Magnetfeld der Erde

In der heutigen Sendung wollen wir uns mit dem Erdmagnetfeld beschäftigen. Dem aufmerksamen Zeitgenossen dürfte nicht entgangen sein, dass in den letzten Jahren wiederholt Berichte über das schwächelnde Magnetfeld oder über einen bevorstehenden Polsprung in den Medien auftauchten. Die Bilder von gestrandeten Walen oder auch der Vogelflug erinnern uns daran, dass das Magnetfeld der Erde offensichtlich eine wichtige Bedeutung für viele Lebewesen hat.

Zunächst zu der Frage: Wie erklären die Geowissenschaften das Zustandekommen des Erdmagnetfeldes?

Das Magnetfeld der Erde verhält sich so, als würde sich ein relativ kleiner, aber sehr starker Stabmagnet in der Nähe des Erdmittelpunkts befinden, der um etwa 11 Grad gegen die Rotationsachse der Erde geneigt ist. Die Feldlinien des Erdmagnetfeldes weisen am magnetischen Nordpol in Richtung auf das Erdinnere und am magnetischen Südpol nach außen. Ein freischwingender Kompass richtet sich parallel zu den lokalen Kraftlinien aus, also ungefähr in Nord-Süd-Richtung. Nach der gängigen Theorie geht das Magnetfeld der Erde vom Erdkern aus. Damit überhaupt ein Magnetfeld entstehen kann, müssen verschiedene Bedingungen erfüllt sein. Es muss eine große Menge einer elektrisch leitenden Flüssigkeit vorhanden sein. Diese Bedingung erfüllt der flüssige äußere Erdkern, der stark eisenhaltig ist und den inneren festen Kern aus nahezu reinem Eisen umschließt. Das Eisen im Erdkern selbst ist nicht magnetisch, da bei Temperaturen über 500 Grad Celsius der Magnetismus von Eisen zerstört wird.

Es muss eine Energiequelle vorhanden sein, damit sich die eisenhaltige Flüssigkeit durch Konvektion bewegt. Unter Konvektion versteht man den Transport von Wärmeenergie gebunden an die Strömung eines Mediums. Am besten kann man das verstehen, wenn man sich einen Wasserkocher vor Augen führt. Beim Erhitzen kommt es zu einem Aufstieg des heißen Wassers vom Boden. Schätzungen gehen davon aus, dass der feste Erdkern etwa 500 Grad Celsius heiß ist. Er wirkt dann sozusagen wie eine Herdplatte auf das flüssige Eisen im äußeren Erdkern.

Die dritte Bedingung für das Entstehen eines Magnetfeldes ist die Rotation. Durch die Erddrehung entstehen im flüssigen Erdkern Verwirbelungen und Turbulenzen. Nach dem Dynamoprinzip wird durch die Bewegung der elektrisch leitfähigen Schmelze ein elektrischer Strom induziert, der dann seinerseits ein Magnetfeld hervorruft. Möglicherweise tragen auch die vom Mond und der Sonne ausgehenden Gezeitenkräfte zur Entstehung des Erdmagnetfeldes bei. Die Gezeitenkräfte bewirken letztlich, dass der innere Erdkern schneller rotiert als der Erdmantel und die Erdkruste. Wie wir ja bereits wissen, ist der innere Erdkern von Flüssigkeit umgeben und kann sich nahezu reibungsfrei bewegen. Aus der Analyse von Erdbebenwellen weiß man inzwischen, dass der innere Erdkern tatsächlich etwas schneller rotiert als Erdmantel und Erdkruste.

Es gibt inzwischen auch völlig andere wissenschaftliche Vorstellungen über die Entstehung des Erdmagnetfeldes. Im Juni 2009 hat eine Publikation von Professor Gregory Ryskin von der Northwestern University für erhebliches Aufsehen gesorgt. Er überrascht mit einer völlig neuen Theorie über die Schwankungen im natürlichen Magnetfeld der Erde. Nach seinen Untersuchungen werden die Veränderungen nicht durch Vorgänge im Erdinneren, sondern durch die Meeresströmungen hervorgerufen. Laut seiner Theorie wird das periodische Schwanken der Magnetpole durch das Meerwasser hervorgerufen, das durch seinen Salzgehalt elektrisch leitend ist und durch seine Strömungsbewegung im Erdmagnetfeld elektrische Ströme erzeugt. Ähnlich wie bei einem riesigen Dynamo werden so gewaltige Energiemengen freigesetzt, die sich laut der Meinung des US-Forschers direkt auf das Magnetfeld auswirken. Zur Untermauerung seiner Theorie hat er vergleichende Berechnungen sowohl des Magnetfeldes als auch der Strömungsdynamik herangezogen und festgestellt, dass die Daten größtenteils übereinstimmen.

