Das Erdmagnetfeld

Hinweis: Die gesamte Arbeit gibt es Word Dokument auch hier
(Dort wird alles mit Bilder veranschaulicht, es gibt die Quellenangaben etc.)

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Inhalt

Allgemeines zum Erdmagnetfeld S. 3 – 4

Entstehung des Magnetfeldes / Der Geodynamo S. 5 – 6

Umpolung S. 7 – 9

Strahlen / Sonnenwinde S. 10 – 11

Experimentelle Messung des Magnetfeldes S. 12 – 13

Der Einfluss des Erdmagnetfeldes auf Lebewesen S. 14 -15

Allgemeines zum Erdmagnetfeld

Das magnetische Erdfeld besteht aus mehreren Anteilen von denen der größte das Dipolfeld ist. Das Dipolfeld beruht auf elektrischen Strömen im flüssigen Erdinneren, wobei das erzeugte Feld, dem eines Stabmagneten ähnelt.
Das im Erdkern erzeugte erdmagnetische Hauptfeld trägt dabei zu mehr als 95% der Feldstärke bei. Die fehlenden Kontingente werden durch äußere Anteile (Ionen- und Magnetosphäre) und Störkörper (selbstmagnetisierte Mineralien) in der Erdkruste geliefert.

Die Stärke des Erdmagnetfeldes hat im letzten Jahrhundert um ca. 6% abgenommen. Betrug es vor einigen Tausend Jahren noch die Stärke von 200 µT (Mikro-Tesla), so bietet es heute im Mittel gerade noch knappe 50 µT auf. Vor 200 Jahren waren es ungefähr 100 µT.

Eine Besonderheit ist, dass der jeweilige geographische Pol konträr zum magnetischen Pol ist, was eine Folge der immer wiederkehrenden Umpolung des Magnetfeldes ist.
So ist momentan der geographische Nordpol ein magnetischer Südpol und umgekehrt.

Ebenso liegen die geographischen Pole und magnetischen Pole nicht direkt beieinander. Daher weist der Nordpol einer Kompassnadel nicht exakt in den geografischen Norden. Dieser Winkel zwischen der Achse der Kompassnadel und der geografischen Nordrichtung wird als Deklinationswinkel oder Missweisung und beträgt in nördlichen Gebieten 11,5°.

In Deutschland beträgt er 1,1 ° und nimmt jährlich um 0,15 ° ab.
Diese Winkeländerung wird durch die ständige Wanderung der Magnetpole verursacht.

Außerdem ist in der Nähe der magnetischen Pole die Flussdichte, also die Stärke des Magnetfeldes, höher als im Bereich des Äquators.

Aus dem Feldlinienbild des Dipolfeldes kann man auch ersehen, dass die magnetischen Feldlinien nicht parallel zur Erdoberfläche verlaufen. Den Winkel zwischen einer zur Erdoberfläche parallelen Ebene und der Feldlinie bezeichnet man als Inklinationswinkel. Er beträgt in Deutschland ca. 60 ° gegen die Horizontale und am Nord- und Südpol etwa 90°.

Magnetische Erscheinungen, insbesondere das Magnetfeld der Erde, haben die Menschen schon seit Urzeiten beschäftigt. Inzwischen wissen wir, dass das Magnetfeld der Erde auch ein wichtiger Schlüssel zum Verständnis des Erdinneren ist: Verlauf und Stärke des Magnetfeldes an der Erdoberfläche und im Außenraum der Erde verraten uns wichtige Details darüber, wie der “Erddynamo” im Inneren der Erde funktioniert, der das beobachtete Magnetfeld erzeugt.

