Die Magie des Magnetfelds – - Max-Wissen

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Die Magie des Magnetfelds – - Max-Wissen

AUSGABE 9WINTER2004GEOMAXN E U G I E R I G A U F W I S S E N S C H A F TEs war eine eigenartige Entdeckung, die dieChinesen gemacht hatten: Wenn sie mitbestimmten Steinen einige Male über eineEisennadel strichen und diese dann frei beweglichaufhängten, richtete sich die Nadelimmer in Nord-Süd-Richtung aus. Schnellerkannten sie, dass sich auf diese Weise einnützliches Navigationsinstrument bauen ließ der magnetische Kompass war erfunden.Allerdings streiten sich die Historiker,ob die Chinesen dieses Instrument tatsächlichschon 2500 v. Chr. einsetzten oder erst271 n. Chr.. Die älteste schriftliche Überlieferungüber die Benutzung eines Kompassesgelangen dem späteren Leibarzt der englischenKönigin Elisabeth I., William Gilbert.Seine 1600 in London veröffentlichte Schrift„Über den Magneten“ ist ein Meilenstein derwissenschaftlichen Weltliteratur. Das Werkgab zum ersten Mal eine rationale Erklärungfür die mysteriöse Eigenschaft der Kompassnadel,sich in Nord-Süd-Richtung auszurichten:die Erde selbst ist magnetisch. In seinenExperimenten benutzte Gilbert einen kugelförmigenMagneten als Modell. Indem er einekleine Kompassnadel über dessen Oberflächebewegte, reproduzierte er das Richtungsverhaltendes Kompass auf der Erde. KnappDie Magie des Magnetfelds Forschen am Mittelpunkt der Erdein Europa stammt aus dem Jahr 1195 n. Chr..Anfang des 14. Jahrhunderts wurde diese„Wundernadel“ zu einer der wichtigstenGrundlagen, die es portugiesischen, spanischenund dann auch englischen Seefahrernermöglichte, die Welt zu entdecken. Egal,ob Columbus, Magellan oder gänzlich unbekannteAbenteurer kein Kapitän ging mehrauf große Fahrt über die Weltmeere, ohneeinen Kompass an Bord zu haben.NADEL MIT RICHTUNGSSINNWelche Kraft die Magnetnadeln ausrichtete darüber rätselten die Gelehrten allerdingsnoch lange. Die Europäer glaubten zunächst,ein riesiger Magnetberg im Norden derErde sei dafür verantwortlich. Und eswurde dringend davor gewarnt, sichdem Koloss auf Schiffen die zumGroßteil aus Eisen bestanden zunähern. Erste elementare Erkenntnisseeinhundert Jahre später lag schließlich dieerste Karte des Erdmagnetfelds vor. Siezeigte Linien, die an das Feld eines großenStabmagneten erinnerten. Seltsam schienden Wissenschaftlern damals die Tatsache,dass es viele Stellenauf der Erde gab,an denen eineKompassnadelNordlichter (Aurora borealis) entstehendurch die Kollision von Partikeln des Sonnenwindsmit Gasmolekülen in der Erdatmosphäre.Dies geschieht vor allem in derNähe der Pole. Hier schirmt das Erdmagnetfeldunseren Planeten nur unzureichendvon der kosmischen Strahlung ab, weil dieFeldlinien fast senkrecht stehen. Besondersgut wirkt das Magnetfeld dort, wo die Feldlinienparallel zur Erdoberfläche verlaufen,also am Äquator. Vom Weltraum aus gesehenbilden die Polarlichter einen großen Ring umden Nordpol. Die aktivsten Bereiche sind rot;über gelb nach blau nimmt die Aktivität ab.© Science Photo Library1 Seite


