Das Magnetfeld der Erde in einer Computersimulation. Blaue Farbtöne zeigen einen "magnetischen Fluss" nach außen, rote Farbtöne einen Fluss nach innen. An der Oberfläche des Erdkerns ist das Magnetfeld viel kleinräumiger und komplexer als an der Erdoberfläche. Foto: RPO
Max-Planck-Forscher haben bisherige Vorstellungen korrigiert: "Dynamo der Erde" arbeitet effizienter als angenommen
München (rpo). Das Magnetfeld der Erde entsteht im flüssigen äußeren Eisenkern in etwa 3.000 Kilometer Tiefe. Durch den Wärmefluss vom Erdkern in den Gesteinsmantel setzt sich das flüssige Eisen in Bewegung. Diese Bewegungen führen zum so genannten Dynamo-Effekt. Und dieser Dynamo arbeitet wesentlich effizienter als bisher angenommen.
Unsere Erde beherbergt eine Reihe von Naturphänomenen, darunter auch das erdmagnetische Feld, das man vor allem dadurch registrieren kann, dass sich eine frei bewegliche Magnetnadel in eine ganz bestimmte Richtung ausrichtet.
Nach den gängigen Theorien ist dafür ein Dynamo-Mechanismus im flüssigen Eisenkern verantwortlich: Strömungen elektrisch leitender Materie rufen beim Durchqueren eines vorhandenen schwachen Magnetfeldes durch Induktion elektrische Ströme hervor, die ihrerseits wieder Magnetfelder erzeugen, so dass ein wechselseitiges Hochschaukeln eintritt und messbare Magnetfeldstärken auftreten.
Doch wie viel Energie ist tatsächlich erforderlich, um einen solchen "Geodynamo zu betreiben? Um diese Frage zu beantworten, haben die Wissenschaftler jetzt Computermodelle des Geodynamos mit Ergebnissen aus Laborexperimenten kombiniert.
Für den Energiebedarf sind die im Erdkern vorhandenen kleinen Strukturen des Magnetfeldes entscheidend, die sich unserer Beobachtung allerdings entziehen.
Um zu klären, welchen Einfluss nun diese kleinen Wirbel haben, nutzten die Geoforscher das so genannte Karlsruher Dynamo-Experiment. In diesem Versuchsaufbau strömt flüssiges Natrium durch ein System von Kanälen, die zu einem metergroßen Zylinder zusammengefügt sind. Ist die Pumprate hoch genug, springt der Dynamo an und erzeugt ein Magnetfeld, das etwa 100 Mal stärker ist als das der Erde.
Der Energiebedarf des Geodynamos beträgt nach den neuen Modellen etwa 200.000 bis 500.000 Megawatt, was in etwa der Leistung von einigen Hundert Großkraftwerken entspricht. Verglichen mit früheren Schätzungen ist das relativ moderat.
Daraus schlussfolgern die Wissenschaftler, dass es keiner besonderen Wärmequelle im Erdkern bedarf und dass der Dynamo offensichtlich durch die langsame Abgabe der seit der Erdentstehung im Kern gespeicherten Wärme betrieben wird. Mit der Abkühlung friert das flüssige Eisen aus. Dadurch wächst der feste innere Erdkern.
Nach den bisherigen Annahmen wäre die Abkühlung sehr rasch erfolgt, so dass der feste innere Erdkern sich überhaupt erst vor einer Milliarde Jahre, also erst im letzten Viertel der Erdgeschichte gebildet hätte. Das aber stand im Widerspruch zu Befunden aus alten Gesteinen, aus deren Magnetisierung man schließen kann, dass das Erdmagnetfeld schon viel länger besteht.
Nach den neuen Berechnungen erfolgte die Abkühlung jedoch sehr langsam, so dass der innere Kern bereits über drei Milliarden Jahre alt ist, nicht viel jünger als die Erde insgesamt.
Das Projekt wurde im Rahmen des Schwerpunktprogramms "Erdmagnetische Variationen" der Deutschen Forschungsgemeinschaft sowie durch die Max-Planck-Gesellschaft gefördert.
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