Quelltext der Seite Erdmagnetfeld

[[Datei:Magnetosphere rendition.jpg|mini|hochkant=1.5|''Das Erdmagnetfeld und die Sonne'':<br />Die [[Magnetosphäre]] des Planeten schirmt die Erdoberfläche von den geladenen Partikeln des [[Sonnenwind]]es ab (nicht maßstabsgetreue, illustrierende Darstellung).]]
Das '''Erdmagnetfeld''' durchdringt und umgibt die [[Erde]]. Es besteht aus drei Komponenten. Der Hauptanteil des [[Magnetfeld]]es (ca.&nbsp;95 %) wird vom ''Geodynamo'' im flüssigen äußeren [[Erdkern]] hervorgerufen. Dieser Feldanteil unterliegt langsamen zeitlichen Veränderungen. Über lange Zeiträume (zehntausende Jahre) hat er an der Erdoberfläche annähernd die Feldform eines [[Magnetischer Dipol|magnetischen Dipols]], leicht schief zur Erdachse. Dazwischen erfolgen [[geomagnetische Exkursion]]en auf einer Zeitskala von Jahrhunderten, die zu ''[[#Polsprung|Polsprüngen]]'' führen können.

Ein zweiter Anteil des Erdmagnetfeldes entsteht durch elektrische Ströme in der [[Ionosphäre]] und der [[Magnetosphäre]]. Er trägt an der Erdoberfläche etwa 1 bis 3 % zum Gesamtfeld bei. Die Ursachen sind einerseits Winde in der Ionosphäre (sq-Effekt), die  einen Tages- und Jahresgang zeigen, andererseits Wirkungen des magnetisierten [[Plasma (Physik)|Plasmas]] des [[Sonnenwind]]es, der jenseits der Magnetosphäre herrscht; er staucht sie auf der Tagseite und zieht sie auf der Nachtseite zu einem langen Schlauch aus.  Die so erzeugten magnetischen Stürme führen zu schnellen Schwankungen, die [[Polarlicht]]er, aber auch Störungen des Funkverkehrs bewirken.

Der dritte Anteil variiert ''räumlich'' stark, denn er zeigt höhere [[Multipol]]-Komponenten (siehe [[Geomagnetik]]). Zeitlich verändert er sich nur in geologischen Zeiträumen. Er besteht in dem Feld der [[Remanenz|remanenten Magnetisierung]] in Teilen der oberen [[Erdkruste]] z.&nbsp;B. Erzlagerstätten. Diese „Störfelder“ können lokal  mehrere Prozent des Gesamtfeldes ausmachen.

Die Magnetisierung ferromagnetischer Einschlüsse in den ältesten irdischen Mineralen, den [[Zirkon]]en, zeigt, dass das Erdmagnetfeld bereits vor über vier Milliarden Jahren bestand.<ref>John A. Tarduno et al.: ''A Hadean to Paleoarchean geodynamo recorded by single zircon crystals''. Science 349, 2015, S.&nbsp;521–524, [[doi:10.1126/science.aaa9114]]</ref> In einigen geologischen Formationen lassen sich aus der örtlichen Magnetisierung zahlreiche Polsprünge ablesen ([[Magnetostratigraphie]]).

Die Stärke und Richtung des Erdmagnetfeldes variieren mit dem Ort der Messung. Die zur Erdoberfläche horizontale Komponente beträgt in Deutschland etwa 20 Mikro[[Tesla (Einheit)|tesla]], die vertikale etwa 44 Mikrotesla. Ausgenutzt wird das Erdmagnetfeld z.&nbsp;B. in der geophysikalischen Prospektion und in der Navigation.

== Forschungsgeschichte ==
[[Datei:Inklinationskarte fuer 1860.jpg|mini|hochkant=1.5|Inklinationskarte für 1860]]
[[Datei:World Magnetic Inclination 2010.pdf|mini|hochkant=1.5|Inklinationskarte für 2010. Die grüne Isokline für 0° stellt den magnetischen Äquator dar.]]

Chinesen und Mongolen erkannten die Nordweisung magnetisierter Körper schon vor mehr als tausend Jahren. Erste qualitative Messungen von Komponenten des Erdmagnetfelds, so der Deklination und Inklination, sind seit der Erfindung des trockenen [[Kompass]] ab dem 12. Jahrhundert möglich und bekannt.

Im Jahre 1600 veröffentlichte der englische Arzt und Naturphilosoph [[William Gilbert]] sein Werk ''De Magnete'', in dem er erstmals erkannte, dass die Erde die Ursache für die Ausrichtung der Kompassnadel ist. Messungen durch [[Henry Gellibrand]] in London ergaben zudem, dass das Magnetfeld nicht statisch ist, sondern sich langsam ändert.

[[Alexander von Humboldt]] führte systematische Messungen im preußischen Bergbau und auf seinen Forschungsreisen durch. [[Carl Friedrich Gauß]] baute in [[Göttingen]] das erste geophysikalische Observatorium auf und konstruierte dafür 1832 ein empfindliches [[Magnetometer]]. Er erkannte, dass global verteilte Messungen zeitgleich erfolgen müssten, um die Ursachen der Schwankungen lokalisieren und das statische Feld genauer messen zu können. Der zu diesem Zweck gegründete [[Magnetischer Verein|Magnetische Verein]] und die britische [[Royal Society]] lieferten ab 1836 Daten, die er und [[Wilhelm Eduard Weber|Wilhelm Weber]] auswerteten. Er konnte 1839 zeigen, dass der Hauptteil des statischen Erdmagnetfeldes aus dem Erdinneren stammt, kleinere, kurzzeitige Variationen des Erdmagnetfeldes dagegen von außerhalb.

