Spaghetti und Pilze

Wenn der französische Geowissenschaftler Arnaud Chulliat in die Arktis fährt, dann hat er weder den Klimawandel noch Eisbären im Sinn. Als Direktor der magnetischen Observatorien des „ Institut de Physique du Globe de Paris“ sucht er auf dem Meereis nördlich der kanadischen Ellesmere-Insel nach einem imaginären Punkt: dem nördlichen Pol des Erdmagnetfelds. Fast jedes Jahr macht sich Chulliat in den hohen Norden Kanadas auf, um ihn zu finden. Dabei hilft ihm keine Satellitennavigation. Auch ein herkömmlicher Kompass bringt den Forscher dem gesuchten Punkt nicht näher. Es gibt nur eine einzige Möglichkeit, ihn aufzuspüren: Chulliat muss sich streng an die grundlegende, wenngleich recht abstrakte Definition der Geomagnetik halten. Danach sind die Pole des Erdmagnetfelds jene Stellen auf der Erdoberfläche, an denen die magnetischen Feldlinien genau senkrecht stehen.

Für seine Reisen in die Arktis packt Chulliat also ein Magnetometer ein, mit dem er die Neigung der Magnetfeldlinien messen kann. Beträgt sie exakt 90 Grad, hat er den Pol dingfest gemacht. Doch diese Messungen sind alles andere als einfach. Denn die von der Sonne verursachten externen Störungen des Erdmagnetfelds wirken sich in hohen Breiten besonders stark aus. Deshalb kann die exakte Lage des Punktes, an dem die Magnetfeldlinien die Erdoberfläche senkrecht durchstoßen, kurzfristig um 80 Kilometer schwanken. Die Messungen können also nur bei „ruhiger Sonne“ erfolgen, und die Forscher müssen gleichzeitig mehrere Tagen oder Wochen lang messen – was bei den Wetterbedingungen in der Arktis recht schwierig ist.

Rastloser Pol in der Arktis

Auf den ersten Blick mag es verrückt erscheinen, dass Forscher in jedem Frühjahr ein paar Wochen lang auf dem zugefrorenen Arktischen Ozean herumwandern und dabei mehrmals am Tag die Neigung der magnetischen Feldlinien bestimmen. Würde es nicht ausreichen, den Magnetpol einmal sehr präzise zu lokalisieren und seine Lage dann auf einer Karte einzutragen? Schließlich wird der geographische Nordpol ja auch nicht jedes Jahr neu bestimmt. Mit den Magnetpolen hat es aber eine besondere Bewandtnis. Denn einerseits liegen sie weit von den geographischen Polen entfernt. So beträgt gegenwärtig die Distanz zwischen dem geographischen Südpol und dem Magnetpol in der Antarktis über 2500 Kilometer. Der Magnetpol in der Arktis befindet sich dagegen zurzeit weniger als 500 Kilometer vom geographischen Nordpol entfernt. Bezogen auf die Rotationsachse liegt die scheinbare Achse des erdmagnetischen Feldes also asymmetrisch in der Erde und geht nicht durch den Erdmittelpunkt. Außerdem ist die Lage der Magnetpole keineswegs konstant. So änderte der Pol in der Arktis in den letzten 400 Jahren seine Position um mehrere Tausend Kilometer. 1831 lag er am Südende der Boothia-Halbinsel in der kanadischen Arktis und erreichte dort bei etwa 70 Grad nördlicher Breite den südlichsten Punkt seiner Wanderung. Seitdem driftet er ununterbrochen nach Norden.

Chulliat und seine Mitarbeiter haben nun diese nordwärts gerichtete Drift genauer untersucht. Dabei fanden die französischen Forscher heraus, dass die Geschwindigkeit der Bewegung des arktischen Magnetpols während des 20. Jahrhunderts im Schnitt etwa 10 Kilometer pro Jahr betrug. Ab 1983 begann sich die Polbewegung jedoch zu beschleunigen. 1994 betrug die mittlere Wandergeschwindigkeit schon 15 Kilometer pro Jahr. Seitdem rast der Magnetpol förmlich nach Norden – mit einer Geschwindigkeit von etwa 50 Kilometern pro Jahr. Gegenwärtig befindet er sich bei etwa 85 Grad nördlicher Breite und 115 Grad westlicher Länge. Wenn es so weitergeht, dann wird er in etwas mehr als 50 Jahren das sibirische Festland erreicht haben. Der entgegengesetzte Magnetpol in der Antarktis wandert dagegen weitaus gemächlicher, und seine Bewegung hat sich in den vergangenen 15 Jahren auch nicht deutlich beschleunigt.

