Solares Pflaster für kränkelndes Erdmagnetfeld

28.05.2004

Was geschähe mit der Biosphäre, wenn das Erdmagnetfeld vollständig ausfiele? Nichts, sagen deutsche Astronomen nach einer Computersimulation, da die Erde vom Sonnenwind erste Hilfe bekäme

Immer wieder wird das Erdmagnetfeld als wichtige Grundbedingung für die Entstehung und dauerhafte Existenz des Lebens auf unserem Planeten ins Spiel gebracht. Ohne ein solches wäre es infolge des solaren und kosmischen Strahlenbeschusses erst gar nicht zur Ausbildung einer Biosphäre auf unserem Planeten gekommen, so das bisherige Standardargument. Doch wie Harald Lesch von der Universität München und zwei seiner Kollegen jüngst in einer Computersimulation berechneten, hätte ein eventueller Ausfall des Magnetfeldes für die Erde eben doch keine nachhaltige Wirkung gehabt – damals wie heute. Kurioserweise würde dabei ausgerechnet die Sonne, die ja selbst "todbringende" Strahlung emittiert, erste Hilfe leisten.

Ist es nicht faszinierend, dass nach dem Urknall alle kosmischen Weichen derart präzise gestellt wurden, dass nach einer langen Entwicklung zumindest auf einem Planeten unseres Universums eine geologische und biologische Evolution Fuß fassen konnte, die vorübergehend sogar eine intelligente mit Bewusstsein ausgestattende Lebensform hervorbrachte, die sich Gedanken über Gott und die Welt zu machen vermag? Was wäre wohl geschehen, wenn nur ein einziger zur Ausbildung dieses Universums und unseres Daseins unabdingbarer Parameter um Nuancen anders ausgefallen, nur ein Dominostein in der kosmischen, geologischen und biologischen Evolutionskette anders oder überhaupt nicht gefallen wäre? Wie sähe unsere Welt wohl aus, wenn die ereignisreiche Kettenreaktion, die vom Urknall zum Menschen und mit Sicherheit auch zu außerirdischen Lebensformen führte, eine andere Richtung eingeschlagen hätte?

Mosaikstein des Anthropischen Prinzips

Heute wissen wir, dass bereits winzige Variationen in den Zahlenwerten von Naturkonstanten, Wechselwirkungsparametern und den Anfangsbedingungen im Urknall den Kosmos und die Struktur der Materie mitsamt aller Himmelskörper drastisch verändert hätte. Ausgehend von der Prämisse, dass das Fundament für unsere heutige Existenz auf unserem Planeten schon in der anfänglichen Urknall-Phase sehr gezielt gelegt wurde, reflektiert und diskutiert das so genannte Anthropische Prinzip die physikalischen Gesetze, die Naturkonstanten und die kosmologischen Anfangsbedingungen. Dabei geht es um die Frage, ob die – von wem auch immer – vorgenommenen kosmischen Feinabstimmungen derart exakt justiert waren, dass sich daraus zwangsläufig Leben, so wie wir es kennen, entwickeln musste oder ob gar der Faktor Zufall – sich im Zuge der Evolution selbst multiplizierend – unser Dasein bedingte.

Die Küche, in der der Sonnenwind gebraut wird

Gewiss, dass sich binnen 13,7 Milliarden Jahren quasi aus dem Nichts Bewusstsein bilden konnte, setzte schier unzählige Anfangsbedingungen, Prozesse und Evolutionen voraus, von denen allenfalls Mosaiksteine bekannt sind. So wäre unser Universum glattweg zu einem lebensfeindlichen Gebilde verkommen, hätte nicht mindestens eine Generation von Sternen ausreichend Zeit gehabt, sich zu entwickeln und schwere Elemente zu produzieren, wäre es nicht zu einem minimalen Überschuss von Materie über Antimaterie gekommen. Aber auch die Anzahl der Raumdimensionen war elementar. Beispielsweise hätten Planeten bei einem Raum mit mehr als drei Dimensionen ihre Heimatsterne nicht in stabilen Bahnen umrunden können. Und bei einem Raum mit weniger als drei Dimensionen wären komplexe neuronale Netzwerke nicht entstanden: Die Biochemie hätte nicht über den für die biologische Evolution notwendigen Entfaltungsspielraum verfügen können.