Weitere internationale Messkampagnen fanden während der Polarjahre 1882, 1932 und im [[Internationales Geophysikalisches Jahr|Internationalen Geophysikalischen Jahr]] 1957–1958 statt. Dabei wurden die früheren [[mechanisch]]en Magnetometer ([[Magnetische Feldwaage]]n, Torsionsmagnetometer) zunehmend von induktiv oder atomar arbeitenden (Saturationskern-, [[Fluxgate]]- ([[Förster-Sonde]]-); Protonen- und Cäsium-)Magnetometern abgelöst.

Industriegeschichtlich war in Deutschland die Entwicklung von entsprechenden Präzisionsmessgeräten in Kooperation mit der Forschung eng mit den [[Askania (1871)|Askania]]-Werken in Potsdam verbunden, so bei der weltweit verbreiteten [[Adolf Schmidt (Geophysiker)|Schmidtschen]] Feldwaage, die neben der Messung von regionalen Daten des Erdmagnetfelds auch die Abschätzung der Magnetisierung von Gesteinsproben erlaubte.

Die räumliche Verteilung des Erdmagnetfeldes zwischen den [[Geomagnetisches Observatorium|geomagnetischen Observatorien]] lieferte zunächst die Schifffahrt. Zunehmend übernehmen diese Aufgabe spezialisierte Satelliten, [[Magsat]] 1980, der dänische Satellit [[Ørsted (Satellit)|Oersted]] 1999, die vier [[Cluster (Satellit)|Cluster]]-Satelliten 2000, [[CHAMP]] 2000, [[SWARM]] 2013. Die räumliche Abdeckung relativ langsamer Schwankungen ist seither gut, während die derzeit über 200 Laboratorien zur koordinierten Überwachung kurzzeitiger Variationen unverzichtbar sind.

== Stärke und Form ==
{{Anker|Aufbau}}
[[Datei:Mplwp earth-magnetic-field.svg|mini|hochkant=1.5|Komponenten des Erdmagnetfeldes in Dipol-Näherung, aufgetragen nach Breitengrad]]
[[Datei:Map b field evolution.gif|mini|hochkant=2|[[Mollweide-Projektion]] des Erdmagnetfelds und seiner zeitlichen Variation seit 1900 gemäß IGRF in Nanotesla.<ref>{{Literatur |Autor=Thébault, E. et al. |Titel=International Geomagnetic Reference Field: the 12th generation |Sammelwerk=Earth, Planets and Space |Band=67 |Datum=2015 |Seiten=79 |DOI=10.1186/s40623-015-0228-9}}</ref> ]]
[[Datei:Ife 010331 kombination.png|mini|hochkant=2|Zeitliche Schwankungen im Erdmagnetfeld durch einen magnetischen Sturm am 31.&nbsp;März 2001, gemessen in [[Ile-Ife]], Nigeria]]

Am Äquator hat das [[Magnetische Flussdichte|Magnetfeld]] eine „Stärke“ ([[magnetische Flussdichte]]) von ca.&nbsp;30&nbsp;µT (Mikro[[Tesla (Einheit)|tesla]]). An den Polen ist der Betrag etwa doppelt so groß. In Mitteleuropa sind es etwa&nbsp;48&nbsp;µT, nämlich etwa&nbsp;20&nbsp;µT in der horizontalen und&nbsp;44&nbsp;µT in der vertikalen Richtung.

Der [[Kompass]] weist auf weiten Teilen der Erdoberfläche grob in geographische Nord-Richtung. Abweichungen von dieser Ausrichtung bezeichnet man als ''Missweisung'' oder [[Deklination (Geographie)|Geographische Deklination]]. Sie sind besonders groß und variabel in hohen nördlichen und südlichen Breiten, denn dort, abseits der geographischen Pole, liegen die geomagnetischen Pole, an denen die horizontale Feldkomponente verschwindet. Der Pol im Norden heißt geomagnetischer Nordpol, obwohl es aus physikalischer Sicht ein magnetischer Südpol ist.

Schon in mittleren Breiten ist die Vertikalkomponente stärker als die Horizontalkomponente, das heißt, die [[Inklination (Magnetismus)|Inklination]] ist größer als 45°, in Deutschland etwa 60°. In [[Inklination (Magnetismus)|Inklinationskarten]] ist der Winkel der Feldlinien zur Erdoberfläche abhängig vom Ort aufgetragen. Wie der magnetische Pol wandert dieses Muster ständig.<ref>[ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/geomag/images/I_map_mf_2005_large.jpeg NOAA - National Geophysical Data Center (USA)] Aktuelle Inklinationskarte des Erdmagnetfeldes (auch andere Karten verfügbar)</ref> Wenn man alle Orte mit der Inklination Null – die Feldlinien verlaufen parallel zum Boden – verbindet, erhält man den {{Anker|Magnetischer Äquator}} ''magnetischen Äquator''.

Bei geeigneter Wahl des Koordinatenursprungs und seiner Ausrichtung lässt sich das Erdmagnetfeld an der Oberfläche zurzeit zu 90&nbsp;Prozent durch ein Dipolfeld beschreiben.

