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Allgemein

Streit um den Erdkern

Zwei konkurrierende Forschergruppen haben erstmals das Erdmagnetfeld im Labor simuliert. Damit steht fest, daß Erdrotation und der äußere flüssige Erdkern ein stabiles Magnetfeld erzeugen. Jetzt geht es um die Entdeckerehre.

Wenn Wissenschaftler streiten, tun sie das meist auf Tagungen im trauten Kollegenkreis. Zwei Forschergruppen haben ihren Zwist jetzt öffentlich ausgetragen und sich mit Pressemeldungen und Gegendarstellungen traktiert. Das Forschungszentrum Karlsruhe und die Lettische Universität in Riga wollen jeweils als erste im Experiment gezeigt haben, wie das irdische Magnetfeld entsteht. Dabei ist das Rätsel in groben Zügen längst gelöst. Schon vor 400 Jahren erkannte William Gilberg, daß die Erde ein großer Magnet ist, und er beschrieb, wie ein Kompaß funktioniert. Der Leibarzt von Königin Elizabeth I. hätte sich freilich nicht träumen lassen, was im Innern der Erde vorgeht. In der Tiefe steckt kein gigantischer Stabmagnet – die Hitze würde eine permanente Magnetisierung zerstören. Heute gilt als gesichert, daß im äußeren Erdkern, zwischen 2900 und 5100 Kilometer Tiefe, eine flüssige Eisenlegierung zirkuliert. Wärmeunterschiede und die Rotation der Erde zwingen das elektrisch leitende Metall auf korkenzieherförmige Bahnen längs der irdischen Rotationsachse. In gewaltigen Spiralen wirbelt die Schmelze ständig von Norden nach Süden und zurück.

Daß dabei ein Magnetfeld entstehen kann, haben Geophysiker mit komplizierten Rechnungen und Computersimulationen gezeigt (siehe bild der wissenschaft 7/1997, „Der wirbelnde Kern“). In Analogie zu einem Dynamo sprechen sie vom „Geodynamo“. Ein experimenteller Nachweis fehlte allerdings bisher, weil es schwierig ist, im Labor die extremen Temperatur- und Druckverhältisse im Erdkern nachzustellen. Fünf Jahre arbeiteten die Karlsruher Forscher an einem Versuchsaufbau. An der Lettischen Universität in Riga liefen die Vorversuche sogar noch einiges länger. Beide Teams benutzen als Ersatz für die Eisen-Nickel-Legierung des Erdkerns flüssiges Natrium. Das macht es möglich, das Erdinnere auf Laborgröße zu verkleinern, ohne die Ergebnisse zu verfälschen. Das Alkalimetall schmilzt bei 97 Grad Celsius und hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Wegen seiner guten Fließfähigkeit kann es mit großer Geschwindigkeit durch die Versuchskammer gepumpt werden. Allerdings ist Natrium hochgefährlich, denn es reagiert heftig mit Wasser und verätzt feuchte Haut und Schleimhäute. Wer mit mehreren Kubikmetern davon hantiert, braucht ein speziell ausgerüstetes Labor. In Karlsruhe profitierten die Forscher von ihren Erfahrungen beim Bau des Schnellen Brüters, eines Kernreaktors, der mit Natrium gekühlt werden sollte. „Wir konnten verschiedene Komponenten von Kalkar nutzen, Ventile und Pumpen – alles kostenlos“, freut sich Sprecher Dr. Joachim Hoffmann. Die beiden Versuche unterscheiden sich erheblich in ihrem Aufbau. In Riga gaben sich die Forscher mit einem relativ einfachen Experiment zufrieden. Am 10. Dezember letzten Jahres zwangen sie 200 Grad heißes Natrium mit Pumpenhilfe in eine schraubenförmige Strömung. Als sie ein äußeres Magnetfeld einschalteten, entstand in der Schmelze für 15 Sekunden ein zweites, neues Magnetfeld. „ Ein wichtiges Ergebnis“, meint Mitarbeiter Dr. Frank Stefani. „ Das war nur ein Vorläuferexperiment von unserem“, stichelt dagegen der Karlsruher Konkurrent Hoffmann und merkt in einer Gegendarstellung süffisant an: „Nach vorliegenden Informationen konnte ein sich selbst verstärkendes Magnetfeld ohne äußere Anregung nicht generiert werden.“ Fünf Tage nach Riga lief der Karlsruher Versuch an, der die realen Verhältnisse im Erdinnern ein wenig besser imitiert. Die Geophysiker kamen ohne Anregung durch ein äußeres Magnetfeld aus und zwangen das Natrium statt in nur eine in 52 parallele Spiralbahnen. Durch Instabilitäten, die in jeder Strömung auftreten, entstand zunächst, wie von den Theoretikern vorausgesagt, ein schwaches Magnetfeld, das der Labor-Geodynamo verstärkte. Dieses Feld blieb länger als zehn Minuten stabil – für die Karlsruher Experimentatoren ein Grund zum Feiern. Fragen zur Dynamik des Magnetfeldes können die Versuche bisher allerdings nicht beantworten. Der irdische Magnetismus fasziniert vor allem wegen seiner Sprunghaftigkeit. Kein anderes Phänomen, das mit dem Erdinnern zu tun hat, ändert sich so rasch. Derzeit nimmt die Stärke des Magnetfelds jährlich um rund 0,7 Prozent ab. Lokal registrieren die Meßgeräte sogar innerhalb von Stunden erhebliche Schwankungen. Außerdem ist der magnetische Nordpol seit 1829, als er erstmals kartiert wurde, um mehrere hundert Kilometer nach Nordwesten gewandert. Noch beeindruckender: In unregelmäßigen Abständen, im Durchschnitt alle 500 000 Jahre, kehrt sich das Magnetfeld um, so daß man dann, um von München nach Hamburg zu gelangen, nach Süden fahren müßte. Während einer solchen Umpolung kann der Erdmagnet für viele Jahre ausfallen. Dann verlöschen nicht nur die wunderschönen Nordlichter, Kompasse werden nutzlos, sondern die Erde verliert auch ihren Schutzschild gegen die kosmische Strahlung (siehe bild der wissenschaft 6/1990, „Feld-Schwäche“). Viele dieser Beobachtungen lassen sich im Labor wohl niemals nachstellen. Immerhin plant das Team aus Karlsruhe bereits ein Nachfolge-Experiment, bei dem flüssiges Natrium mit noch höherer Geschwindigkeit durch die Versuchskammer gejagt werden soll, so daß Turbulenzen entstehen. „Vielleicht können wir dadurch eine Umkehr des Magnetfeldes herbeiführen“, hofft Hoffmann. In Riga will man die Strömungsgeschwindigkeit in der Schmelze mit Ultraschallsensoren messen, um Wechselwirkungen mit dem Magnetfeld aufzuspüren. Wegen der hohen Kosten plädiert Stefani langfristig für eine engere Zusammenarbeit der verschiedenen europäischen Teams, vor allem mit Franzosen, die ähnliche Experimente planen. Der Streit um die Entdeckerehre wird dabei wohl nicht im Wege stehen. Die Kontrahenten geben sich inzwischen versöhnlich. Die Pressemeldung habe er im ersten Ärger formuliert, sagt Karlsruhes Hoffmann. Und Kontrahent Stefani findet den ganzen Wettlauf inzwischen auch „ein bißchen kindisch“ . Eigentlich, meint er, „haben wir einen ganz guten Draht zu Karlsruhe“.

Klaus Jacob

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