nicht genau nach Norden zeigte und sichderen Richtung mit der Zeit sogar veränderte zwar nur leicht, aber über einen Zeitraumvon einem Jahrzehnt deutlich messbar.Heute weiß man, dass die Stärke des Erdmagnetfeldsin den vergangenen 160 Jahren(seitdem lässt sich diese Größe bestimmen)um fast zehn Prozent abgenommen hat.Und dass sich das gesamte Feld mehrfachinnerhalb von Millionen Jahren umpolt:Der magnetische Nordpol wird dann zumSüdpol und umgekehrt (siehe Kasten S. 3).ErdachseMagnetfeldInnerer ErdkernÄußerer ErdkernErdmantelFLÜSSIGES EISEN UNTER DRUCKDas alles lässt sich mit dem inneren Aufbauder Erde weitgehend erklären, denGeophysiker inzwischen vor allem anhandseismologischer Messungen ermittelthaben (Abb. B). Demnach besteht derErdkern zu rund 90 Prozent aus Eisen. Hier,tief im Inneren unseres Planeten, herrschenTemperaturen von über 3000 Grad Celsius.Obwohl der Schmelzpunkt von Eisen auf derErdoberfläche bei 1539 Grad liegt, ist derinnere Erdkern wegen des hohen Drucksfest. Um den Kern herum befindet sich jedochflüssiges Eisen, das vom festen Kernerhitzt wird. An der Grenzfläche zwischenfester und flüssiger Phase steigt heißesEisen nach oben, kühlt sich wieder ab undsinkt dann an anderer Stelle wieder nachunten. Dabei entstehen Wirbel und Turbulenzen.Doch der Erdkern aus Eisen wirktnicht einfach wie ein großer Dauermagnet das können die Wissenschaftler schonallein daraus schließen, dass Magnete beihohen Temperaturen ihre magnetischenEigenschaften verlieren.Bugstoßwelle Nach den Modellvorstellungen wird durch die Rotation der Erde das flüssige Eisen im Kern zu schraubenförmigenBewegungen parallel zur Erdachse gezwungen.1831 entdeckte Michael Faraday die elektromagnetischeInduktion und damit dieGrundlage für einen Dynamo: Bewegt maneinen elektrischen Leiter in einem Magnetfeld,so fließt ein elektrischer Strom.Umgekehrt gilt: Wo elektrischer Strom fließt,entsteht ein Magnetfeld. Und das brachtedie Forscher bei der Erklärung, wie das Erdmagnetfeldentsteht, auf die richtige Spur:Zu Beginn der Erdgeschichte erzeugte wahrscheinlichder Sonnenwind ein schwachesmagnetisches Feld in der Umgebung desErde© MPI für SonnensystemforschungPlaneten. Durch die Bewegung des flüssigenEisens im Erdkern wurde ein elektrischerStrom induziert. Wie bei einem technischenDynamo, zum Beispiel der Lichtmaschineim Auto, verstärkten sich Strom und Magnetfeldgegenseitig, bis der „Dynamo derErde“ entstand. Das Erdmagnetfeld schütztvor energiereicher Strahlung aus dem All(Abb. C) und ermöglicht nicht nur Seefahrern,vor allem in den vergangenen Jahrhunderten,das erfolgreiche Navigieren,sondern auch einer Reihe von Organismen,vorausgesetzt sie sind mit einem Magnetsinnausgestattet dazu gehören Insekten,Vögel, Fische und Säugetiere ebenso wieBakterien.DAS GEHEIMNIS DES GEODYNAMOSEines war jedoch nach wie vor unklar: Eintechnischer Dynamo arbeitet nur bei einerziemlich komplizierten Anordnung vonSpulen und Schleifkontakten. Der Erdkerndagegen ist quasi eine große, elektrischleitende Kugel, in der sämtliche Bauteile© Harald Blank/GEO-Magazin 2000SonnenwindMagnetosphäreDie Sonne emittiert kontinuierlich sowohl eineelektromagnetische Wellenstrahlung ein schmalesSpektrum davon ist das sichtbare Licht alsauch eine Partikelstrahlung, überwiegend Elektronenund Protonen, der Sonnenwind. Sie wirkenim Wechsel mit dem Erdmagnetfeld und bilden dieMagnetosphäre. Durch den Sonnenwind werdendie Feldlinien auf der Tagseite stark verdichtet, aufder Nachtseite dehnen sie sich weit in den Weltraumaus. Vor dem Hindernis Magnetosphäre bildetsich im Sonnenwind eine Bugstoßwelle: hier wirdder Sonnenwind von Überschall- auf Unterschallgeschwindigkeitabgebremst.


