oszillationen während magnetischer Stürme weisen Frequenzen auf, die im menschlichen Körper eine Rolle spielen können. Es gibt Studien, die Korrelationen zwischen menschlichem Verhalten oder Befinden und geomagnetischer Aktivität beschreiben, welche auf ursächliche Zusammenhänge hindeuten könnten. Die künstlichen elektromagnetischen Felder überall in unserer hochtechnisierten Umgebung sind jedoch deutlich stärker als die Variationen des Erdmagnetfelds. Ihr Einfluss auf die menschliche Gesundheit ist ebenfalls umstritten.


Steht uns eine Feldumkehr bevor?

Die globale Stärke des Erdmagnetfelds hat seit Beginn der systematischen Messungen vor etwa 170 Jahren um 10% abgenommen. Dies ist deutlich schneller als seine Reduzierung in dem Fall, dass der Geodynamo aufhören würde zu arbeiten und gibt Anlass zu der Vermutung, dass wir uns im Anfangsstadium einer Feldumkehr befinden könnten. Wenn die Abnahme der Dipolstärke und die gleichzeitig beobachtete Zunahme der kleinräumigeren Anteile mit gleicher Stärke anhielten, würden wir in etwa 1.800 Jahren an der Erdoberfläche ein Feld mit 4 Polen beobachten. Eine gleichmäßige Änderung über einen solchen Zeitraum erscheint jedoch unwahrscheinlich. Die Erforschung der Feldänderungen der Vergangenheit zeigt, dass die Änderungsraten selten länger als 1.000 Jahre anhielten und dass die globale Feldstärke über lange Zeiträume schwächer war als heute, auch ohne dass eine Feldumkehr stattgefunden hat. Angesichts der mittleren Häufigkeit der letzten Umkehrungen könnte man annehmen, dass die nächste überfällig ist. Andererseits ist die Dauer von 0,78 Mio Jahren seit der letzten Umkehrung angesichts der starken Variabilität der Umkehrraten auch noch keinesfalls außergewöhnlich. Unsere Erkenntnisse über den Geodynamoprozess reichen noch nicht aus, um eine Feldumkehr im Zeitraum der nächsten Jahrtausende vorhersagen oder ausschließen zu können.

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