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Brüchiger Schild

Alarm im Orbit: Das schwächelnde Magnetfeld der Erde lässt die kosmische Strahlung immer tiefer in die Atmosphäre dringen. Gefahr droht vor allem Satelliten, aber auch Flugzeugen und sogar der Stromversorgung.

Bis vor einigen Monaten konnte Prof. Volker Haak vom Geoforschungszentrum (GFZ) Potsdam in Ruhe forschen. Sein Spezialgebiet, das Erdmagnetfeld, interessierte nur Experten und Esoteriker. Doch nun schauen oft Journalisten bei ihm vorbei. Es herrscht Katastrophenstimmung: Das Magnetfeld, das die Erde vor kosmischer Strahlung schützt, verliert rasch an Kraft. In den letzten 20 Jahren hat es im globalen Mittel um 1,7 Prozent abgenommen, über dem südlichen Atlantik sogar um rund 10 Prozent. Über die letzten 200 Jahre summiert sich die weltweite Abnahme auf mehr als 10 Prozent. Obendrein hat eine Polarexpedition im letzten Jahr aus dem Packeis schlechte Nachrichten mitgebracht. Auf der Suche nach dem magnetischen Nordpol mussten die Forscher weit fahren, denn seit der letzten Ortung vor sieben Jahren ist der imaginäre Punkt um fast 300 Kilometer gewandert. Das bedeutet: Der Magnetpol hat seine Drift erheblich beschleunigt, von bisher rund 10 auf etwa 40 Kilometer pro Jahr – und steuert nun von Kanada geradewegs auf Sibirien und Europa zu. Die Indizien verdichten sich, dass eine Umpolung der Erdmagnetfelds bevorsteht. Wenn die Feldstärke im gleichen Tempo weiter abnimmt, zeigt der Kompass in 2000 Jahren nach Süden. Vorher wird die Magnetnadel jahrhundertelang verrückt spielen, weil es dann voraussichtlich mehr als zwei Pole geben wird. Eine solche Feldumkehr mit vielpoligem Vorspiel ist längst überfällig, denn die letzte liegt schon 780000 Jahre zurück. Und Paläomagnetiker haben aus Gestein herausgelesen, dass die Pole in den letzten 90 Millionen Jahren etwa alle 500000 Jahre gewechselt haben. Allerdings verliefen die irdischen Wechseljahre recht undramatisch. Die Natur ließ sich – so zeigen Fossilien-Untersuchungen – vom fehlenden Magnetschutz nichts anmerken: keine genetischen Schäden, keine Massensterben, wie manche Wissenschaftler früher spekuliert hatten. Kein Wunder: Auch ohne Magnetfeld hält die Atmosphäre das Trommelfeuer winziger Teilchen aus dem Kosmos vom Erdboden weitgehend fern. Wozu also die ganze Aufregung? Ein Ereignis, das erst in 2000 Jahren ansteht und nicht einmal unsere Gesundheit bedroht – kann uns das nicht egal sein? „Eindeutig: Nein“, sagt Haak und spricht von einer „besorgniserregenden Entwicklung“. Viele Kollegen teilen seine Befürchtungen, denn die moderne Technologie ist anfällig für Gefahren aus dem All. Die Schwindsucht des Magnetschilds greift die Weltwirtschaft ausgerechnet an ihren empfindlichsten Stellen an: der Kommunikation, der Computertechnik, dem Luftverkehr und der Energieversorgung. Und das nicht erst in ferner Zukunft. So genannte Magnetstürme, angefacht von starker Sonnenaktivität, richten schon heute Millionenschäden an. „Das ist keine Science-Fiction“, warnt Frank Jansen von der Greifswalder Weltraumwetterwarte. Sogar das große Versicherungsunternehmen „Schweizer Rück“, dem Katastrophen jeglicher Art am Herzen liegen, hat sich das Thema vor kurzem in einer reich bebilderten Broschüre vorgenommen. Vor allem Satelliten leiden unter dem kosmischen Beschuss. Die energiereichen Partikel lassen Metall korrodieren, zerstören einzelne Komponenten, unterbrechen die Verbindung zum Kontrollzentrum oder führen sogar zum Totalverlust. Ein schwächelndes Magnetfeld erhöht die Gefahr: Erdtrabanten auf geostationären Bahnen könnten bald „nackt im Sonnenwind“ stehen, warnt Haak. Aber auch Flugzeuge und ihre Besatzungen sind gefährdet. Denn bei der Kollision kosmischer Teilchen mit Bestandteilen der Atmosphäre entsteht die „sekundäre kosmische Strahlung“, die bis zum Erdboden vordringt. Passagiere hoch fliegender Maschinen, etwa der Concorde, sind besonders gefährdet. Der Geomagnetismus gehört zu den seltsamsten Erscheinungen der Erde: Man kann ihn nicht sehen oder fühlen, dennoch zwingt er die Kompassnadel in eine bestimmte Richtung und weist Zugvögeln und Bienen den Weg. Schon Alexander von Humboldt hielt dessen Erforschung für eine der „wichtigsten und eigentümlichsten Arbeiten“ seines Lebens. Seit bald 200 Jahren wird das Magnetfeld systematisch vermessen – allerdings mit erheblichen Schwierigkeiten. So musste das magnetische Observatorium in und bei Berlin mehrmals verlegt werden, weil elektromagnetische Störfelder die