Heisses Brodeln in der Tiefe

Bei ihren Expeditionen in die Arktis geht es den Forschern um Chulliat aber nur am Rande darum, die exakte Lage des Magnetpols auf Landkarten einzutragen. Vielmehr stecken in den langfristigen Bewegungen des Erdmagnetfelds viele Informationen über die noch weitgehend unbekannten Vorgänge, die sich tief im Erdinneren abspielen. Der äußere Erdkern, zwischen 2900 und 5200 Kilometer Tiefe, ist die Wiege des Erdmagnetfelds. Von der Wärme des inneren Erdkerns aufgeheizt, brodelt in ihm eine über 4000 Grad Celsius heiße Legierung vor sich hin. Sie besteht zum größten Teil aus Eisen und Nickel sowie aus rund zehn Prozent leichteren Beimengungen, vermutlich Silizium, Schwefel oder Sauerstoff. Im Prinzip unterscheidet sich die beim Brodeln entstehende Strömung nicht von der Konvektion von Wasser in einem Kochtopf, der auf einer heißen Herdplatte steht. Allerdings ist die Geometrie in der Erde viel komplizierter: Die Oberfläche des inneren Erdkerns, die „Herdplatte“, ist eine Kugeloberfläche. Und der äußere Erdkern, der „Kochtopf“, hat die Form einer Kugelschale. Daher ist das Strömungsmuster, in dem sich die Legierung bewegt, so komplex, dass die Geowissenschaftler sie bis heute nicht mit Formeln beschreiben, sondern nur durch aufwendige Computermodelle simulieren können.

Doch was hat diese Strömung mit dem Magnetfeld zu tun? Hochdruck- und Hochtemperaturversuche deuten darauf hin, dass die Eisen- und Nickel-Atome teilweise ionisiert sind. Wenn sich diese Ionen nun in der Konvektionsströmung bewegen, werden sie gleichsam zu einem elektrischen Strom. Und wie jeder durch ein Elektrokabel fließende Strom erzeugen auch sie ein Magnetfeld. Geophysiker nennen die elektrische Strömung im äußeren Erdkern den „Geodynamo“. Das von ihm erzeugte Magnetfeld ist viel stärker als die in allen Stromleitungen der Welt erzeugten Magnetfelder zusammen. Es ist so kräftig, dass sich auf der Erdoberfläche, also mehr als 3000 Kilometer von seinem Ursprungsort entfernt, noch Kompassnadeln entlang seiner Feldlinien ausrichten.

Die ersten Versuche, das Erdmagnetfeld zu beschreiben, stammen vom britischen Arzt und Physiker William Gilbert. In seinem im Jahr 1600 erstmals veröffentlichten Buch „De Magnete“ vergleicht er das Erdmagnetfeld mit einem einfachen Stabmagneten. Lange folgten Geowissenschaftler dieser Modellvorstellung und beschrieben das Magnetfeld der Erde als magnetischen Dipol. Dabei weist dessen Südpol in die geographische Nordrichtung, weshalb auch der Nordpol einer Kompassnadel nach Norden zeigt. Im strengen physikalischen Sinn ist also der Magnetpol in der Arktis der geomagnetische Südpol, während der magnetische Nordpol derzeit am Rand des tiefgefrorenen antarktischen Südkontinents liegt.

Doch im Lauf der letzten Jahrzehnte hat sich das Bild, das sich die Geowissenschaftler vom Erdmagnetfeld machen, erheblich verändert. Genaue Vermessungen – zum Beispiel mit eigens dafür gestarteten Forschungssatelliten – ergaben, dass es neben dem dominierenden Dipolfeld auch Anteile von wesentlich komplizierter aufgebauten Feldern gibt. Die Ursache für diese Komplexität sind die verwirrenden Strömungsmuster im äußeren Erdkern. Eine amerikanische Forschergruppe um Gary Glatzmaier von der University of California in Santa Cruz war eine der Ersten, die diese Konvektionsströmungen und das daraus entstehende Magnetfeld auf Supercomputern simuliert hat. In den Visualisierungen der dabei berechneten Modelle erscheint das Erdmagnetfeld wie ein riesiger farbiger Knäuel verknoteter Spaghetti. Innerhalb des äußeren Erdkerns sind die Strömungen voller Wirbel. Summiert man aber die Magnetfelder aller dieser Wirbel auf, schießen aus ihnen die bekannten langgezogenen Kraftlinien des erdmagnetischen Felds heraus.

Rätselhafte Superwirbel

Inzwischen haben viele andere Forscher solche Modelle berechnet, darunter auch Chulliats Gruppe in Paris. Allerdings müssen sich die Simulationen stets an der Wirklichkeit messen lassen. Und dazu gehört es eben, die exakte Lage der Magnetpole auf dem Globus zu ermitteln und mit den Durchstoßpunkten der Feldlinien in den Modellen zu vergleichen. Durch die regelmäßige Kartierung des Magnetpols in der Arktis liefert die französische Forschergruppe die Bezugspunkte, an denen die Modelle ihre Spaghetti-Linien aufhängen. Die enorme Beschleunigung der Wanderung des Magnetpols in der Arktis in den letzten Jahren führen die Franzosen auf neue starke Wirbel im Strömungsmuster des äußeren Erdkerns zurück. Diese Superwirbel lassen sich zwar modellieren, aber nach den Ursachen ihrer Entstehung befragt, muss auch Chulliat resignieren. Denn eine schlüssige physikalische Erklärung für den rasenden Magnetpol im hohen Norden haben er und seine Fachkollegen ebenso wenig wie für die vielen Umkehrungen des Magnetfelds, die es in der Erdgeschichte gab. Den bisher letzten Salto dieser Art vollzog das Erdmagnetfeld vor etwa 780 000 Jahren. Davor lag der magnetische Nordpol für mehrere Hunderttausend Jahre tatsächlich in der Arktis – im Norden. Während in Glatzmaiers Modellen das Erdinnere wie ein großer Spaghetti-Knoten erscheint, erinnern die Ergebnisse der Berechnungen von Ulrich Hansen, einem Geophysiker an der Universität Münster, eher an einen Wald voller Pilze mit besonders breitkrempigen Hüten. So sehen nämlich die Bilder der Konvektionsmodelle aus, mit denen Hansen und seine Studenten die Bewegungen im Erdmantel berechnen. Während der äußere Erdkern als Wiege des Erdmagnetfelds gilt, läuft im darüber liegenden Erdmantel der Motor der Plattentektonik.