Die [[Pol (Geomagnetismus)|geomagnetischen Pole]] der Erde fallen dabei nicht genau mit den [[Pol (Geographie)|geographischen Polen]] der Erde zusammen. Gegenwärtig (Stand 2015) ist die Achse des geomagnetischen Dipolfeldes um etwa 9,6° gegenüber der [[Erdachse]] geneigt.<ref>{{cite web |url=https://www.ngdc.noaa.gov/geomag/faqgeom.shtml#Where_are_the_magnetic_poles |title=Geomagnetism Frequently Asked Questions |publisher=National Geophysical Data Center |accessdate=5. Juni 2016}}</ref>

In erster Näherung entspricht das Dipolfeld dem eines gekippten Stabmagneten, der um ca.&nbsp;450&nbsp;km aus dem Erdmittelpunkt in Richtung 140° östlicher Länge verschoben ist (siehe auch [[Südatlantische Anomalie]]). Das Dipolmoment <math>M</math> beträgt:
: <math>M = 7{,}746 \cdot 10^{24} \, \mathrm{nT \, m^3}</math> (Stand IGRF-11, 2010)
Die jährliche Veränderung zurzeit: <math>-0{,}006 \cdot 10^{24} \, \mathrm{nT \, m^3 \, a^{-1}}</math>

In [[Internationales Einheitensystem|SI-Einheiten]] wird das magnetische Dipolmoment <math>m</math> in Am² angegeben und mithilfe der [[Magnetische Feldkonstante|magnetischen Feldkonstante]] <math>\mu_0</math> umgerechnet:
:<math>m=\frac{4\pi}{\mu_0}\cdot M = 7{,}746 \cdot 10^{{22}}\,\mathrm{Am}^2</math>

Zur näherungsweisen Berechnung des Betrags der Feldstärke des Dipolfelds in Abhängigkeit vom Abstand <math>r</math> dient die Dipolformel mit der magnetischen Breite <math> \lambda</math> <ref>Einführung in die Geophysik von C. Clauser (2016), ISBN 978-3-662-46884-5</ref>:

: <math>\left| \mathbf{B} \right|(r, \lambda) = B(r, \lambda) = \frac{\mu_0}{4\pi} \frac{m}{r^3} \sqrt{1 + 3 \cdot \cos^2(\lambda)}</math>
<!--umscheiben in SI Einheiten: M -> m * µ0/4pi -->

Im Erdmantel nimmt die magnetische Flussdichte mit wachsender Tiefe stark zu. Dabei verändert sich jedoch auch die Feldform, da nicht-dipolförmige Anteile überproportional anwachsen. Bessere Näherungen als das Dipolmodell liefert daher ein Multipolfeld, das aktuelle ''International Geomagnetic Reference Field'' (IGRF). Dazu wird das Erdfeld auf ein [[Potential (Physik)|Potentialfeld]] zurückgeführt, das nach [[Kugelflächenfunktion]]en entwickelt wird. Die aktuellen Entwicklungskoeffizienten (''Gauss''-Koeffizienten ''g<sup>m</sup><sub>l</sub>'' und ''h<sup>m</sup><sub>l</sub>'') sind im IGRF<ref>[http://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html Das IGRF: Gausskoeffizienten und Beispielquellcodes]</ref> zu finden.

Die Energie, die im erdmagnetischen Hauptfeld außerhalb des Erdkörpers gespeichert ist, liegt in der Größenordnung [[Größenordnung (Energie)#Exajoule – EJ|10<sup>18</sup> Joule]], die Feldenergie innerhalb des Erdkörpers ist vermutlich um zwei Größenordnungen größer. Genau lässt sich das nicht sagen, denn am Ort der Erzeugung (durch verteilte elektrische Ströme, s.&nbsp;u.) ist einerseits die Energiedichte des Feldes besonders hoch, andererseits das Modell des Stabmagneten grob falsch.

== Paläomagnetismus und die Umpolung des Erdmagnetfeldes ==
{{Anker|Polsprung}}[[Datei:Magnetic North Pole Positions 2015.svg|mini|Beschleunigte Wanderung des arktischen Magnetpols]]