Ergebnisse verfälschten. Bei jeder neuen Stromleitung gab es Probleme. Die Station in Berlin, die Humboldt 1836 errichtet hatte, musste schon 1890 wegen des einsetzenden Elektrosmogs auf den Potsdamer Telegrafenberg umziehen. Als dort der Treidel-Verkehr auf dem nahen Teltow-Kanal elektrifiziert wurde, ging es 1907 ins nahe Seddin – bis dort die S-Bahn mit Strom lief. Seit 1930 hat die Station im abgelegenen Niemegk ihren Sitz, rund 50 Kilometer von Potsdam entfernt. Damit keine Leitung den Instrumenten zu nahe rückt, engagieren sich die Verantwortlichen inzwischen sogar im Stadtparlament. Seit 1980 helfen Satelliten bei der Feldarbeit. Das GFZ hat im Juli 2000 mit CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) einen besonders leistungsfähigen Späher in 400 Kilometer Höhe platziert, der Tag für Tag auf polarer Bahn mehr als 15-mal die Erde umkreist. Seine Messungen zeigen, dass die Erde tatsächlich einem Stabmagneten mit zweipoligem Feld gleicht – allerdings nur in grober Näherung. Vor allem über dem Südatlantik fällt eine ausgedehnte Anomalie auf. Dort erreicht das Magnetfeld nur 60 Prozent der Stärke, wie sie bei einem Stabmagneten zu erwarten wäre. Der Schutzschild bricht hier, rund um Rio de Janeiro und Buenos Aires, mit großer Geschwindigkeit zusammen. „Bei Null ist nicht Schluss“, orakelt GFZ-Magnetfeldexperte Prof. Hermann Lühr. Hier könnte sich ein Gegenpol bilden. Doch Voraussagen über Veränderungen des Magnetfelds sind mit Vorsicht zu genießen. Das Erstellen eines Wetterberichts ist im Vergleich dazu eine exakte Wissenschaft. So weiß bis heute niemand, warum es Epochen von 50 Millionen Jahren und länger gab, in denen die Magnetpole stabil blieben. Obwohl das Magnetfeld seit mindestens 2000 Jahren an Kraft verliert, kann sich der Trend von heute auf morgen umkehren. Denn seinen Ursprung hat es 2900 Kilometer tief unter der Erde, im äußeren Erdkern, wohin kein Forscherblick reicht. Dort zirkuliert bei höllischen Temperaturen von etwa 5000 Grad und einem Druck von 2 Millionen Atmosphären glutflüssiges Eisen mit einer – für irdische Verhältnisse – rasanten Geschwindigkeit von rund 30 Kilometern pro Jahr um den inneren Erdkern, der wegen des ungeheuren Drucks aus festem Metall besteht. Wie im Kochtopf windet sich die Glut korkenzieherartig nach oben, kühlt dort ab und sinkt wieder. Man kann sich diese Konvektionswirbel wie Hoch- und Tiefdruckgebiete in der Atmosphäre vorstellen. Die Corioliskraft zwingt die Strömung in eine kreiselnde Bewegung. Obendrein gibt sie den Wirbeln eine Vorzugsrichtung: parallel zur Erdachse. Die rotierende Eisenschmelze hat somit Ähnlichkeit mit einer Spule, wie sie in jedem Fahrraddynamo steckt, und erzeugt wie diese ein Magnetfeld. Man spricht deshalb vom Geodynamo. Allerdings unterscheiden sich Erde und Dynamo in einem entscheidenden Punkt: Während die Spule akkurat gewickelt ist, verändern sich die Strömungen in Erdkern ständig. Die Wirbel auf- und absinkender Materie wandern durch die Unterwelt wie die Hoch- und Tiefdruckgebiete durch die Atmosphäre. Kein Wunder also, dass auch der Magnetpol ständig auf Achse ist. Zu einer Umpolung kommt es, wenn auf einer Erdhälfte – um in der Wetter-Analogie zu bleiben – einwandernde Tiefdruckgebiete eine Hochdruckwetterlage ablösen. Derzeit stehen die Zeichen auf Sturm. Das Magnetfeld nimmt mit erstaunlichem Tempo ab – „mit mehr als Schallgeschwindigkeit“, wie Haak es ausdrückt. Denn selbst wenn der Geodynamo plötzlich stillstünde, was freilich nur auf dem Papier möglich ist, wäre das Magnetfeld erst in etwa 10000 Jahren verschwunden. Doch derzeit verfällt der Geomagnet zehnmal schneller. Im Erdkern müssen sich also Strömungen gebildet haben, die beim Zerstörungswerk mitmachen. Sie drehen gegen die bislang vorherrschende Marschrichtung und betreiben damit Sabotage. Die Auswirkungen sind längst spürbar. So macht das Magnetloch über dem südlichen Atlantik tief fliegenden Satelliten zu schaffen. Der „harte Strahlungsgürtel“, der als breites Band um den Äquator liegt, reicht hier bis auf wenige 100 Kilometer hinab, während er sonst in 1000 bis 2000 Kilometer Höhe verläuft. In diesem Gürtel schwirren besonders viele hochenergetische – und damit zerstörerische – Teilchen umher, gefangen zwischen den magnetischen Feldlinien, die in Äquatornähe parallel zur Erdoberfläche verlaufen. Satelliten auf erdnahen Bahnen wie CHAMP bekommen an der südamerikanischen Atlantikküste täglich innerhalb von 15 Minuten 90 Prozent ihrer gesamten Strahlendosis ab.