Das Erdmagnetfeld hat am Äquator eine Stärke von ca. 30 µT, an den Polen ist der Betrag doppelt so groß, in Mitteleuropa sind es ca. 48 µT. Es gibt zwei Hauptquellen für das Erdmagnetfeld: 98 Prozent der messbaren magnetischen Feldstärke liefert das so genannte Innenfeld, dessen Quelle im Erdinneren liegt, siehe oben, zwei Prozent kommen aus dem Außenfeld, das auf elektrischen Strömen in der Ionospähre und Magnetosphäre beruht.

Seit ca. 150 Jahren beobachtet man eine fortschreitende Abnahme des Magnetfeldes. Nach aktuellen Daten nimmt die magnetische Feldstärke derzeit ca. 6,6 Prozent pro Jahrhundert ab, seit 1979 hat sie sich um 1,7 Prozent abgeschwächt. Allerdings gibt es Erdregionen, in denen das Erdmagnetfeld überdurchschnittlich schnell abnimmt. Die größte dieser Regionen erstreckt sich südlich unter der Südspitze Afrikas bis unter die Südspitze Südamerikas (Südatlantische Anomalie). Aus den Daten des dänischen Satelliten Oersted ergibt sich, dass sich das Magnetfeld im Südatlantik und am Nordpol bereits umgekehrt hat. Diese Regionen wirken daher wie ein Antidynamo. Das Magnetfeld dieses Antidynamos existiert gleichzeitig neben dem normalen Magnetfeld. Da ein sehr rasches Anwachsen des Antidynamos beobachtet wird, könnte dies innerhalb kurzer Zeit zu einer Umpolung des Erdmagnetfeldes führen.

Die Südatlantik-Anomalie führt dazu, dass dort verstärkt hochenergetische kosmische Strahlung auftritt. Die Raumstation ISS 90 empfängt 90 Prozent der gefährlichen Strahlung in der Südatlantikregion, obwohl sie sich dort nur 10 Minuten pro Tag aufhält. Was weiterhin beobachtet werden kann, ist eine zunehmend rasante Wanderung des magnetischen Nordpols. Derzeit liegt der magnetische Nordpol zwischen Nordostkanada und Grönland und hat jetzt eine Wanderungsgeschwindigkeit von ca. 40 km pro Jahr. Man schätzt, dass er bis 2050 Sibirien erreicht. Eine Umpolung des Erdmagnetfeldes hat sich schon mehrfach in der Erdgeschichte ereignet. Aufgrund der magnetischen Ausrichtung der Lavagesteine beidseits des mittelozeanischen Rückens weiß man, dass sich das Erdmagnetfeld etwa alle 250.000 Jahre umkehrt. Zuletzt hat sich dieses allerdings vor etwa 780.000 Jahren ereignet. Die nächste Umpolung ist also „längst überfällig“.

Das Erdmagnetfeld kann offenbar auch durch Erdbeben gestört werden. Im November 2005 wurde publiziert, dass das schwere Seebeben vor Sumatra vom 26.12.2004 tatsächlich eine derartige Störung des Erdmagnetfeldes hervorgerufen hat.

Im Oktober 2008 wurde veröffentlicht, dass das schwächer werdende Magnetfeld der Erde auch einen Einfluss auf den Treibhauseffekt hat. Münchener Wissenschaftler konnten nachweisen, dass das Meerwasser weniger Kohlendioxid aufnehmen kann, wenn die Einwirkung eines Magnetfeldes schwächer wird. Ende Dezember 2008 wurde bekannt, dass der magnetische Schutzschild der Erde ein gigantisches Loch aufweist, das zehnmal größer ist als bisher für möglich gehalten wurde - und dies zu einem Zeitpunkt, an dem das Magnetfeld eigentlich als dicht galt. Die Folgen dieses Ereignisses könnten bedeuten, dass in den nächsten Jahren besonders starke Magnetstürme auftreten, die z.B. Stromausfälle verursachen oder Ausfälle von Satelliten mit sich bringen werden.