Die [[Paläomagnetismus|paläomagnetische]] Rekonstruktion des Erdmagnetfeldes aus der [[Remanenz|remanenten]] Magnetisierung der [[Ozeanische Kruste|ozeanischen Kruste]], die überwiegend jünger ist als 100 Millionen Jahre, ergibt ein zumeist leidlich stabiles Feld, das sich immer wieder in jeweils geologisch kurzen Zeiträumen umpolt. Diese Umpolungen („Polsprünge“) geschahen im Mittel etwa alle 250.000&nbsp;Jahre, zuletzt vor etwa 780.000&nbsp;Jahren die sogenannte [[Brunhes-Matuyama-Umkehr]].<ref>[[Arnold Hanslmeier]]: ''Habitability and cosmic catastrophes.'' Springer, Berlin 2009, ISBN 978-3-540-76944-6, S. 22, "The last reversal occurred 780.000 years ago and is named the Brunhes-Matuyama reversal."</ref> Häufiger als Umkehrungen sind tiefe kurze Einbrüche, nach denen sich das Feld in der gleichen Richtung wie zuvor wieder aufbaut. Für den Zeitraum vor 10 bis 78 Jahrtausenden sind zwei solche Exkursionen bekannt, das [[Laschamp-Ereignis]] und die [[Mono-Lake-Exkursion]]. Die Zeit vom Beginn der Abschwächung bis zum voll wiederaufgebauten Feld dauert wenige 1000&nbsp;Jahre, nur wenige 100 Jahre dagegen die Phase der Umkehr, in denen der Dipolcharakter des Feldes verloren geht und mehrere, schwache Pole auftreten können, auch in geringen geographischen Breiten.<ref>N.R. Nowaczyk et al.: ''Dynamics of the Laschamp geomagnetic excursion from Black Sea sediments''. Earth and Planetary Science Letters 351–352, 2012, S. 54–69, [[doi:10.1016/j.epsl.2012.06.050]].</ref> Untersuchungen von Seesedimenten in den italienischen [[Appennin]]en deuten jedoch darauf hin, dass die Brunhes-Matuyama-Umkehr innerhalb von weniger als 100 Jahren stattfand.<ref>{{Literatur |Titel=Extremely rapid directional change during Matuyama-Brunhes geomagnetic polarity reversal |Sammelwerk=Geophysical Journal |Datum=2014-07-21 |Sprache=en |Online=http://gji.oxfordjournals.org/content/199/2/1110 |DOI=10.1093/gji/ggu287}}</ref>

Die magnetischen Pole sind nicht ortsfest. Der arktische Magnetpol in Kanada wandert derzeit etwa 90&nbsp;Meter pro Tag in Richtung Nord-Nordwest, entsprechend 30&nbsp;Kilometer pro Jahr. Sowohl die Richtung als auch die Geschwindigkeit ändern sich fortlaufend. Zudem hat sich seit den Messungen von Gauß die Stärke des Erdmagnetfeldes um fast zehn Prozent verringert, in den letzten hundert Jahren allein um etwa sechs Prozent, ähnlich schnell wie beim Laschamp-Ereignis.<ref>Carlo Laj et al.: ''Dynamics of the earth magnetic field in the 10–75 kyr period comprising the Laschamp and Mono Lake excursions: New results from the French Chaîne des Puys in a global perspective''. Earth and Planetary Science Letters 387, 2014, S. 184–197, [[doi:10.1016/j.epsl.2013.11.031]].</ref> Eine Kurvenanpassung an die Ausdehnung der [[Südatlantische Anomalie|südatlantischen Anomalie]] über die letzten 400 Jahre ergibt eine Ausdehnung der Anomalie über die halbe Erde schon im Jahr 2034 ± 3.<ref>A. De Santis et al.: ''Toward a possible next geomagnetic transition?''. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 13, 2013, S. 3395–3403, [[doi:10.5194/nhess-13-3395-2013]].</ref> Die Messungen der [[SWARM|Swarm-Satelliten]] über die ersten sechs Monate dieser [[ESA]]-Mission bestätigen die beschleunigte Abnahme des Erdmagnetfeldes im Südatlantik, zeigen aber auch eine Stärkung im südlichen Indischen Ozean.<ref>Jan Dönges: [http://www.spektrum.de/news/erste-anzeichen-fuer-umkippen-des-erdmagnetfelds-beobachtet/1300388 ''Erste Anzeichen für Umkippen des Erdmagnetfelds beobachtet?''] Spektrum, 10. Juli 2014.</ref>

Diese schnelle Änderung ist noch nicht zu erklären, da selbst dann, wenn der sogenannte ''[[#Entstehung und Aufrechterhaltung (Geodynamo)|Geodynamo]]'' sofort ausfiele, das Erdmagnetfeld sich viel langsamer in einem Zeitraum von 10.000&nbsp;Jahren abbauen würde. Man vermutet deshalb, dass sich im Kern das Feld regional bereits umpolt und ein Gegenfeld aufgebaut wird, welches das globale Feld weit schneller abbaut als das durch ein passives Abklingen möglich wäre.

== Entstehung und Aufrechterhaltung (Geodynamo) {{Anker|Geodynamo}} ==
Über die Entstehung des Hauptmagnetfeldes gibt es verschiedene Theorien, wovon die sogenannte [[Dynamotheorie]] heute allgemein als zutreffend anerkannt ist. Der durch sie beschriebene Mechanismus wird als '''Geodynamo''' (oder genauer: als Geodynamo-Modell) der [[Magnetohydrodynamik]] bezeichnet. Es handelt sich also  nur um eine [[Modelltheorie]], die allein das Wesentliche erfassen soll.

:''Anmerkung zur Begriffsbildung'':
:Die Bezeichnung Dynamotheorie lehnt sich an den Begriff ''[[Dynamoelektrisches Prinzip]]'' an, ein von Werner von Siemens und anderen erfundenes Prinzip einer speziellen Bauweise für einen technischen Gleichstromgenerator. Dabei wird das für die Stromerzeugung erforderliche Magnetfeld –&nbsp;mittels einer entsprechenden Schaltungsanordnung&nbsp;– durch den erzeugten Strom oder einen Teil davon durch [[positive Rückkopplung]] selbst erzeugt. In der Tatsache, dass es sowohl beim Dynamoelektrischen Prinzip als auch bei der Entstehung des Erdmagnetfeldes eine positive Rückkopplung gibt, erschöpft sich die wesentliche Parallele zwischen beiden schon. Im Erdinneren gibt es keine Strukturen, die mit denen eines technischen Gleichstromgenerators oder Dynamos vergleichbar wären.