Entstehung des Magnetfeldes / Der Geodynamo

Über die Entstehung des Erdmagnetfeldes gibt es verschiedene Theorien, wobei keine bisher mit 100%iger Wahrscheinlichkeit bestätigt werden konnte.
Sicher ist aber, dass im äußerlichen Erdmagnetfeld eine Energie (der Größenordnung 1018 Joule) gespeichert ist und vermutlich die Energie im inneren Feld (innerhalb des Erdkörpers) um zwei Größenordnungen höher liegt. Das Erdmagnetfeld speichert somit auch einen Drehimpuls.
Nach der bekanntesten und wahrscheinlichsten Theorie wird das Magnetfeld vom Erdkern aus erzeugt.
Ausschlaggebend für den Erdmagnetismus ist der aus flüssigem Magma bestehende innere Kern der Erdkugel, der ca. 95% des natürlichen Magnetfeldes erzeugt. Dieser Kern aus heißem Metall beginnt in einer Tiefe von 2900 Kilometern, befindet sich infolge von Auftriebskräften und der Erddrehung in ständiger Bewegung und besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit.

Durch Temperaturunterschiede zwischen dem heißen Erdkern und der kühleren, ihn umgebenden Kruste (Erdmantel), entstehen so genannte Konvektionsströmungen.
Da sich der äußere Kern der Erde schneller als ihr Mantel um die Erdkruste dreht (die so genannte Superrotaion), entsteht wie bei einem Generator dauernd elektrischer Strom, der das Magnetfeld der Erde aufbaut. Gemäß dem dynamoelektrischen Prinzip wird durch die Bewegung der elektrisch leitfähigen Schmelze in einem schwachen Ausgangsmagnetfeld ein elektrischer Strom induziert, der seinerseits ein Magnetfeld aufbaut. Es führt zu einer verstärkten Induktion und erzeugt das Magnetfeld der Erde. Man spricht daher auch vom Geodynamo.

Das Erdmagnetfeld wird also aus der kinetischen Energie des Erdkerns erzeugt. Die Konvektion der Ströme der Schmelze kann auch als Rotationsbewegung angesehen werden, die das Bestreben hat, die ursprüngliche Richtung der Rotationsachse, ähnlich einem Foucaultschen Pendel, beizubehalten. Dieses ist eine alternative Beschreibung für die Ablenkung durch die Corioliskraft (entsteht durch die Drehbewegung der Erde). Daher liegen die magnetischen Pole etwa in der Nähe der geographischen Pole.
Möglicherweise tragen aber auch die von Mond und Sonne ausgehenden Gezeitenkräfte zur Entstehung des Erdmagnetfeldes bei. Durch sie wird die Erde in ihrer Rotation allmählich abgebremst. Die Gezeitenkräfte wirken dabei auf den Erdmantel stärker als auf den Erdkern, denn der größere Radius des Erdmantels führt zu einem größeren Unterschied der Anziehung durch den Mond, da die dem Mond zu- und abgewandten Bereiche des Erdmantels weiter voneinander entfernt sind als die entsprechenden Bereiche des Erdkerns.
In der Konsequenz bedeutet die stärkere Abbremsung des Erdmantels, dass der innere Erdkern ein wenig schneller rotiert als der Erdmantel, was nicht zuletzt durch die Wirkung des äußeren flüssigen Erdkerns als reibungsarmes Medium ermöglicht wird. Durch die schnellere Rotation des festen Erdkerns gegenüber dem Erdmantel wird ein elektrischer Strom induziert, der das Erdmagnetfeld hervorruft.
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Umpolung