Besonders kritisch wird es bei schlechtem Weltraumwetter, wenn der Beschuss hochenergetischer Teilchen aus dem Weltall zunimmt (bild der wissenschaft 3/2000, „Und jetzt das Wetter aus dem All“ ). Für diese so genannten Magnetstürme ist vor allem die Sonne verantwortlich, die immer wieder in einer Art Gewitter Ströme elektrisch geladener Partikel ins All schießt. Alle elf Jahre treibt sie es besonders toll, was man an einer großen Zahl von Sonnenflecken erkennen kann. Gerade jetzt steckt sie in einem solchen Aktivitäts-Maximum, so dass die deutsche Weltraumwetterwarte in Greifswald mehrmals Alarmstufe Rot melden musste: höchste Gefahr. Der Sonnenwind beschleunigt dann für Stunden oder Tage auf dreifache Geschwindigkeit, von etwa 400 bis 500 auf rund 1500 Kilometer pro Sekunde. Er drückt das Magnetfeld der Erde noch tiefer als gewöhnlich zusammen. Schon bei durchschnittlichem Weltraumwetter gibt der Sonnenwind dem Feld eine kometenähnliche Form: An der Stirnseite misst der Magnetmantel nur rund 60000 Kilometer, an der sonnenabgewandten Seite reicht er als Schleppe Millionen Kilometer weit ins All. Astronauten dürfen bei Magnetsturm keinen Weltraumspaziergang machen, und der Start einer Ariane-Rakete wurde schon einmal vorsichtshalber verschoben. Im Januar 1997 ging im kosmischen Unwetter der Kommunikationssatellit Telstar 401 der amerikanischen Telefongesellschaft AT&T verloren. Schaden: mehrere hundert Millionen Dollar. Wahrscheinlich hatte die Strahlung wichtige Komponenten elektrisch aufgeladen und zerstört.