:Der Begriff [[Magnetohydrodynamischer Dynamo|Dynamo]] wird also im Zusammenhang mit Erdmagnetismus in einer speziellen, eingeschränkten Bedeutung gebraucht, nämlich nur für ein System mit positiver Rückkopplung zwischen Magnetfeld und darin erzeugtem Strom. Deshalb sollte man nicht versuchen, sich die Funktionsweise des Geodynamos anhand der Funktionsweise eines [[Fahrraddynamo]]s (des einzigen heute noch allgemein bekannten „Dynamos“, der aber trotz seines Namens nicht auf dem dynamoelektrischen Rückkopplungsprinzip basiert) erklären zu wollen.

Die Dynamotheorie geht von dem als gesichert geltenden Aufbau des [[Erdkern|Erdinneren]] aus, insbesondere davon, dass eine große Menge einer elektrisch leitenden Flüssigkeit vorhanden ist. Diese Bedingung erfüllt der flüssige äußere Erdkern, der stark eisenhaltig ist und den inneren festen Kern aus nahezu reinem Eisen umschließt. Der Erdkern ist sehr heiß, einige Schätzungen liegen bei 5000&nbsp;°C. Er ist also in etwa so heiß wie die Sonnenoberfläche. Eisen oder Nickel sind auch bei den hohen Drücken im Erdkern nicht (ferro-)magnetisierbar, weil die Temperatur weit über deren [[Curie-Temperatur]]en liegt. Damit sind diese Materialien dort nicht selbst ferromagnetisch, sondern fungieren nur als elektrische Leiter.

Des Weiteren geht die Dynamotheorie davon aus, dass Bewegungen der Materie im Erdkern stattfinden. Hier sind an erster Stelle die [[Konvektion]]sströmungen zu nennen. Das sind Strömungen flüssigen Materials, das von weiter innen liegenden heißeren Bereichen des Erdkerns zu weiter außen liegenden, weniger heißen Bereichen aufsteigt und nach Abkühlung wieder in heißere Bereiche absinkt. Diese Konvektionsströmungen werden infolge der Rotationsbewegung der Erde  durch die [[Corioliskraft]] abgelenkt und auf Schraubenbahnen gezwungen. Bezüglich der Corioliskraft gibt es Parallelen zur Ablenkung von Luftmassen der Erdatmosphäre, wo sie die Rotation der Hoch- und Tiefdruckgebiete und der Wirbelstürme verursacht.

[[Datei:Geodynamo In Reversal.gif|mini|Chaotische Störung des Erdmagnetfeldes. Das Außenfeld lässt sich nicht mehr als Dipolfeld beschreiben.]]

Die Dynamotheorie beschreibt eine Stromerzeugung durch die schraubenförmige Bewegung von elektrisch leitfähiger Materie in Form der o.&nbsp;g. Konvektionsströmungen. Diese haben wegen ihrer Bewegung in einem anfangs vorhandenen sehr schwachen Magnetfeld einen Induktionsstrom erzeugt, der mittels positiver Rückkopplung das schwache Magnetfeld verstärkt hat, was wiederum zu einem stärkeren Induktionsstrom führte, der wiederum das Magnetfeld verstärkte usw. bis durch einen Begrenzungseffekt ein mehr oder weniger stabiler Zustand erreicht wurde. Es wird also der für die Bildung des Erdmagnetfeldes ursächliche Strom mit Hilfe des Erdmagnetfeldes selbst erzeugt. Man spricht hier auch von einem ''selbsterregten Dynamo.'' P. H. Roberts und G. A. Glatzmaier geben für die Bewegungen im flüssigen Kern eine Geschwindigkeit von wenigen Millimetern pro Sekunde an,<ref>[http://www.es.ucsc.edu/~glatz/pub/roberts_glatzmaier_rmp_2000.pdf P. H. Roberts and G. A. Glatzmaier: Geodynamo theory and simulations,] (PDF; 909&nbsp;kB) Seite 1089 Abs. 1 In: Rev. Mod. Phys., Vol. 72, No. 4, October 2000, abgerufen am 23. Mai 2013</ref> was etwa 100&nbsp;km/Jahr entspricht.

Leider gibt es kein leicht verständliches, anschauliches Modell zur [[Dynamotheorie]], an dem der Strom- und Feldlinienverlauf bei den Bewegungen der leitfähigen Flüssigkeit nachvollzogen werden könnte. Die Dynamotheorie stützt sich jedoch auf Berechnungen und [[Computersimulation]]en, die ein gutes Abbild der Wirklichkeit ergeben&nbsp;– einschließlich der im Laufe der Erdgeschichte immer wieder auftretenden [[#Paläomagnetismus und die Umpolung des Erdmagnetfeldes|Umpolungen des Erdmagnetfeldes]], wie sie beispielsweise am [[Mittelatlantischer Rücken|Mittelatlantischen Rücken]] ablesbar sind. Auch [[#Labor- und Computermodelle|Laborexperimente]] mit flüssigem, strömendem Metall sind im Einklang mit der Dynamotheorie.

