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Erde+Klima

Magnetfeld-Umpolung mit Folgen

Kauri-Baum
Kauri-Baum aus Neuseeland. (Bild: Nelson Parker)

Vor 42.000 Jahren polte sich das Erdmagnetfeld für einige Jahrhunderte vorübergehend um. Mithilfe eines im Sumpf konservierten Baumstamms aus dieser Zeit haben Forscher nun dieses sogenannte Laschamp-Ereignis genauer datiert. Gleichzeitig stellten sie fest, dass das irdische Magnetfeld schon in der Zeit vor der Umkehrung extrem geschwächt war. Seine Feldstärke könnte bis auf unter sechs Prozent des Normalwerts gesunken sein. Dies hatte Folgen nicht nur für die Atmosphäre, sondern auch für Klima und Lebenswelt unseres Planeten, wie die Wissenschaftler anhand von Modellsimulationen darlegen.

Das Erdmagnetfeld ist unser wichtigster Schutz gegen harte Strahlung aus dem Weltall. Doch seine Polung und Intensität bleiben nicht immer gleich stabil. Schon mehrfach im Laufe der Erdgeschichte hat sich das irdische Magnetfeld komplett umgepolt – der magnetische Nordpol wurde zum Südpol und umgekehrt. Bei einem Teil dieser Ereignisse hielt diese Umpolung über Jahrmillionen an, bei anderen, den sogenannten Exkursionen, sprang das Magnetfeld schon nach wenigen hundert Jahren wieder in seine alte Polung zurück. Die letzte dieser magnetischen Exkursionen liegt rund 42.000 Jahre zurück. Damals kam es zu einer rund 800 Jahre andauernden Umpolung, während der die Magnetfeldstärke auf rund 28 Prozent ihres ursprünglichen Werts absank. Während der davor liegenden Phase der chaotischen Neuorientierung des Magnetfelds könnte es sich sogar auf unter zehn Prozent abgeschwächt haben.

Fossile Bäume als Zeitzeugen

Wann diese Abschwächung stattfand, wie lange sie anhielt und welche Folgen sie hatte, haben nun Alan Cooper vom South Australian Museum in Adelaide und seine Kollegen genauer untersucht. Dabei kam ihnen ein glücklicher Zufall zu Hilfe: In einem Feuchtgebiet im Norden Neuseelands hatte der sumpfige Grund einige Kauri-Bäume (Agathis australis) konserviert, die in der Zeit der Polumkehr gewachsen waren. Einer dieser fossilen Bäume war 1700 Jahre alt geworden und seine Gewebe enthielten damit isotopische Zeugnisse aus der gesamten Zeit des Laschamp-Ereignisses und der darauf hinführenden Jahrhunderte. Für ihre Studie analysierten die Forscher den Gehalt des Isotops Kohlenstoff-14 in den Jahresringen des Baumes. Dieses Isotop wird in der Erdatmosphäre vermehrt gebildet, wenn das Magnetfeld schwächer wird und die kosmische Strahlung Stickstoffatome zu Kohlenstoff zerschlägt.

Durch diese Analysen gelang es den Wissenschaftlern, den Zeitpunkt und die Dauer des Laschamp-Ereignisses genauer zu datieren. „Zum ersten Mal können wir den Zeitpunkt und die Auswirkungen der letzten Umpolung des Erdmagnetfelds präzise bestimmen“, sagt Co-Autor Chris Turney von der University of New South Wales in Sydney. Demnach ereignete sich diese Umpolung vor 41.500 Jahren. Aber schon vorher, ab der Zeit vor rund 42.350 Jahren, zeigt sich eine starke Zunahme der C14-Werte in der Erdatmosphäre. Die Forscher werten dies als einen Hinweis auf eine längere Phase der chaotischen Umorganisation des Magnetfelds, in deren Verlauf seine Intensität auf extrem niedrige Werte absank. Sie tauften diese Phase „Adams Transitional Geomagnetic Event“ – nach dem Autor Douglas Adams. „Während des Adams-Ereignisses fielt die Feldstärke des Erdmagnetfelds auf nur noch null bis sechs Prozent“, berichtet Turney. „Im Prinzip hatten wir zu dieser Zeit gar kein Magnetfeld mehr – unser Schutzschirm gegen die kosmische Strahlung war komplett weg.“

Polarlichter, UV-Belastung und Klimawechsel weltweit

Welche Folgen dies hatte, haben die Wissenschaftler mithilfe von verschiedenen Klima- und Umweltarchiven der Vergangenheit und Modellsimulationen untersucht. Denn die neuen Daten aus dem Kauri-Baum ermöglichten auch eine präzisere Synchronisierung der geochemischen Zeitzeugen jeder Epoche. „Diese Kauri-Bäume sind wie der Rosetta-Stein, sie helfen uns, Zeugnisse von Umweltveränderungen aus Höhlen, Eisbohrkernen und Torfmooren rund um die Welt zusammenzubringen“, erklärt Cooper. Die Auswertungen ergaben, dass die Schwächung des Erdmagnetfelds vor rund 42.000 Jahre erhebliche Auswirkungen auf das Erdklima und die Umweltbedingungen gehabt haben muss. Unter anderem führte das verstärkte Bombardement mit kosmischer Strahlung zu einer deutlichen Ausdünnung der schützenden Ozonschicht. „Die ungefilterte Strahlung aus dem Weltraum riss die Sauerstoffmoleküle in der Erdatmosphäre auseinander, trennte Elektronen ab und verursachte Lichtemissionen – ein Prozess, der Ionisierung genannt wird“, erläutert Turney. Die dabei entstehenden geladenen Teilchen schädigten die Ozonschicht und ließen in Verbindung mit dem geschwächten Magnetfeld Polarlichter über dem gesamten Globus erscheinen.

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Parallel dazu führten diese Vorgänge in der Atmosphäre zu Veränderungen der großräumigen Luftströmungen und des Klimas, wie die Forscher anhand von Modellen ermittelten. Der Einstrom ultravioletter Strahlung verstärkte sich, in den gemäßigten Breiten der Südhalbkugel, darunter auch in Australien, wurde das Klima kühler und trockener, auf der Nordhalbkugel rückten die Gletscher vor. „Das Adams-Ereignis scheint einen bedeutenden klimatischen, ökologischen und archäologischen Umbruch zu repräsentieren, der bislang weitgehend unerkannt geblieben ist“, konstatieren Cooper und seine Kollegen. Ihrer Ansicht nach könnte es sogar sein, dass diese Veränderungen auch in Zusammenhang mit einigen etwa um diese Zeit stattgefundenen Umwälzungen in der Tierwelt und Menschheitsentwicklung stehen: In Europa und Südostasien begannen Menschen plötzlich, vermehrt Höhlen aufzusuchen und deren Felswände zu bemalen. In Australien starb die Megafauna aus und in Europa die Neandertaler. „Insgesamt wecken diese Ergebnisse wichtige Fragen über die evolutionären Auswirkungen von geomagnetischen Umpolungen und Exkursionen im Laufe der Erdgeschichte“, schließen die Wissenschaftler.

Quelle: Alan Cooper (South Australian Museum, Adelaide) et al., Science, doi: 10.1126/science.abb8677

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