Strahlungsprobleme gehören im Weltraumgeschäft zur Tagesordnung. Eine finnische Studie listete 31 Unregelmäßigkeiten in den letzten Jahren auf. Die Dunkelziffer ist hoch, denn die Betreiber „reden nicht gerne über Schäden“, meint Lühr. Gefürchtet sind Stromstöße, die beim Auf- oder Entladen in Satelliten-Bauteilen entstehen. Sie greifen nicht nur das Material an, sondern können auch zu Geisterkommandos führen. Das weltweite Ortungssystem GPS, das auf eine ganze Armada von Satelliten angewiesen ist, spielt bei Magnetstürmen regelmäßig verrückt. Landvermesser, die auf exakte Daten angewiesen sind, gehen dann gar nicht erst ins Gelände. Auf der Erde machen sich Magnetstürme durch Polarlichter bemerkbar – freilich meist nur in Polnähe, wo die magnetischen Feldlinien steil stehen (bild der wissenschaft 10/1998, „Leuchtende Rätsel am Himmel“). Dort können geladene Teilchen tief in die Atmosphäre eindringen und Gasteilchen zum Leuchten anregen. So wunderschön das Schauspiel aussieht – es signalisiert Gefahr: Wo die geisterhaften Lichtwolken wabern, verändert der kosmische Teilchenbeschuss das Magnetfeld. Dann fließen in hundert Kilometer Höhe elektrische Ströme bis zu einer Million Ampere und induzieren damit auf der Erde nach dem Prinzip eines Transformators elektrische Felder. Zwischen zwei Punkten auf der Erdoberfläche liegt dann eine Spannung. Und wo ein elektrischer Leiter – zum Beispiel eine Überlandleitung oder eine Pipeline – verläuft, fließt Strom mit einer beachtlichen Stärke: bis zu 100 Ampere. Schon in 40 Jahren könnten über Deutschland die Polarlichter tanzen, wenn der geomagnetische Nordpol seine gegenwärtige Marschrichtung beibehält. Was das bedeutet, haben die Kanadier am 13. März 1989 zu spüren bekommen. Bei einem Magnetsturm zerstörten Geisterströme im Hydro-Quebec-Kraftwerk zunächst einige Transformatoren und legten schließlich das ganze System lahm. Ein Teil Kanadas war neun Stunden im Dunkeln. In Gas- und Öl-Pipelines kann es zwar nicht zum Blackout kommen, doch dort lassen die brisanten Ströme das Metall korrodieren. Und bei der Eisenbahn greifen sie in den Verkehrsablauf ein: Wie von Geisterhand schalteten 1982 in Schweden bei einem Magnetsturm Signale um. Um den kosmischen Launen nicht hilfslos ausgeliefert zu sein, rät Prof. Haak dringend zur Vorsorge. Das sei wie bei Erdbeben, meint er: Man könne die Erdstöße zwar nicht verhindern, aber Gebäude stabil genug auslegen, so dass sie nicht zusammenstürzen. Kanadische Energieversorgungs-Unternehmen haben bereits viele Millionen Dollar für zusätzliche Sicherungen investiert, doch „wir machen gar nichts“, schimpft der Experte über deutsche Saumseligkeit. Immerhin haben viele Nationen inzwischen das Weltraumwetter als wichtiges Forschungsgebiet entdeckt und basteln an einer Vorhersage. Eine Warnung vor Magnetstürmen ist möglich: Wenn man einen Sonnenausbruch sieht, dauert es noch zwei bis vier Tage, bis der Teilchenschauer die Erde erreicht. In dieser Zeitspanne können zum Beispiel empfindliche Satellitenteile ausgeschaltet oder in den Sonnenschatten gedreht werden. Und Stromkonzerne können gefährdete Leitungen vom Netz nehmen. Es empfiehlt sich auch, empfindliche Bauteile wie Siliziumchips doppelt oder dreifach einzubauen. Denn ausgerechnet die hochintegrierten Schaltkreise, das Fundament der neuen Technologie-Ära, reagieren empfindlich auf kosmische Strahlung. Der Konzern IBM experimentierte schon vor 15 Jahren mit Speicherchips auf 3100 Meter Höhe, wo die Strahlung 13-mal stärker ist als auf Meeresniveau. Ergebnis: Jede Woche schlichen sich mehrere Fehler ein. Solche „Soft Errors“ bleiben zwar für Computernutzer meist unbemerkt, doch je stärker die Strahlung und je winziger die Schaltungen, desto größer die Gefahr. Vor allem im Flugverkehr ist Vorsicht geboten, denn moderne Maschinen sind auf Gedeih und Verderb auf elektronische Komponenten angewiesen.