Ein besonderes, heute noch nicht völlig verstandenes geophysikalisches Phänomen ist die unwillkürliche Umpolung des Erdmagnetfeldes, also das völlige vertauschen von Nord- und Südpol. Der Hauptanteil des Erdmagnetfeldes verändert sich dabei nur sehr langsam (Säkularvariation).
Die Umpolung fand im Laufe der Erdgeschichte häufig statt (ca. alle 0,25 – 0,5 Millionen Jahre) und wird dies voraussichtlich weiter tun. Die Richtungsänderung verlief dabei meist in einem Zeitraum von 1000 – 10.000 Jahren.
Die Entdeckung der Umpolung geht auf das Ocean Drilling Program zurück, bei dem man parallel zu den mittelozeanischen Rücken, an denen flüssiges Gesteinsmaterial austritt, mehr oder weniger breite Streifen entgegengesetzter magnetischer Polarität gefunden hat. Die in den Streifen konservierten magnetischen Minerale haben sich vor ihrer Erstarrung nach dem jeweils herrschenden Magnetfeld ausgerichtet und zeigen heute dessen wechselnde Polarität an. Derartige Umpolungen kündigen sich durch kleinere Änderungen der Magnetfeldeigenschaften an und liegen somit Störungen im Geodynamo zugrunde.
Vor allem dynamische Vorgänge auf der Sonne führen zu großer magnetischer Unruhe, den so genannten magnetischen Stürmen, die in hohen Breiten als Polarlichter in Erscheinung treten und technische Einrichtungen wie Telekommunikationssatelliten oder Überlandstromversorgungsnetze empfindlich stören können.
Das Magnetfeld variiert außerdem örtlich. In der Umgebung von Moskau ist es z. B. sehr schwach. Sowohl Lagerstätten von Erzen oder bestimmten Mineralien, als auch Schiffswracks, U-Boote oder See-Minen bewirken eine Abweichung von der regulär erwarteten magnetischen Flussdichte. Auf Abbildung kann man den Feldlinienverlauf unseres Erdmagnetfeldes ohne äußeren Einfluss erkennen.

Mögliche Ursachen…
Beobachtungen aus den vergangenen 150 Jahren zeigen, dass die Stärke des Magnetfeldes während dieser Zeit kontinuierlich abgenommen hat. Satellitenmessungen weisen ebenfalls auf eine Abschwächung des Erdmagnetfeldes hin, die im Nordatlantik bei etwa 1% pro Jahr liegt. Viele Wissenschafter sind der Meinung, dass dies ein Anzeichen auf eine Umpolung des Magnetfelds ist.
Weitere Anzeichen sind beispielsweise Stellen in der Kern-Mantel-Zone, wo die Richtung des Magnetflusses umgekehrt ist als für die jeweilige Hemisphäre üblich. Die größte dieser Regionen erstreckt sich südlich unter der Südspitze Afrikas nach Westen bis unter die Südspitze Südamerikas (Südatlantikanomalie). Weitere Flussrichtungswechsel zeichnen sich unter der Ostküste Nordamerikas und unter der Arktis ab. Diese Bereiche vergrößern sich messbar und bewegen sich immer weiter polwärts. Mit diesem Phänomen lässt sich die Schwächung und anschließende Umkehrung des Dipolfeldes erklären.

Die Flussumkehr entsteht, wenn sich auf der Kern-Mantel-Grenze durch Turbulenzen die Konvektionsströme und damit auch die magnetischen Feldlinien, die im Kern normalerweise horizontal verlaufen, zu vertikalen Schlaufen verbiegen. Tritt eine solche Schlaufe in einem Punkt aus dem Kern aus und in einem anderen wieder in ihn ein, so erhält man zwei räumlich nah beieinander liegende Orte mit unterschiedlicher Richtung des magnetischen Flusses. Diese Anomalien können das Gesamtfeld schwächen, wenn die Region mit dem umgekehrten Fluss näher am geographischen Pol liegt als die Region mit normalem Fluss, weil das Dipolfeld besonders empfindlich auf Veränderungen im Polbereich reagiert. Bis zur vollständigen Polumkehr werden also diese Anomalien immer weiter wachsen.

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…und Folgen
So führt die beobachtete Abnahme der magnetischen Feldstärke dazu, dass sich die Strahlung aus dem Weltraum in der näheren Umgebung der Erde erhöht, da sie dem Sonnenwind etwas stärker ausgesetzt ist. So erleiden bereits heute z. B. hoch fliegende Satelliten in Regionen niedriger Magnetfeldstärke 90% ihrer Schädigung durch Teilchenstrahlung hoher Energie. Ebenso würde sich das Krebsrisiko beim Menschen Aufgrund des instabilen Magnetfeldes bzw. den erhöhten Strahlungen drastisch erhöhen.
Theorien für eine erneute Umpolung des Magnetfeldes unterscheiden sich dabei extrem voneinander und zeigen, dass auch das Phänomen der Umpolung noch nicht völlig erforscht ist.
So gehen manche Theorien davon aus, dass eine Umpolung schon längst fällig wäre oder in den nächsten 700 bis 1000 Jahren oder sogar erst 7000 Jahren stattfinden würde.

