Zweijahresbericht 2004/2005 - Bibliothek - GFZ

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Säkularvariation des Erdmagnetfelds im Zeitraum 1980
bis 2000. Die beiden Endpunkte des Zeitintervalls sind so
gewählt, dass sie mit den Satellitenmissionen MAGSAT,
1980, und CHAMP, ØRSTED, seit 2000, zusammenfallen.
Die Methode, die bei diesem Vorhaben im Rahmen
einer Doktorarbeit (Wardinski, 2005) entwickelt wurde,
besteht darin, eine räumlich und zeitlich kontinuierliche
Beschreibung des Erdmagnetfelds aus den Daten von ortsgebundenen
magnetischen Observatorien und Säkularpunkten
abzuleiten. Die Hauptfeldmodelle der Satellitenmissionen
für 1980 und 2000 dienen dabei als Randbedingungen
für das zeitliche Modell des Erdmagnetfelds.
So lassen sich die Informationen aus der hohen räumlichen
Dichte der Satellitendaten und die zeitlich kontinuierlichen,
aber räumlich limitierten Bodendaten zu einer kontinuierlichen
raum-zeitlichen Beschreibung des Hauptfelds
und seiner Säkularvariation der letzten 20 Jahre mit
höchstmöglicher Auflösung vereinen. Abb. 2.62 zeigt die
radiale Komponente des Magnetfelds an der Kern-Mantel-Grenze,
dabei stellt sich das Feld im Wesentlichen als
dipolar dar. Die Kernfragen dieser Untersuchung sind auf
das Verstehen der kurzzeitigen Säkularvariation des Erdmagnetfelds,
insbesondere der Geomagnetischen Jerks,
und der Prozesse, die mit diesen einhergehen, ausgerichtet.
Geomagnetische Jerks sind abrupte Änderungen in der
Säkularvariation, die besonders deutlich in der Ost-Komponente
des Magnetfelds zu beobachten sind. Inwieweit
Jerks ein weltweites Phänomen sind, ist noch nicht geklärt,
da zumindest zeitliche Verschiebungen im Auftreten in
verschiedenen Regionen, insbesondere zwischen der Nordund
Südhalbkugel, beobachtet werden (Chambodut and
Mandea, 2005) und auch die Darstellung von Jerks an der
Kern-Mantel-Grenze starke regionale Unterschiede aufweist
(Dormy and Mandea, 2005).
Die beobachtete Säkularvariation ist im Zeitraum 1980 bis
2000 sehr facettenreich. So wurden drei geomagnetische
Jerks beobachtet; einer auf der Südhalbkugel (1983), die
zwei anderen auf der Nordhalbkugel (1991 und 1999). Die
Ursachen dieses Phänomens sind weitgehend unklar, doch
liegt die Vermutung nahe, dass sie entweder mit Prozessen
an der Kern-Mantel-Grenze oder mit den magnetischen
Filtereigenschaften des Mantels zusammenhängen.
Eine Möglichkeit, Prozesse an der Kern-Mantel-Grenze
genauer zu untersuchen, besteht darin, das zeitliche
Modell des Erdmagnetfelds und der Säkularvariation für
die Fluidbewegung des flüssigen Erdkerns an seiner Grenze
zum Mantel zu invertieren. Dabei verwendet man die
Induktionsgleichung unter Vernachlässigung der magnetischen
Diffusion. Das ist die sogenannte Frozen Flux
Hypothese, die im wesentlichen besagt, dass die beobachtete
zeitliche Änderung des Magnetfelds einzig durch
die Advektion der Magnetfeldlinien bestimmt ist, dass die
Magnetfeldlinien im flüssigen Eisen des äußeren Kerns
eingefroren sind. Diese Annahme ist nur für Zeitskalen
kürzer als 100 Jahre gültig. Weitere Annahmen sind erforderlich,
um zu einer robusten Abschätzung der Fluidbewegung
an der Kern-Mantel-Grenze zu gelangen. Eine der
meistverwendeten Annahmen ist, dass die Fluidbewegung
in einer Fläche tangential zum äußeren Kern geostrophisch
ist, d. h. entscheidend für die Fluidbewegung sind
die Druckgradientkraft und die Corioliskraft. Diese Annahme
findet auch Anwendung in der Meterologie bei der
Berechnung der Trajektorien von Tief- und Hochdruckgebieten.
Die vorläufigen Resultate der Analyse der Fluidbewegung
zeigen, dass die Morphologie der Fluidbewegung
sich im Zeitraum 1980 bis 2000 nur wenig ändert
(Abb. 2.63), aber die Morphologie der Beschleunigung,
Abb. 2.63: Fluidbewegung an der Kern-Mantel-Grenze für den Zeitraum um 1990. Die Vektorpfeile stellen Geschwindigkeit
und Richtung der Bewegung dar. Die roten Bereiche markieren Zonen mit abtauchender Bewegung, wohingegen
die blauen Bereiche Zonen mit emporstrebender Bewegung kennzeichnen. Die Struktur des Geschwindigkeitsfelds
ändert sich während des Zeitraums 1980 bis 2000 kaum.
Tangential geostrophic fluid flow for 1990. The vectors describe the velocity and direction of the fluid motion at the
core-mantle boundary. The colour scale shows the intensity of the horizontal divergence, upwelling (blue) and downwelling
(red) of the fluid flow. The pattern of the fluid flow changes only marginally during the period 1980 to 2000.
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam