Warum ist die Erde überhaupt magnetisch?

Norden, Süden, Osten, Westen – die vier Himmelsrichtungen orientieren sich am Erdmagnetfeld. Mit Hilfe eines Kompass können wir uns daher auch in unbekanntem Gelände zurecht finden. Dass wir den Magnetismus der Erde zur Orientierung nutzen, scheint uns inzwischen selbstverständlich. Doch woran liegt es eigentlich, dass die Erde magnetisch ist?

Wie in einem Fahrraddynamo bewirken die Bewegungen im Erdinneren einen elektrischen Strom.
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Die Lösung verbirgt sich tief im Inneren der Erde, im heißen Erdkern. Hier herrschen Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius. Dieser Erdkern besteht aus einer Mischung aus Eisen und Nickel. Sein Inneres ist fest, sein Äußeres dagegen etwa so flüssig wie Quecksilber. Das flüssige Material des äußeren Erdkerns bewegt sich auf dem festen inneren Kern wie auf einer extrem heißen Herdplatte. Innerhalb dieser flüssig heißen Eisen-Nickel-Masse sorgen Temperaturunterschiede dafür, dass sich Ströme ausbilden: Heißes Material steigt auf, kühleres sinkt ab. Die Schwerkraft treibt diesen Materialfluss zusätzlich an.

Und es gibt noch eine Kraft, die sich einmischt: die Corioliskraft, die durch die Erdrotation entsteht. Diese bewirkt, dass sich die Strömungen im äußeren Erdkern wie Schrauben verdrehen und sich entlang der Erdachse ausrichten. Doch auch das macht die Erde noch nicht zum Magneten. Erst die Tatsache, dass die fließende Masse elektrisch geladen ist, erzeugt ein elektrisches Feld: Strom fließt. Um diesen elektrischen Stromfluss herum bildet sich – wie um jeden Leiter, der Strom führt – ein Magnetfeld: das Erdmagnetfeld!

Dieser Vorgang läuft ständig und funktioniert so ähnlich wie ein Fahrraddynamo: Er wandelt Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Darum wird der Prozess, der das Erdmagnetfeld erzeugt, auch Geodynamo genannt.

Magnet Erde

Wir bemerken es zwar nicht, aber die Kompassnadel zeigt uns deutlich: Die Erde ist ein riesiger Magnet. Sie besitzt zwei magnetische Pole, einen Nordpol und einen Südpol. Und wie alle Magnete umgibt die Erde ein Magnetfeld: das Erdmagnetfeld.

Eisenspäne machen das Feld eines Stabmagneten sichtbar
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Im Bereich seines Magnetfeldes übt ein Magnet Kraft auf andere Magnete aus, zum Beispiel auf eine Kompassnadel. Auch durch feine Eisenspäne lässt sich die Wirkung eines Magneten sichtbar machen: Sie ordnen sich um den Magneten an und zeigen in Richtung seiner beiden Pole. Ein linienartiges Muster entsteht, das die magnetischen Kräfte anzeigt. Die Linien dieses Magnetfeldes sind die so genannten Feldlinien.

Die Kompassnadel richtet sich nach dem Erdmagnetfeld aus
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Auch das Erdmagnetfeld besitzt solche Feldlinien. In der Nähe des Südpols treten sie aus der Erde aus, verlaufen außerhalb der Erde bis zum Nordpol und verschwinden dort wieder in der Erde. Sie sind also angeordnet, als würde sich mitten durch die Erde ein riesiger Stabmagnet ziehen.

Der Südpol dieses gedachten Stabmagneten weist in etwa zum geographischen Nordpol, sein Nordpol zum geographischen Südpol. Was zunächst verwirrend klingt, hat eine einfache Erklärung: Nord- und Südpol ziehen sich an. Darum zeigt der Nordpol der Kompassnadel zum magnetischen Südpol der Erde, der Südpol auf der Nadel zum magnetischen Nordpol.

Das Erdmagnetfeld dient aber nicht nur der Orientierung auf diesem Planeten. Es schützt uns zusammen mit der Atmosphäre auch vor Gefahren aus dem Weltraum. Eine dieser Bedrohungen ist ein geladener Teilchenstrom, den die Sonne ständig in alle Richtungen ausstößt. Dieser so genannte Sonnenwind wird vom Erdmagnetfeld abgelenkt. Wie eine Kapsel leitet das Erdmagnetfeld die geladenen Teilchen um, so dass sie an der Erde vorbeifliegen und für uns nicht mehr gefährlich sein können.