Zu dem Temperaturgefälle, das eine hinreichende Konvektion bewirkte, könnte die Ausfällung [[magnesium]]haltiger Mineralien aus dem flüssigen frühen Erdkern beigetragen haben; das Magnesium könnte bei der angenommenen [[Entstehung des Mondes#Kollisionstheorie|Kollision]] der [[Protoerde]] vor etwa 4,5 Milliarden Jahren mit einem Himmelskörper von der Größe des [[Mars (Planet)|Mars]] in den Kern gelangt sein.<ref>http://www.nature.com/nature/journal/v536/n7616/full/nature18594.html</ref><ref>Joseph G. O’Rourke, David J. Stevenson: ''Powering Earth’s dynamo with magnesium precipitation from the core.'' In: ''Nature.'' 529, 2016, S.&nbsp;387, [[doi:10.1038/nature16495]].</ref>

Neben den Konvektionsströmungen findet im Erdkern noch eine ''[[Superrotation]]'' genannte Bewegung des festen inneren Erdkerns gegenüber seiner Umgebung statt. Es werden in der Literatur sehr unterschiedliche Beträge zwischen 0,02° und 2° pro Jahr angegeben.<ref>[http://www.es.ucsc.edu/~glatz/pub/roberts_glatzmaier_rmp_2000.pdf P. H. Roberts and G. A. Glatzmaier: Geodynamo theory and simulations,] (PDF; 909&nbsp;kB) Seite 1112 Abs. 7 In: Rev. Mod. Phys., Vol. 72, No. 4, October 2000, abgerufen am 23. Mai 2013</ref> Auch die Richtung – zurzeit rotiert der innere Kern schneller als der Mantel – soll nicht immer gleich gewesen sein. Jeweils in entgegengesetzter Richtung bewegen sich an der Erdoberfläche paläomagnetisch registrierte Unregelmäßigkeiten des Feldes. Die Modelle des Geodynamos liefern das für diese Bewegungen nötige Drehmoment zwischen dem inneren Erdkern und den äußersten Schichten des äußeren Erdkerns.<ref>Philip W. Livermorea, Rainer Hollerbach, Andrew Jackson: ''Electromagnetically driven westward drift and inner-core superrotation in Earth’s core''. PNAS 110, 2013, [[doi:10.1073/pnas.1307825110]] (freier Volltext).</ref>

== Labor- und Computermodelle ==
=== Modelle ===
Mit dem [[World Magnetic Model]] und dem [[International Geomagnetic Reference Field]] existieren zwei großflächige, d.&nbsp;h. die Erde vollständig abdeckende mathematische Modelle, die das Erdmagnetfeld mit hoher Genauigkeit beschreiben.

=== Laborexperimente ===
Schon seit den 1960er Jahren ist bekannt, wie man kleine Geodynamos im Labor erzeugen könnte. Schwierigkeiten bei der Umsetzung macht jedoch vor allem die starke Verkleinerung der Wirklichkeit im Labor. Es mussten also eine entsprechende [[Reynolds-Zahl]] (sie gibt die maßstabsgerecht zulässigen Veränderungen an) und entsprechende Versuchsbedingungen gefunden werden. Inzwischen haben verschiedene Experimente die Dynamotheorie grundsätzlich bestätigt.<ref>A. Gailitis, O. Lielausis, E. Platacis, G. Gerbeth, F. Stefani: The Riga dynamo experiment. ''Surveys in Geophysics'' Bd. 24 (2003) S. 247–267.</ref><ref>U. Müller, R. Stieglitz and S. Horanyi: A two-scale hydromagnetic dynamo experiment. ''Journal of Fluid Mechanics'' Bd. 498 (2004) S. 31–71.</ref><ref>M. D. Nornberg: The role of MHD turbulence in magnetic self-excitation: A study of the Madison Dynamo Experiment. Doktorarbeit (2006), University of Wisconsin, USA</ref><ref>E. J. Spence, M. D. Nornberg, R. A. Bayliss, R. D. Kendrick and C. B. Forest: Fluctuation-driven magnetic fields in the Madison Dynamo Experiment. ''Bull. Am. Phys. Soc.'' 52 (2007) 189 [[doi:10.1063/1.2890753]]; siehe auch ''Phys. of Plasmas'' 15, 055910 (2008).</ref>

=== Simulationen ===
Seit 1995 werden auch numerische [[Computersimulation]]en eingesetzt, um herauszufinden, wie sich das Erdmagnetfeld in Zukunft verändern könnte, beziehungsweise was die Ursachen für historische Veränderungen waren. Die Rechenzeiten sind meistens sehr lange, so benötigte die Aufstellung eines 3D-Modells der Veränderung des Erdmagnetfeldes über einen Zeitraum von 300.000&nbsp;Jahren eine Rechenzeit von über einem Jahr. Die so entstandenen Vorhersagemodelle entsprechen recht genau der tatsächlichen momentanen oder historischen Entwicklung des Magnetfeldes und stützen so die oben dargelegten Theorien, jedoch ist nicht gesichert, inwieweit sie die Verhältnisse im Erdinneren realistisch wiedergeben. So können die Simulationen noch keine dreidimensionalen [[Turbulente Strömung|Turbulenzen]] im Erdinneren wiedergeben, außerdem ist ihre räumliche Auflösung noch sehr gering.