Erdmagnetfeld als Mosaikstein

Natürlich sind die für die Ausbildung dieses Kosmos notwendigen bekannten Feinabstimmungen in Wahrheit noch viel komplizierter und in ihrer qualitativen und quantitativen Dimension bei weitem komplexer. Hinzu kommt, dass viele dieser Mosaiksteine höchst abstrakt und zum Teil sogar noch völlig unbekannt sind.

Gleichwohl gibt es aber auch recht konkrete Feinabstimmungen, die Astronomen immer gerne anführen, um etwa einen bestimmten wichtigen Faktor des Anthropischen Prinzips bildhaft vor Augen zu führen. Hierzu zählt auch das Magnetfeld der Erde. Noch heute gilt dieses quasi als ein Musterbeispiel, mit dem sich anschaulich darlegen lässt, wie viele Zufälle dereinst vonnöten gewesen waren, damit auf unserer Heimatwelt im Zuge der Evolution überhaupt eine Biosphäre aufkommen konnte. Hätte das Erdmagnetfeld unseren Planeten, so deren Argument, nicht wie ein schützender Mantel umhüllt und vor dem Teilchenbeschuss aus dem All wirkungsvoll abgeschirmt, wäre das irdische Leben den hochenergetischen solaren und kosmischen Partikeln hilflos aufgeliefert gewesen - mit radikalen Folgen für die damalige Flora und Fauna.

Dynamischer Geodynamo

Freilich konnten Wissenschaftler verschiedenster Fachdisziplinen in den letzten Jahren dem Erdmagnetfeld weitere Geheimnisse entreißen. Inzwischen ist klar, dass dieses dem Feld eines Dipols ähnelt. Das dipolare Erdmagnetfeld liegt ungefähr parallel zur Rotationsachse der Erde und generiert sich durch elektrische Ströme im Innern des Erdkerns. Genauer gesagt durch die Wärme, die im flüssigen äußeren Eisenkern der Erde in rund 3000 Kilometer Tiefe gespeichert ist. Infolge des einsetzenden vom Erdkern in den Gesteinsmantel reichenden Wärmeflusses setzt sich das flüssige Eisen in Bewegung. Aber erst unter dem Einfluss der Erdrotation kommt es zum so genannten Dynamo-Effekt, der dann das Erdmagnetfeld erzeugt.

Als dynamisches Gebilde weist ein solcher Geodynamo zwangsläufig eine lebhafte Geschichte auf, wohingegen Geophysiker dieses Phänomens noch nicht allzu lange beobachten und dokumentieren. Erst seit 150 Jahren messen diese kontinuierlich die Feldstärke des Erdmagnetfeldes. Dank der vorliegenden Daten hat sich unterdessen herauskristallisiert, dass besagte Feldstärke seither um 10 Prozent abgenommen hat.

Der Sonnenwind und das Erdmagnetfeld (Bild

Doch das Geschichtsbuch der Erde führt noch zu anderen Kapiteln, die schon vor langer Zeit geschrieben wurden. Paleomagnetische Messungen deuten nämlich darauf hin, dass das Dipolfeld der Erde in den letzten 400 Millionen Jahren einige hundert Mal umgekehrt wurde und diese Polaritätswechsel sogar dramatische Zusammenbrüche des Magnetfeldes nach sich gezogen haben. Phasenweise musste die Erde bis zu 20.000 Jahre ohne einen magnetischen Dynamo auskommen. Bei alledem ereignen sich solche Katastrophen zudem noch regelmäßig, da sich der magnetische Nord- und Südpol im Schnitt alle 250.000 Jahre umkehren.

Gleichwohl fand die letzte Umpolung bereits vor etwa 730.000 Jahre statt. Rein rechnerisch wäre also die nächste schon seit langem fällig.