Wie ist die Erde aufgebaut?

Zu Anfang war die junge Erde ein heißer Ball aus geschmolzener Materie. Alle Bestandteile waren zunächst gut durchgemischt, so wie sie bei der Entstehung der Erde gerade verteilt waren: Metalle, Gesteine, eingeschlossenes Wasser und Gase und vieles mehr – ein großes Durcheinander.

Am Anfang war die Erde eine heiße, flüssige Gesteinskugel
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Doch im Laufe der Zeit änderte sich das: Die schwereren Stoffe sanken nach unten zum Erdmittelpunkt – vor allem Metalle. Gesteine hingegen waren etwas leichter und stiegen nach oben, die leichtesten bis zur Erdoberfläche. Dort kühlten sie langsam ab und erstarrten.

Schichtaufbau der Erde
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So trennte sich das Material der Erde in die drei kugelförmigen Schichten, die wir heute kennen. Man kann sich den Aufbau der Erde vorstellen wie einen Pfirsich: Außen ein hauchdünne „Schale“ aus leichtem, festem Gestein – die Erdkruste. Sie ist im Durchschnitt nur 35 Kilometer dick.

Unter der Kruste befindet sich das „Fruchtfleisch“ – der fast 3000 Kilometer mächtige Erdmantel aus schwerem zähflüssigem Gestein. Und im Inneren der Erde liegt der Erdkern aus den Metallen Eisen und Nickel.

Der Erdkern selbst besteht zunächst aus einer etwa 2200 Kilometer dicken äußeren Schicht, dem äußeren Kern. Dort ist es über 5000 Grad Celsius heiß, deshalb ist das Metall geschmolzen und so dünnflüssig wie Quecksilber.

Ganz innen liegt der innere Kern, etwas kleiner als der Mond. Er ist mit über 6000 Grad Celsius noch etwas heißer als der äußere Kern – aber überraschenderweise fest. Das liegt daran, dass mit zunehmender Tiefe nicht nur die Temperatur steigt, sondern auch der Druck. Die äußeren Schichten, die auf dem Erdkern lasten, drücken sein Material so unvorstellbar stark zusammen, dass es sich nicht verflüssigen kann.

Was passiert im Erdinneren?

Die Lavalampe – Kult aus den 70ern: In einer zähen Flüssigkeit steigen dicke Blasen langsam auf, sinken wieder zu Boden und blubbern erneut nach oben. Eine ähnliche Kreisbewegung von heißem, zähflüssigem Gestein findet auch direkt unter unseren Füßen im Erdinneren statt. Was ist aber die Ursache dafür?

Lavalampe
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Egal ob Lavalampe, Wasser im Kochtopf oder Erdmantel, der Grund ist immer gleich: Wenn eine Flüssigkeit erwärmt wird, steigen warme Blasen nach oben. Das liegt daran, dass die winzigen Teilchen, aus denen sie besteht, sich bei zunehmender Temperatur immer stärker hin und her bewegen. Dafür brauchen sie mehr Platz und drängeln sich nicht mehr so eng zusammen. Im gleichen Volumen sind jetzt weniger Teilchen als in der Umgebung, es ist also leichter und steigt nach oben. Dort kühlt diese Blase wieder ab und die Teilchen brauchen weniger Platz. Das Volumenstück wird schwerer als die Umgebung, sinkt wieder ab und der Kreislauf beginnt von vorne. Wenn eine Flüssigkeit wegen eines Temperaturunterschieds im Kreis fließt, spricht man auch von Konvektion.

Bei einer Lavalampe bringt die Wärme der Lampe die Flüssigkeit in Bewegung. Im Erdinneren ist der heiße, feste innere Erdkern die Wärmequelle. Er erwärmt das darüber liegende flüssige Metall des äußeren Erdkerns. Dieses steigt nach oben und gibt seine Wärme an den Erdmantel weiter, wodurch es allmählich abkühlt. Dann sinkt es wieder nach unten, wo es sich erneut erhitzt.

Ein zweiter, ähnlicher Kreislauf findet im Erdmantel statt: Sein aufgeheiztes Gestein bewegt sich vom Kern nach oben in Richtung Erdkruste, an die es wiederum Wärme abgibt. Nachdem es sich abgekühlt hat, fließt es abwärts zum Erdkern, wo der Kreislauf erneut beginnt. Weil das Erdmantelgestein sehr zäh ist, bewegt es sich die Konvektionsströmung nur wenige Zentimeter pro Jahr – so dauert ein Kreislauf eine lange Zeit.