2009 veröffentlichten französische Forscher ein einfaches digitales Modell des Geodynamos, das die Inversion des magnetischen Feldes der Erde erklärt<ref>{{Literatur |Autor=François Pétrélis |Titel=Simple Mechanism for Reversals of Earth’s Magnetic Field |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=102 |Nummer=14 |Datum=2009 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.102.144503 |Abruf=2017-10-07 |DOI=10.1103/physrevlett.102.144503}}</ref>, während auf die numerische Analyse der komplizierten Angleichungen der magnetischen Hydrodynamik, wie z.&nbsp;B. im Modell von Glatzmaiers und Roberts,<ref>Gary A. Glatzmaiers, Paul, H. Roberts: ''A three-dimensional self-consistent computer simulation of a geomagnetic field reversal.'' In: ''Nature.'' 377, 1995, S.&nbsp;203, [[doi:10.1038/377203a0]].</ref> verzichtet wird.

{{Anker|Lebewesen}}

== Wirkungen ==

=== Geologie ===
Das Erdmagnetfeld bewirkt eine Magnetisierung von erkaltenden magmatischen Gesteinen, wenn die Curietemperatur unterschritten wird. Auch Sedimente können durch Einregelung kleinster magnetischer Partikel während ihrer Entstehung oder durch chemische Umwandlungen eine eigene remanente Magnetisierung erhalten. Keramik kann ebenfalls beim Brennen magnetisiert werden. Diese Effekte werden bei geologischen und archäologischen Prospektionen genutzt.

=== Orientierung von Lebewesen am Erdmagnetfeld ===
Einige Tiere besitzen einen [[Magnetsinn]], so zum Beispiel [[Bienen]], [[Blindmäuse]], [[Haustaube]]n, [[Zugvogel|Zugvögel]], [[Lachse]], [[Meeresschildkröte]]n, [[Haie]] und wahrscheinlich auch [[Wale]]. Sie nutzen das Erdmagnetfeld zur [[Räumliche Orientierung|räumlichen Orientierung]].

Auch Hunde richten sich in Phasen eines ruhigen Erdmagnetfelds beim Koten und Urinieren an diesem aus und verrichten ihr Geschäft bevorzugt in Nord-Süd-Richtung.<ref>Vlastimil Hart, Petra Nováková: ''Dogs are sensitive to small variations of the Earth’s magnetic field''. In: ''Frontiers in Zoology'' 2013, [[doi:10.1186/1742-9994-10-80]].</ref>

Einige in Gewässern vorkommende [[mikroaerophil]]e [[Bakterien]]arten werden durch das Erdmagnetfeld parallel zu den Feldlinien ausgerichtet. Im Inneren dieser [[Magnetotaxis|magnetotaktischen]] Einzeller befinden sich Reihen von [[Magnetosom]]en, die die ferromagnetischen Minerale [[Magnetit]] oder [[Greigit]] enthalten. Die Magnetosomen wirken wie Kompassnadeln und drehen so die Bakterien parallel zu den Feldlinien des Erdmagnetfelds. Die Bakterien schwimmen in nördlichen Breiten zum magnetischen Südpol, in südlichen Breiten zum magnetischen Nordpol. Dadurch und wegen der [[Inklination (Magnetismus)|Inklination des Magnetfelds]] schwimmen die Bakterien stets schräg nach unten, wo sie dicht über dem Sediment ein von ihnen bevorzugtes Milieu mit niedrigen O<sub>2</sub>-Konzentrationen vorfinden.

=== Abschirmung des Sonnenwindes ===
Das Erdmagnetfeld schirmt den Sonnenwind ab. Ergebnis sind unter anderem [[Polarlicht]] und der [[Van-Allen-Gürtel]] als erdumfassender Strahlungsgürtel.

=== Magnetfeld und Klima ===
Es wird ein Zusammenhang der globalen Mitteltemperatur mit den Variationen des Erdmagnetfeldes vermutet.<ref>{{Webarchiv | url=http://www-app1.gfz-potsdam.de/www/news/erdrot.html | wayback=20120424091710 | text=Pressemeldung des Geoforschungszentrum Potsdam}}</ref> Manche Forscher wie [[Henrik Svensmark]], die die [[Leugnung der menschengemachten globalen Erwärmung|menschengemachte Erderwärmung bestreiten]], postulieren einen darüber hinausgehenden Zusammenhang zwischen Erdmagnetfeld und Klima, um eine andere Erklärung für die stark beschleunigte [[globale Erwärmung]] zu finden als den Menschen. Zwar lassen Experimente darauf schließen, dass es tatsächlich eine Verbindung zwischen der Einstrahlung kosmischer Strahlung und Wolkenbildung gibt. Allerdings besteht in der Forschung eine große Sicherheit, dass dieser Mechanismus zu schwach ist, um das Klima nennenswert zu beeinflussen.<ref>Myhre, G., D. Shindell, F.-M. Bréon, W. Collins, J. Fuglestvedt, J. Huang, D. Koch, J.-F. Lamarque, D. Lee, B. Mendoza, T. Nakajima, A. Robock, G. Stephens, T. Takemura and H. Zhang, 2013: [http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/wg1/WG1AR5_Chapter08_FINAL.pdf Anthropogenic and Natural Radiative Forcing]. In: [[Fünfter Sachstandsbericht des IPCC|Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change]] [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, S. 891.</ref>