UMGEPOLTE ERDEAus Gesteinsanalysen ist bekannt, dasssich das Magnetfeld der Erde in der Vergangenheitmehrfach umgepolt hat (Phasennormaler/heutiger Polarität sind schwarz,umgekehrte Polaritäten weiß gekennzeichnet).Die Intervalle zwischen Polaritätswechselnvariieren in weiten Grenzen,von nur wenigen zehntausend bis zu zehnMillionen Jahren. Längere Zeiträume sinddurch häufige, andere durch relativ wenigeUmpolungen charakterisiert.Forscher haben den möglichen Verlaufeiner Umpolung per Computersimulationnachvollzogen: Der „magnetische Fluss“ (indie Erde hinein rot und aus der Erde herausblau dargestellt) nimmt zunächst übermehrere Jahrhunderte hinweg ab (a). Dannlöst sich die normale, dipolare Struktur desMagnetfelds auf. Auf dem Höhepunkt derUmpolung liegt ein schwaches, aber geometrischkompliziertes Muster mit mehr alszwei Magnetpolen vor (b). Schließlich bildensich neue Pole mit umgekehrten Vorzeichen(c). Warum dies geschieht, ist unklar. Dieletzte Umpolung liegt etwa 780.000 Jahre zurück.Wenn sich die gegenwärtige Abnahmedes Magnetfelds fortsetzt, wäre die nächstein erdgeschichtlich betrachtet naher Zukunftzu erwarten, das heißt aber frühestensin etwa anderthalb Tausend Jahren.abc© MPI für Sonnensystemforschungelektrisch kurzgeschlossen sind. Wie kommtes, dass ein solch homogener Dynamotrotzdem funktioniert? Eine Antwort auf dieseFrage fanden die Wissenschaftler mittelsComputersimulationen: Während es beieinem technischen Dynamo entscheidend ist,wie die Stromleiter geführt werden, muss imErdkern die Strömung des Eisens bestimmte,relativ komplizierte Formen aufweisen.Besonders leicht entsteht ein Magnetfeldbeispielsweise, wenn sich die Eisenströmewie auf Korkenzieherbahnen bewegen.Am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschungin Katlenburg-Lindau befasst sichUlrich Christensen seit rund acht Jahrenmit der Erforschung des Geodynamos. DerForscher war weltweit einer der ersten, demes gelang, diesen per Computer zu modellieren.Schmunzelnd erinnert sich Christensenan einen Forschungsaufenthalt 1997 in denUSA: „Die frühen Modelle des Geodynamosbenötigten monatelange Rechenzeiten aufden besten Supercomputern. Unserer Arbeitsgruppestanden aber nur kleine Rechnerzur Verfügung wir haben deshalb zunächstnicht geglaubt, dass wir große Beiträgezur Erforschung des Geodynamos liefernkönnten.“ Christensen und seine Kollegenbeschränkten sich auf einfache Modelle,die sie auf einer kleinen Workstation realisierten:„Wir stellten uns den Erdkern alsvirtuelle Kugel aus flüssigem Eisen vor undließen diese in einem Magnetfeld rotieren.“Die Wissenschaftler wollten damit grundlegendeMechanismen der Entstehung desErdmagnetfeldes untersuchen. „Große Hoffnung,dass wir damit ein Modell für einensich selbst erhaltenden Dynamo entwickelnkönnten, hatten wir nicht“, erinnert sich derMax-Planck-Direktor.ERFOLGREICHES SPIELAM COMPUTERDoch die Forscher hatten Glück. Zufälligwählten sie Bedingungen für ihr virtuellesExperiment beispielsweise für die Rotationsgeschwindigkeitder Kugel und dieZähigkeit des Eisens , unter denen sich dasMagnetfeld plötzlich verstärkte. „Bei denersten Versuchen brach das System allerdingsregelmäßig zusammen, wenn wir dasäußere Magnetfeld abschalteten“, berichtetChristensen. Aber die Wissenschaftlergaben nicht auf und wurden schließlich fürihre Hartnäckigkeit