Strahlen / Sonnenwinde

Der von der Sonne ausgehende Sonnenwind besteht aus Wasserstoff- und Helium-Ionen sowie Elektronen. Treffen diese Teilchen mit teilweise sehr hohen Geschwindigkeiten auf unsere Erde, so werden sie auf der Tagseite durch das Erdmagnetfeld komprimiert und um die Erde herumgeleitet. Auf der Nachtseite zieht das Erdmagnetfeld sie zu einem Schweif in die Länge, der sogar über die Mondbahn hinausgeht, wie in der Abbildung zu erkennen ist. Ohne diesen magnetischen Schutzschirm der Erde hätte sich sicherlich kein Leben der heutigen Form entwickeln können.

In der Mitte des Schweifes ist die magnetische Flussdichte sehr gering, dort sammeln sich geladene Teilchen an (Plasmaschicht). Das Magnetfeld der Erde lenkt die geladenen Teilchen des Sonnenwindes ab und wird dadurch in großen Höhen stark verformt. Satellitenmessungen zeigen, dass sich auf der sonnenabgewandten Seite ein Plasmaschweif ausbildet.
Zudem gibt es aber auch plötzliche und kurzzeitig auftretende Änderungen und Schwankungen des Erdmagnetfeldes (von ca. 100T- 1000 nT), die so genannten erdmagnetischen Stürme.
Sie werden hauptsächlich durch die Sonnenaktivität verursacht. Der Sonnenwind verursacht nicht nur Schwankungen des Magnetfeldes der Erde, da er nicht konstant ist, sondern wird auch vom Magnetfeld der Erde beeinflusst.

Auch die an den Feldlinien entlang fliegende Teilchen erzeugen im Zusammenstoß mit Teilchen unserer Lufthülle Leuchterscheinungen, die wir als Polarlichter kennen. Diese Lichter sind begleitet von mehrere Millionen Ampere starken elektrischen Strömen in der Ionosphäre.

Als sekundärer Effekt werden auch Störströme in Überlandleitungen induziert.
Mehrfach sind dadurch schon großräumige Stromausfälle ausgelöst worden.

Experimentelle Messung des Magnetfeldes

Am Beispiel einer rotierenden Spule:
Herleitung
F = B * A
Die magnetische Flussdichte B multipliziert mit der Fläche A ergibt den magnetischen Fluss F.
Hat man nun eine Spule mit mehreren Windungen, so ist die induzierte Spannung:
Ui = N * DF/Dt
Die induzierte Spannung Ui ist Windungszahl multipliziert mit der Ableitung des Flusses nach der Zeit. Dies heißt also :
Ui = N * B*DA/Dt
Bei einer Kreisbewegung ändert sich die Fläche mit Sinus. Die Drehfrequenz w ist
w = 2*p *f .
Es ergibt sich für die Fläche abgeleitet nach der Zeit
DA/Dt= Ao * sin (w*t) A’= Ao *w*cos (w*t)
Ao ist die Spulenfläche, wobei der Cosinus im Maximum gleich eins ist, so ist die induzierte Spannung :
Uimax = N *B *Ao *w
Uimax = N *B *Ao * 2*p *f
Nun muss noch nach B aufgelöst und im Messversuch die maximal induzierte Spannung gemessen werden. Auch die gemessene Frequenz bzw. Drehzahl werden mit der Windungszahl und der Spulenfläche multipliziert und nach dem unbekannten B des Magnetfeldes der Erde aufgelöst.
B = Uimax /N * Ao *2*p *f

In der Abbildung erkennt man das Prinzip einer Leiterschleife im Magnetfeld und deren Flächenänderung bei Rotation .