Im Jahr 2007 ist ein interessantes Buch zum Thema Erdmagnetfeld erschienen. Es heißt „Gitterstrukturen des Magnetfeldes“. Darin werden die vorhandenen geologischen Daten einem speziellen mathematischen Verfahren unterzogen, wodurch sich eine neue Betrachtungsweise des Erdmagnetfeldes ergibt. Man könnte von einem magnetischen Schwingungsgefüge sprechen, das eine Gitterstruktur aufweist, dessen Frequenzstruktur zum inneren Schalenaufbau der Erde, zu den Schichten der Atmosphäre, zu der Schumannfrequenz etc. einen engen Bezug hat.

Bedeutung des Erdmagnetfeldes für Lebewesen

Es ist schon länger bekannt und vielfach belegt, dass sich zahlreiche Tierarten am Erdmagnetfeld orientieren. Erstmals wurde Mitte des 19. Jahrhunderts die Vermutung geäußert, dass Zugvögel das Erdmagnetfeld zur Orientierung nutzen können. Inzwischen konnte bei sehr vielen Tierarten ein Magnetsinn nachgewiesen werden, z.B. Vögel, Haie, Rochen, Thunfische, Wale, Alligatoren, Lurche, Schnecken, Bienen, Ameisen, Fledermäuse, Langusten etc. Regelmäßig erscheinen in den Medien Berichte über den Magnetsinn von Tieren: Am 03.07.2007 publizierte die Universität Frankfurt, dass auch Haushühner einen eingebauten magnetischen Kompass besitzen. Im Januar 2008 wurde von der Universität Bielefeld veröffentlicht, dass auch Zebrafinken sich am Erdmagnetfeld orientieren. Es betrifft also nicht nur Vögel, die längere Wanderungen unternehmen. Biologen der Universität Duisburg/ Essen haben auch bei Kühen einen Magnetsinn festgestellt. Kühe richten sich bevorzugt wie Kompassnadeln am Magnetfeld der Erde aus, wenn sie ruhen oder grasen. In der Nähe von Hochspannungsleitungen ist der Orientierungssinn gestört.

Es gibt auch einen Einfluss des Erdmagnetfeldes auf Pflanzen sowie auf verschiedene Bakterienarten. Man fand in Bakterien kleine magnetische Partikel, die das Mineral Magnetit enthalten und als Magnetosome bezeichnet werden.

Wie sieht es beim Menschen aus?

Die Bedeutung des Erdmagnetfeldes wird für das Leben und für die Gesundheit des Menschen als eher geringfügig eingestuft, zumindest von der überwiegenden Zahl der Wissenschaftler. Als Begründung dient die geringe magnetische Flussdichte des Erdmagnetfeldes. Allerdings sind für biologische Feldeffekte keineswegs besonders starke Magnetfelder notwendig. Bereits Mitte der 70er Jahre konnte eine Forschergruppe um den australischen Neurowissenschafler William Ross Adey nachweisen, dass Zellen nur in einem schmalen Intensitäts- und Frequenzbereich auf elektromagnetische Signale reagieren. Diesen Bereich nennt man seither das Adey-Fenster.

Ebenfalls in den siebziger Jahren des vorherigen Jahrhunderts mussten für die Raumfahrt spezielle Magnetfeldgeneratoren entwickelt werden, weil nach Rückkehr auf die Erde gesundheitlichen Probleme der Astronauten nachgewiesen wurden, z.B. verlangsamte Regeneration, Veränderungen des Blutes und der Muskulatur. Nach Einbau von Magnetgeneratoren in die Raumschiffe traten diese Probleme nicht mehr auf.