Durch die Gesteinsströme im Erdinneren wirken große Hitze und Druck auf die dünne Erdkruste. Nicht immer kann sie dem Stand halten: Ab und zu reißt sie an einzelnen Stellen auf und heißes Erdgestein entweicht durch Vulkane an die Erdoberfläche.

Warum ist die Erde innen warm?

Unter unseren Füßen brodelt das flüssige Innere der Erde. Vulkanausbrüche und Geysire zeigen, welche Hitze dort herrscht – im Erdkern über 6000 Grad Celsius. Aber warum ist es in der Erde eigentlich so heiß?

Die Erde war nach ihrer Entstehung zuerst eine glühende Kugel.
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Ein Großteil der Hitze stammt noch aus den Kindertagen der Erde, als sich Staub und Gesteinsbrocken zu einem Planeten verdichteten. Das Wort „verdichten“ klingt allerdings etwas zu harmlos: In Wirklichkeit muss man sich das vorstellen, wie viele große Meteoriteneinschläge – jeder Einschlag eine gigantische Explosion, die den jungen Planeten aufheizte und das Material schmolz.

Meteoriteneinschläge heizten die junge Erde zusätzlich auf.
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Seitdem ist es etwas ruhiger geworden und die Erde kühlt sich wieder ab. Das tut sie allerdings äußerst langsam, die Hitze im Erdinneren kann nur sehr langsam in das Weltall entweichen. Heiße Magmaströme im zähen Erdmantel transportieren die Wärme nach oben. Dort bleibt sie unter der starren Erdkruste wie unter einem Deckel eingeschlossen. Nur langsam gibt das Krustengestein die Wärme ins Weltall ab.

Außerdem wird im Inneren der Erde immer noch Wärme nachproduziert. Das liegt daran, dass die Erde in ihrem Kern eine Menge radioaktiver Stoffe wie beispielsweise Uran besitzt. Seit der Entstehung unseres Planeten zerfallen sie und geben dabei über einen sehr lange Zeitraum Wärme ab. Dieser „Brennstoff“ reicht noch für viele Milliarden Jahre.

Bewegtes Erdmagnetfeld

Das Erdmagnetfeld verhält sich so ähnlich wie das eines gewöhnlichen Stabmagneten. Es gibt aber auch entscheidende Unterschiede. So ist das Erdmagnetfeld nicht starr, sondern dynamisch. Seine magnetischen Pole sind ständig in Bewegung. Zurzeit liegt der magnetische Südpol in der Nähe des geographischen Nordpols. Mit etwa 40 Kilometer im Jahr wandert er nach Nordwesten. Auch der magnetische Nordpol in der Antarktis verschiebt sich, und zwar vom geographischen Südpol weg.

Blick auf den geographischen Nordpol
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Die magnetischen Pole sind also auf Wanderschaft. Aber nicht nur das: Im Lauf der Geschichte hat sich das Erdmagnetfeld schon mehrfach komplett umgepolt. Durchschnittlich alle 250.000 Jahre ist das geschehen. Die letzte Umpolung liegt schon etwa 780.000 Jahre zurück. Ist eine erneute Polumkehr also „überfällig“? Seit einigen Jahren messen Experten, dass das Erdmagnetfeld schwächer wird. Diese Beobachtung sehen sie als Zeichen dafür, dass sich das Magnetfeld der Erde tatsächlich langsam umkehrt: Irgendwann wird der magnetische Südpol in der Antarktis liegen, der magnetische Nordpol in der Arktis. Wissenschaftler vermuten, dass es bis zu einer vollständigen Umpolung noch etwa 2000 Jahre dauern wird.

Der Beweis dafür, dass sich das Erdmagnetfeld schon mehrfach umgepolt hat, ist im Gestein verewigt. Gut sichtbar ist das vor allem an den mittelozeanischen Rücken, also an den Stellen, an denen der Ozeanboden wächst: Hier tritt ständig glutheißer Gesteinsbrei aus, der auch Eisen enthält. Solange dieser Gesteinsbrei flüssig ist, richten sich seine Eisenbestandteile nach dem aktuellen Erdmagnetfeld aus. Wenn das Gestein abkühlt und erstarrt, bleibt diese Ausrichtung auf Dauer darin „eingefroren“. Weil bekannt ist, wie stark die Ozeanböden wachsen, lässt sich anhand der magnetischen Ausrichtung dieses Gesteins ungefähr ausrechnen, wann und wie oft sich das Magnetfeld der Erde schon umgepolt hat.