Vor zwei Jahren hat die Europäische Union eine Richtlinie beschlossen, um das Flugpersonal zu schützen. Danach gelten Piloten und Stewardessen als stahlungsexponierte Personen. „ Eigentlich müssten die Fluglinien bald bestimmte Strecken meiden oder tiefer fliegen“, meint Weltraumwetter-Experte Jansen. Kritische Zonen sind die Schwachstellen im irdischen Magnetschild: die Pole und der Südatlantik. Dort muss die Concorde inzwischen ihre übliche Flughöhe von 15 Kilometern verlassen. Im Unterschallverkehr gibt es dagegen noch keine Auflagen, obwohl ein Passagier auf einem Langstreckenflug von Frankfurt nach Buenos Aires etwa 1000-mal so viel Strahlung abbekommt wie auf einem Flug nach Tokio. Wenn das Magnetfeld weiter an Kraft verliert, wird irgendwann jeder Kompass unbrauchbar. Nicht nur Segler und Pfadfinder lassen sich vom Magnetfeld leiten, sondern auch viele Tiere. Man darf gespannt sein, wie Zugvögel und Meeresschildkröten auf einen Magnet-GAU reagieren. Doch wahrscheinlich werden sie selbst nach einer Umpolung ihr Winterquartier und ihren Brutplatz wiederfinden. Sonst hätte die Evolution die Magnetfeld-Navigation schon vor Jahrmillionen aus ihrem Leistungskanon gestrichen. Furchtsame Esoteriker wissen sich längst zu helfen: Sie lassen sich Silberfäden in die Bettwäsche weben, so dass sie unter einem Faraday-Käfig schlafen, und meiden an Tagen mit Magnetstürmen heikle Aufgaben. „Sogar manche Chirurgen“, wundert sich Haak, „ fragen hier jeden Tag nach dem Weltraumwetter.“

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Kompakt

Das Erdmagnetfeld hat in den letzten 20 Jahren im globalen Mittel um 1,7 Prozent abgenommen. In 2000 Jahren könnte der Kompass nach Süden zeigen. Schon heute hat der Schutzschild gegen die kosmische Strahlung Löcher. Vorsorge ist nötig – vor allem bei Satelliten, die einem immer härteren kosmischen Beschuss ausgeliefert sind. In der Nähe der Magnetpole sind Stromleitungen, Pipelines und der Eisenbahnverkehr in Gefahr.

Klaus Jacob

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Quan|ten|bio|lo|gie  〈f. 19; unz.〉 Anschauung, die entsprechend der Quantentheorie in der Physik auch in der Biologie Vorgänge sieht, bei denen Entwicklungen im Großen durch Prozesse an einzelnen Atomen gesteuert werden

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