=== Änderung von Landebahnkennungen ===
In der internationalen [[Luftfahrt]] orientieren sich die Kennungen von [[Start- und Landebahn]]en an den Gradzahlen der [[Kompassrose]]. Das sich ändernde Erdmagnetfeld führt daher zu gelegentlichen Änderungen von ''[[Landebahnkennung]]en''. So wurde beispielsweise die Start- und Landebahn des [[Flughafen London-Stansted|Flughafens London-Stansted]] im Jahr 2009 von „05/23“ in „04/22“ umbenannt.<ref>{{Internetquelle |url=http://www.stanstedairport.com/portal/page/Stansted%5EGeneral%5EAbout%20Stansted%20Airport%5EMedia%20centre%5ENews%20releases%5EResults/bd2fe4aed2142210VgnVCM10000036821c0a____/a22889d8759a0010VgnVCM200000357e120a____/ |titel=The Earth moves for Stansted |hrsg=[[Flughafen London-Stansted]] |datum=2009-07-06 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20100112070540/http://www.stanstedairport.com/portal/page/Stansted%5EGeneral%5EAbout%20Stansted%20Airport%5EMedia%20centre%5ENews%20releases%5EResults/bd2fe4aed2142210VgnVCM10000036821c0a____/a22889d8759a0010VgnVCM200000357e120a____/ |archiv-datum=2010-01-12 |zugriff=2012-10-01 |sprache=en |kommentar=Pressemitteilung}}</ref>

== Literatur ==
* Volker Haak, Stefan Maus, Monika Korte, Hermann Lühr: ''Das Erdmagnetfeld – Beobachtung und Überwachung.'' In: ''Physik in unserer Zeit.'' Band 34, Nr. 5, 2003, S. 218–224, {{ISSN|0031-9252}}
* Rolf Emmermann, Volker Haak: ''Die Erde.'' In: ''Physik Journal.'' Band 1, Nr. 10, 2002, S. 29–31.
* Ulrich R. Christensen, Andreas Tilgner: ''Der Geodynamo.'' In: ''Physik Journal.'' Band 1, Nr. 10, 2002, S. 41–47.
* Ulrich R. Christensen, Andreas Tilgner: ''Power requirement of the geodynamo from ohmic losses in numerical and laboratory dynamos.'' In: ''Nature.'' Band 429, Nr. 6988, 13. Mai 2004, S. 169–171, {{ISSN|0028-0836}}.
* Gary A. Glatzmaier, Peter Olson: ''Geheimnisvoller Geodynamo.'' In: ''Spektrum der Wissenschaft.'' Band 9/2005, S. 54ff.
* Walter Kertz, Ruth Kertz, Karl-Heinz Glassmeier: ''Geschichte der Geophysik.'' (= ''Zur Geschichte der Wissenschaften.'' Band 3) Olms, Hildesheim 1999, ISBN 978-3-487-10843-8.
* Roberto Lanza, Antonio Meloni: ''The Earth’s Magnetism.'' Springer, Berlin 2006, ISBN 3-540-27979-2.
* Heinz Militzer, F. Weber (Hrsg.): ''Angewandte Geophysik.'' Band I–III, 1983–1987; Band I: ''Gravimetrie und Magnetik.'' Springer, Wien 1984, ISBN 3-211-81740-9.
* [[Heinz Balmer (Wissenschaftshistoriker)|Heinz Balmer]]: ''Beiträge zur Geschichte der Erkenntnis des [[Erdmagnetismus]]'' (Dissertation, Bern 1956) Sauerländer, Aarau 1956 (= ''Veröffentlichungen der Schweizerischen Gesellschaft für Geschichte der Medizin und der Naturwissenschaften'', 20).

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
{{Commonscat|Geomagnetism|Geomagnetismus}}
* William Gilbert: [http://www.phy6.org/earthmag/Dmagint.htm Zur Erinnerung an „De Magnete“]
* [http://www.vii.at/TAWAN/D102_Tawan_Herbst2004.htm#_Toc94116088 Erdmagnetfeld: Feldumkehr oder vorübergehende Schwächung]
* [https://www.wissenschaft.de/astronomie-physik/das-erdmagnetfeld-zuckt/ www.wissenschaft.de: Das Erdmagnetfeld zuckt]
* Anja Stadelmann: [http://web.archive.org/web/20151208143900/http://rzbl04.biblio.etc.tu-bs.de:8080/docportal/servlets/MCRFileNodeServlet/DocPortal_derivate_00000002/Document.pdf Globale Effekte einer Erdmagnetfeldumkehrung: Magnetosphärenstruktur und kosmische Teilchen]. Dissertation, TU Braunschweig, 2004 (PDF 5,8&nbsp;MB).
* [http://www.intermagnet.org/ www.intermagnet.org – Internationales Netzwerk von Erdmagnetfeld-Messstationen]
* [http://www.tagesspiegel.de/wissen/die-zweite-haut-der-erde/3684302.html Ralf Nestler: ''Magnetfeld – Die zweite Haut der Erde.''] Tagesspiegel vom 29. Oktober 2010.

=== Videos ===
* {{Alpha Centauri|74}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Lesenswert|3. November 2005|10508994}}

[[Kategorie:Erde (Planet)|Magnetfeld]]
[[Kategorie:Magnetik]]
[[Kategorie:Geodäsie]]
[[Kategorie:Magnetismus]]

[[eo:Geomagnetiko]]
[[ro:Geomagnetism]]
[[tr:Jeomanyetizma]]