belohnt. Es gelang ihnen,Bedingungen für ihren virtuellen Dynamofestzulegen, unter denen er ohne äußeresMagnetfeld arbeitete. Mit weit wenigerRechnerleistung als andere Gruppen hattendie Forscher ein Modell für den Geodynamogeschaffen. „Und weil dieses Modell vergleichsweiseeinfach war, haben wir damitsehr viel über die Mechanismen erfahren,die für die Erzeugung des Erdmagnetfeldsverantwortlich sind“, sagt Christensen.Allerdings produziert nicht einmal eineinfacher Fahrraddynamo Licht, ohne dassjemand in die Pedale tritt. Es stellt sich alsodie Frage: Was treibt den gewaltigen Dynamoder Erde an? Woher stammt die Energie,die dazu nötig ist? Diesem Problem widmetesich der Forscher mit wesentlich leistungsfähigerenRechnern. Und diese liefertendann auch sehr viel genauere Daten über dieStärke und die zeitlichen Veränderungen desErdmagnetfelds sowie dessen großräumigeStruktur auf der Erdoberfläche. Bei allemFortschritt in der Computertechnik müssenUlrich Christensen und seine Kollegen jedochnach wie vor Kompromisse eingehen.Damit die aufwändigen mathematischenModelle nicht extrem lange Rechenzeiten 3 Seite


Der Dynamo der Erde wird als homogen bezeichnet,da alle „Bauteile“ elektrisch kurzgeschlossensind. Dies lässt sich im Labor anhand desso genannten Karlsruher Dynamo-Experimentsmodellieren. Flüssiges Natrium (Schmelzpunkt= 98 ºC) wird mit zunehmender Geschwindigkeitdurch Röhren aus Edelstahl gepumpt (a + b), diesich gegenseitig berühren; je schneller das Natriumfließt, desto höher ist der Druck, den diePumpen erzeugen müssen. Ab einer gewissenGeschwindigkeit steigt der Druck jedoch vielschneller, als zu Beginn des Experiments (c).Dies ist der Moment, in dem der Dynamo anspringt ab jetzt wird Bewegungsenergie desNatriums auch in magnetische Energie verwandelt,die die Pumpen quasi zusätzlich erzeugenmüssen. Aus der zusätzlichen Druckzunahmeberechnen die Forscher, wie viel Energie nötigist, um das Magnetfeld entstehen zu lassen.0,982 mbz0,21 min Anspruch nehmen, erhöhen sie beispielsweisedie Zähigkeit des flüssigen Eisensin ihrem virtuellen Erdkern. So entstehenlediglich großräumige Flüssigkeitsbewegungen,die sich schneller berechnen lassen alsdie vielen kleinen Wirbel, die man in derturbulenten Strömung des realen Erdkernserwartet. „Damit stellt sich aber die Frage,ob diese Modelle wirklich realistisch genugsind, um sie für die Berechnung des Energiebedarfsdes Erddynamos heranzuziehen“,erklärt der Geophysiker.EIN MEGA-KRAFTWERKIM ERDINNERENDie Antwort lieferte kein virtuelles, sondernein reales Experiment am ForschungszentrumKarlsruhe unter der Leitung von Ulrich Müller.Zusammen mit Andreas Tilgner vom Institutfür Geophysik der Universität Göttingen habendie Max-Planck-Forscher die Ergebnisseausgewertet. Das so genannte KarlsruherDynamo-Experiment (siehe Kasten S. 4)erlaubt es, einen homogenen Dynamo imLabor zu betreiben. Dazu wird eine TonneSeite 4EIN GEODYNAMO IM LABOR1,854 mxy∆ p [bar]3.532.521.5190 100 110Natriumfluss [m3 /h]flüssiges Natrium durch ein rund ein Meterhohes Röhrensystem aus Edelstahl gepumpt.Da beide Materialien gute elektrische Leitersind und sich die Röhren berühren, sind alleTeile elektrisch kurzgeschlossen genauwie beim homogenen Geodynamo. DieRöhren enthalten außerdem Leitbleche, dieso geformt sind, dass das flüssige Natriumwie auf