Der Einfluss des Erdmagnetfeldes auf Lebewesen

Obwohl das natürliche Magnetfeld der Erde nur sehr schwach ist, beeinflusst es dennoch viele biologische Vorgänge. So verfügen viele Tiere über winzige Magnetitkristalle (ferromagnetische Substanzen) in ihren Organen, die ihnen die Orientierung und Navigation in unbekanntem Gebiet erlaubt.
Bei Brieftauben befinden sich diese Magnetitkristalle z.B. im Schnabel.
Weitere Tierarten sind z. B. Blindmäuse, Haustauben, Zugvögel, Meeresschildkröten, Haie, Kolibakterien, Bienen, Schmetterlinge, Fische, Fledermäuse, Reptilien und Wale.
Doch sorgen gerade Störungen im Magnetfeld führen immer wieder zur Orientierungslosigkeit vieler Tiere, was sich auch in der steigenden Anzahl z. B. gestrandeter Wale zeigt, oder auch Brieftauben oftmals die Orientierung verlieren.

So gibt es auch einige Bakterienarten (u. a. mikroaerophile Bakterien, die am besten wachsen können, wenn die Sauerstoffkonzentration der Umgebung sehr viel geringer ist als die der Luft), die in ihrem Inneren Magnetosomen (magnetischen Partikel, die für die Orientierung sorgen) enthalten.
Diese wirken wie Kompassnadeln und drehen die Bakterien parallel zu den Feldlinien des Erdmagnetfelds.
Die Bakterien schwimmen daher in nördlichen Breiten zum magnetischen Südpol, in südlichen Breiten zum magnetischen Nordpol. Durch den Neigungswinkel des Erdmagnetfeldes zur Horizontalen schwimmen die Bakterien auch stets schräg nach unten, dicht über dem Sediment wo die jeweilige O2-Konzentrationen geringer ist.

Anders als bei Tieren verfügt das menschliche Gehirn nur über winzige Mengen dieser Magnetitkristalle. Diese erklären allerdings die Wetterfühligkeit.
Daher dienen Hilfsmittel zur Orientierung (z.B. der Kompass in der frühen Schifffahrt, der schon um 1250 n. Chr. Erfunden wurde) und Vermessung des Erdmagnetfeldes.
Heutzutage wird vor allem das Protonenmagnetometer wegen seiner hohen Auflösung insbesondere in der Kartographisierung, Ortung von Seeminen und U-Booten und Erkundung von Wracks usw. vom Flugzeug benutzt. Es arbeitet nach dem Prinzip der freien Drehbewegung von Atomkernen (Protonen) im Erdmagnetfeld nach der Anregung durch ein sehr starkes künstliches Polarisationsfeld. Die Frequenz der Drehbewegung der Protonen ist proportional zur Stärke des Erdmagnetfeldes und kann gemessen werden.

Doch auch in der Weltraumfahrt mussten sich die Wissenschaftler mit den Einflüssen des Magnetismus auf den menschlichen Organismus verstärkt auseinandersetzen, da die Raumfahrer ohne den Einfluss des Erdmagnetfeldes oftmals depressiv, wahrnehmungsgestört und kraft- und energielos zur Erde zurückkamen.
Daher werden beispielsweise die Raumanzüge und Weltraumkapseln heutzutage mit erdähnlichen sie umgebenden Magnetfeldern ausgestattet, da die früheren Astronauten allzu zur Erde zurückkehrten

Weiterhin hat das Magnetfeld auch eine heilende Wirkung.
Wissenschaftler konnten zeigen, dass Magnetfelder zweifelsfrei Einfluss auf das Wohlbefinden des Menschen haben.
Aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften durchdringen Magnetfelder den menschlichen Körper nahezu ungehindert und können dadurch ihre Energie bis an die tiefste Zelle im Körper übertragen.
Eine Eigenschaft, die die Magnetfeldtherapie von anderen physikalischen Therapiemöglichkeiten unterscheidet, welche nur eine geringe Eindringtiefe besitzen, und somit hauptsächlich an der Oberfläche ihre Wirkung entfalten.

Eine solche Behandlung dient beispielsweise dem Stressabbau und der Regeneration, der Steigerung der Immunabwehr, fördert die Durchblutung, hilft bei Erkrankungen des Bewegungsapparates (Osteoporose, Arthrose, Muskelverspannungen…) und auch chronischen Erkrankungen wie Rheuma oder Multiple Sklerose.