1992 wurde eine wichtige Erkenntnis zum Magnetsinn des Menschen publiziert. Forscher des Californian Institute of Technology in Pasadena konnten im Gehirnmaterial von Verstorbenen Magnetitkristalle in beträchtlicher Anzahl nachweisen. Die meisten Regionen des Gehirns enthielten 5 Mio. Magnetitpartikel pro Gramm Hirngewebe, die Hirnhäute sogar 100 Mio. pro Gramm. Die Magnetitpartikel waren meist zu Klumpen von 50 bis 100 Partikeln zusammengeballt, was sehr stark den Magnetosomen ähnelte, die man in Bakterien gefunden hatte.

Wie bedeutsam der Magnetismus für grundlegende Prozesse im Körper ist, zeigt die Vergabe des Nobelpreises für Chemie im Jahr 2003. Zwei Wissenschaftler, Peter Agre und Roderic Mc Kinnon, konnten nachweisen, dass der Wassertransport im Organismus auf speziellen Wasserkanälen, sogenannten Aquaporinen, basiert. Für den Transport der Wassermoleküle ist ein magnetischer Mechanismus verantwortlich. Ist dieser Mechanismus gestört oder behindert, sind zahlreiche biochemische oder biophysikalische Prozesse betroffen. Bereits kleine Veränderungen des Magnetfeldes können z.B. zu Störungen des zellulären Wassertransports führen.

Zum Schluss noch einige Studien über die biologischen und medizinischen Effekte von Magnetfeldveränderungen.

Die Zusammenfassungen der Studien kann man in der Medline database unter dem Stichwort „geomagnetic activity“ finden und nachlesen. Magnetstürme führten zu einer Zunahme der stationären Aufnahme in eine schottische psychiatrische Klinik. Bei Männern mit der Diagnose bipolare Depression stieg die Aufnahme wegen einer depressiven Episode um 36,2 Prozent.
Bei Frauen stieg die Zahl der stationären Einweisungen aufgrund von psychotischen und nichtpsychotischen Depressionen.

In einer russischen Studie an 40 Testpersonen wurde nachgewiesen, dass eine völlige Abschirmung des Erdmagnetfeldes zu erhöhten Fehlerquoten bei kognitiven Tests führte. Das Rabin Medical Center in Israel hat verschiedene Studien zum Thema Krankheiten und geomagnetische Aktivität publiziert, z.B. führt eine erhöhte geomagnetische Aktivität zu einer Steigerung der Gerinnung und Entzündungsaktivität, es kommt zu einem vermehrten Auftreten von Thrombosen. Im Zusammenhang mit geomagnetischen Stürmen konnte auch eine signifikante Zunahme von Verkehrsunfällen und Rechtsherzinfarkten nachgewiesen werden.

Bei 70.000 Neugeborenen in Israel wurde ein möglicher Zusammenhang zwischen angeborenen Herzmissbildungen und Umweltfaktoren untersucht. Es zeigte sich, dass die Zahl der Fälle mit Herzfehlern signifikant mit der Sonnenaktivität und der kosmischen Strahlung korrelierte, wobei natürlich der Krankheitsmechanismus einer näheren Untersuchung bedarf.

2007 wurde von russischen Wissenschaftlern publiziert, dass eine Verminderung des geomagnetischen Feldes bei Tumorpatienten zu einer Störung des angeborenen Immunsystems führte. Anscheinend führt der Abfall des geomagnetischen Feldes zu einer vermehrten Zerstörung von weißen Blutkörperchen.

2006 wurde von der Universität von Melbourne publiziert, dass bei Frauen die Selbstmordrate in Perioden einer erhöhten geomagnetischen Aktivität während der Herbstmonate deutlich anstieg.

Das Erdmagnetfeld scheint auch über das Geschlecht des Nachwuchses mitzuentscheiden, das haben russische Physiker entdeckt. Für ihre Studie berücksichtigten die Forscher 600 zufällig ausgewählte Geburten in der Region St. Petersburg von 1914 bis 1979. Von dem jeweiligen Geburtstermin gingen sie 280 Tage zurück, um den vermutlichen Empfängnistag zu ermitteln. Dann ermittelten sie den Status des Erdmagnetfeldes an diesem Tag und die unmittelbar davor und danach auftretenden Extremsituationen. Nahmen die Schwankungen des geomagnetischen Feldes zu, wurden demnach rund 15 Mädchen pro 10 Jungen geboren. Bei geringen Schwankungen kamen dagegen etwa 16 Jungen pro Mädchen zur Welt.