Korkenzieherbahnen durch dieRöhren fließt. Somit entsteht jene komplexeStrömung, die die Forscher im Erdkernvermuten, in ihren Computermodellen abernicht berücksichtigen.ac© Kernforschungszentrum KarlsruheDas Ergebnis: Tatsächlich deckte sich derWert für den Energiebedarf, den die Forscherzuvor am Computer für denselben Versuchsaufbauberechnet hatten, mit der Energie, diebenötigt wurde, um den homogenen Dynamoim Labor zu betreiben. „Die komplizierten, kleinenWirbel und Strömungen, die wir mit demKarlsruher Dynamo-Experiment erzeugen, habenkeinen Einfluss auf den Energiebedarf deshomogenen Dynamos,“ erklärt Christensen,„und das heißt, dass wir mit unseren Compu-termodellen sehr wohl realistische Daten fürden Geodynamo erwarten können“.Nach diesen Berechnungen verschlingt derDynamo der Erde zwischen 200.000 und500.000 Megawatt das entspricht derLeistung einiger hundert Großkraftwerke.Für ein gigantisches System wie die Erdeist dies nicht besonders viel. Die Wissenschaftlergehen deshalb davon aus, dass derEnergiebedarf durch das langsame Abkühlendes Erdkerns gedeckt wird eine besondereEnergiequelle im Kern, beispielsweise basierendauf radioaktivem Zerfall von Spurenelementen(etwa Kalium), halten sie nicht fürnötig. Ein wesentlicher Teil der Energieabgabedes Kerns beruht im Übrigen darauf, dassder innere, feste Kern stetig wächst, indemflüssiges Eisen an ihm „ausfriert“. Dadurchverlieren die Eisenatome Bewegungsenergie,die dann zum Betrieb des Geodynamos zurVerfügung steht.ÄLTER ALS BISHER GEDACHTMit seinen Berechnungen konnten UlrichChristensen und sein Team auch einen wichtigenBeitrag zur Diskussion um das Alter desfesten Erdkerns liefern. Laut früheren Berechnungenschätzten Experten den Energiebedarfdes Geodynamos nämlich drei bis zehn Malhöher als die von den Max-Planck-Forschernberechneten Werte. Danach wäre der innereErdkern aber auch drei bis zehn Mal ler gewachsen und folglich nur etwa eineschnel-Milliarde Jahre alt. Gesteinsanalysen zeigenjedoch, dass das Erdmagnetfeld seit mindestensdrei Milliarden Jahren existiert. Vor derEntstehung des festen Erdkerns müsste alsoein völlig anderer Mechanismus für den Antriebdes Geodynamos gesorgt haben keinesehr realistische Annahme. „Nach unserenBerechnungen kühlt sich der Erdkern deutlichlangsamer ab als bisher angenommen,“erklärt Christensen. „Damit wäre der innereErdkern 2,5 bis 3,5 Milliarden Jahre alt. Unddas stimmt relativ gut mit den Ergebnissenaus Gesteinsanalysen überein.“Schlagwörter: magnetischer Kompass, Erdmagnetfeld,Erdkern, elektromagnetische Induktion, DynamoLeseempfehlungen: „Expedition Erde“: Beiträge zumJahr der Geowissenschaften 2002 (zu bestellen unterhttp://www.marum.de/Shop.html)Internet: http://www.phy6.org/earthmag/Dmagint.htmDIE „MAX“-REIHEauch unter www.max-reihe.mpg.deBIOMAX, GEOMAX und TECHMAX erscheinenjeweils zweimal im Jahr und berichten überaktuelle Forschungsergebnisse aus den Max-Planck-Instituten vor allem für Lehrer undSchüler. Weitere Exemplare können unterfolgender Adresse kostenlos bestellt werden:Max-Planck-Gesellschaft, Referat für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, Hofgartenstraße 8, 80539 München | e-mail: presse@gv.mpg.de | Redaktion: Dr. Christina Beck | Text: Ute Hänsler | Gestaltung: www.haak-nakat.de

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