Nächste Feldumkehr in 1500 bis 2000 Jahren

Derweil sieht es ganz danach aus, als stünde ein solche tatsächlich alsbald bevor. Wie Forscher vor zwei Jahren mit dem dänischen Satelliten "Oerstrad" und der deutschen Forschungssonde CHAMP nachweisen konnten, baut das Erdmagnetfeld sukzessive ab. Die Quelle des Übels könnte südlich von Südafrika und im Bereich des Nordpols innerhalb des Erdmagnetfeldes liegen, wo die beiden Forschungssonden zwei Anomalien fanden, die möglicherweise die Ursache für eine bevorstehende Umpolung sein könnten.

"Während der letzten 200 Jahre wanderte der magnetisierte Südpol (übrigens nicht der Nordpol, wie teilweise berichtet) mehr als 1100 Kilometer", schreiben die deutschen Forscher in einem Artikel, der in der Fachzeitschrift "Astronomy&Astrophysics" in der nächsten oder übernächsten Ausgabe erscheinen wird.

Bald vier Jahre im Orbit

Die Geschwindigkeit, mit der diese Polumkehr erfolge (Nord- und Südpol wandern mit unterschiedlicher Geschwindigkeit), sei die höchste seit der letzten totalen Feldumkehr vor 730.000 Jahren. Bei einem fortschreitenden Wachstum im selben Tempo sei davon auszugehen, dass sich die beiden magnetischen Pole in 1500 bis 2000 Jahren erneut umpolen, schreiben die Astronomen in dem Fachbeitrag, der Telepolis als Vorabdruck vorliegt.

Welche nachhaltigen Konsequenzen dies später einmal haben könnte, darüber haben nicht nur Science-Fiction-Autoren, sondern auch gestandene Wissenschaftler in der Vergangenheit ihren Phantasien freien Lauf gelassen. Womöglich könnte, so deren Befürchtung, dadurch die Ozonschicht der Erde Schaden nehmen, so dass verstärkt schädliche UV-Strahlung bis zum Boden gelangt. Am Ende könnte die hochenergetische solare und kosmische Strahlung die Biosphäre völlig zerstören oder der Sonnenwind die Atmosphäre glattweg hinwegfegen und ein apokalyptisches Szenario unbekannten Ausmaßes heraufbeschwören.

Sonnenwind leistet erste Hilfe

"Soweit wird es aber nicht kommen", sagt Prof. Harald Lesch vom Institut für Astronomie und Astrophysik der Ludwig-Maximilians-Universität München, der zusammen mit Guido T. Birk und Christian Konz kürzlich eine hochkomplexe nichtlineare Computersimulation durchführte, bei der die Berechnungen primär auf einer Frage basierten: Was geschähe, wenn das ohnehin schwindende Erdmagnetfeld als Folge der Polumkehr total zusammen bräche?

Von dem Ergebnis ihres Experiments war das Trio selbst überrascht. Nicht zu Unrecht, denn die Modellrechnungen ergaben, dass die Biosphäre der Erde von einem potentiellen starken Abfall der Feldstärke des Erdmagnetfeldes oder gar einen kompletten Ausfall völlig unberührt bliebe. Denn bevor der kosmische Teilchenbeschuss seine todbringende Wirkung überhaupt entfalten kann, springt für den "alten" ein neuer Schutzschild in die Bresche – mit dem Effekt, dass das induzierte Feld genau so stark wie das Original-Erdmagnetfeld ist.

"Wir waren sehr überrascht über die Effektivität dieses neuen Feldes, unsere Simulationen zeigten, dass in der oberen Atmosphäre in wenigen Stunden eine magnetische Schutzschicht erzeugt wird, die ungefähr genauso stark wie das heutige magnetische Dipolfeld wirkt"

Der Grund dafür liegt in der Relativbewegung des vollständig ionisierten Sonnenwinds und der teilweise ionisierten oberen Erdatmosphäre. Die negativ und positiv geladenen Teilchen des Sonnenwinds stoßen nämlich unterschiedlich häufig mit den neutralen Molekülen der Erdatmosphäre zusammen. Dadurch entsteht eine Relativbewegung zwischen den die elektrische Ladung tragenden Teilchen, mit anderen Worten ein elektrischer Strom. Da ein elektrischer Strom immer auch mit einem Magnetfeld verbunden ist, hängt die Stärke des generierten Magnetfeldes von der Stossfrequenz der Teilchen und der Geschwindigkeit der Relativbewegung ab.

Nächtliche Aurora. Eine solche blüht dann zur vollen Schönheit auf, sobald der Sonnenwind auf das Erdmagnetfeld trifft. (Bild

Wie sich im Computerexperiment zeigte, entsteht in der Ionosphäre automatisch ein Ersatzmagnetfeld, wenn der ionisierte und voll magnetisierte Sonnenwind mit 400 Kilometern pro Sekunde auf die neutrale, also nicht-magnetisierte Erdatmosphäre trifft. "Die Feldstärke, die sich ungefähr 350 Kilometer über dem Erdboden ergibt, ist absolut identisch mit der Feldstärke, die der magnetische Dipol der Erde in dieser Höhe erzeugt", erklärt Lesch. Bei einem Ausfall des irdischen Magnetfeldes würde die Atmosphäre auf der sonnenzugewandte Seite der Erde bereits binnen 15 Minuten wieder ausreichend magnetisiert sein, nach einigen Stunden sogar komplett. Schwach sei das Magnetfeld dagegen lediglich auf der sonnenabgewandten Seite, betonen die Forscher.

Venus macht es vor

Die Folgen, die sich aus dem Computerexperiment für die Entwicklung und Ausbildung außerirdischer Lebensformen ergeben, sind vor dem Hintergrund des Anthropischen Prinzip nicht zu unterschätzen. "Die Verknüpfung unserer Studie mit dem Anthropischen Prinzip halte ich für ganz wichtig, da bei diesem immer so getan wird, als seien die Faktoren, die miteinander multipliziert werden, völlig unabhängig voneinander", betont Lesch. "Das ist aber eben nicht der Fall".

Sollte jedenfalls ein kleinerer extrasolarer Planet über kein eigenes Magnetfeld verfügen, welches dem kosmischen Strahlenbombardement Paroli zu bieten vermag, wäre da immer noch das solare Pflaster in Form eines Sonnenwindes. Es könnte immer noch für den Fall der Fälle den kränkelnden planetaren Patienten versorgen und im Notfall erste Hilfe leisten.

"Schauen sie sich dieVenus an. Sie hat kein eigenes Magnetfeld. Und trotzdem entdeckten Astronomen auf ihrer sonnenzugewandten Seite ein Magnetfeld

Nämlich genau aus dem Grund, den wir jetzt simuliert haben. Hier prallt der Sonnenwind auf eine neutrale Atmosphäre."

Da aber auch auf extrasolaren Planeten in einer habitablen Zone derselbe Effekt zu erwarten wäre, könnte dies für die Evolution von außerirdischen Lebensformen auf Sterntrabanten ohne eigenes Magnetfeld von elementarer Wichtigkeit sein. Schließlich wäre der Theorie von Lesch, Birk und Konz zufolge ein Magnetfeld eben keineswegs mehr eine notwendige Bedingung für die Ausbildung und Entwicklung von Leben, so wie wir es kennen und definieren.

Patient Erde

Aber mehr noch. Die dramatischen Massenextinktionen in der Erdgeschichte ließen sich dem Lesch’schen Modell zufolge fortan nicht mehr mit dem zeitweiligen Zusammenbrechen des Geodynamos schlüssig erklären. Hierzu Lesch:

"Unsere Simulationen erklären, weshalb es nie zum dramatischen Aussterben von Lebewesen korreliert mit Perioden der Umkehrung des magnetischen Dipolfelds der Erde kam."

Interessanterweise ist in der Erdgeschichte der magnetische Dynamo in der Tat schon mehrfach ausgefallen. So konnten japanische Forscher vor 30 Jahren aus Stichprobe-Analysen von Tiefseebohrungen ablesen, dass das Magnetfeld der Erde vor einer Million Jahren für eine ungewöhnlich lange Phase praktisch ganz abgeschaltet war. Für sage und schreibe 10.000 bis 20.000 Jahren war unser Planet der hohen kosmischen Strahlenbelastung schutzlos ausgeliefert. Hätte da nicht – Sonne sei dank – ein überaus effektives solares Pflaster unseren Planeten verarztet, wäre der Homo sapiens sapiens möglicherweise nicht von und in dieser Welt.

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