Dass ein Modell Spaghetti und das andere Pilze liefert, hängt nur am Rande mit den verschiedenen Computerprogrammen zusammen, die die beiden Forschergruppen benutzen. Die Differenzen rühren vielmehr daher, dass es fast keine Gemeinsamkeiten zwischen dem Erdmantel und dem äußeren Erdkern gibt. Die physikalischen und chemischen Bedingungen sind dort völlig unterschiedlich. So ist es im Erdmantel mit einer Durchschnittstemperatur von über 2000 Grad Celsius zwar höllisch heiß, aber dennoch wesentlich kühler als im Erdkern. Während der Erdkern zu fast 80 Prozent aus Eisen besteht, kommt das Schwermetall im Erdmantel nur in Spuren vor. Im Erdmantel dominieren Sauerstoff, Silizium und Magnesium, die sich zu den Mineralen Olivin und Pyroxen vereinigen. Besonders drastisch ist der Unterschied zwischen Erdmantel und Erdkern in der Viskosität. Die Schmelze aus Silikaten und Magnesium-Verbindungen im Erdmantel ist 1024 Mal zähflüssiger als die Eisenlegierung im äußeren Erdkern.

Außerdem ist das Volumen des Erdmantels fünfeinhalb Mal so groß wie das des äußeren Erdkerns. Dementsprechend ist im Erdmantel der Energieumsatz, also die Umwandlung von Wärmeenergie in die kinetische Energie der Konvektionsbewegung, geringer als im Erdkern. Das alles führt dazu, dass sich die Schmelze im Erdmantel nur etwa ein Hunderttausendstel so schnell bewegt wie die Metall-Legierung im Erdkern. Während die Ströme von elektrisch leitfähigem Eisen im äußeren Erdkern pro Jahr Strecken von etlichen Kilometern zurücklegen, kriecht das elektrisch isolierende Gestein im Mantel mit nur wenigen Zentimetern pro Jahr dahin.

Wie Schnecken und Rennwagen

Diese von den Forschern postulierten und in Modellen berechneten Unterschiede in den Bewegungen im Inneren der Erdkugel zeigen sich auch an der Erdoberfläche. So wandern die Magnetpole über 100 000 Mal so schnell, wie die Platten vorwärts driften. Beispielsweise schrammen die pazifische und die nordamerikanische Platte in Kalifornien mit einer Geschwindigkeit von höchstens zehn Zentimetern im Jahr aneinander vorbei. Zum Vergleich: Chulliat und seine Kollegen haben als Wandergeschwindigkeit der magnetischen Pole mehrere Dutzend Kilometer pro Jahr ermittelt.

All das konnte der frisch promovierte Seismologe Beno Gutenberg noch nicht ahnen, als er 1912 begann, zusammen mit seinem Lehrer Emil Wiechert im Geophysikalischen Institut der Universität Göttingen Dutzende von Seismogrammen auszuwerten. Was heute ausschließlich auf Computerbildschirmen geschieht, war damals noch eine schmutzige und stinkende Angelegenheit. Vor 100 Jahren zeichneten die Seismographen ihre Messkurven nämlich auf einem Papierstreifen auf, der mit einer dünnen Rußschicht bezogen war. Damit die haarfeinen, von spitzen Nadeln in den Ruß geritzten Linien nicht verwischten, wurde jeder Streifen mit einem unangenehm riechenden Lack bestrichen. Mit Lupe und Lineal maßen die Seismologen auf diesem Papier die im Seismogramm aufgezeichneten Erdbebenwellen. Wiechert, der erste Professor für Geophysik auf der Welt überhaupt, hatte damals seine massiven, tonnenschweren Seismographen in vielen Teilen der Welt aufgestellt – auch in Apia, der Hauptstadt der damaligen deutschen Kolonie Samoa im Südwestpazifik.

Die Sensation von Göttingen

Beim Vergleichen der Aufzeichnungen aus Samoa und Göttingen fand Gutenberg seltsame, bis dahin unbekannte Ausschläge in den Seismogrammen. Nach langem Rechnen interpretierte er sie als Reflexionen der Erdbebenwellen an einer Grenzschicht, die etwa 2900 Kilometer tief im Erdinneren liegt. Als Gutenberg seine Ergebnisse 1913 unter dem Titel „Über die Konstitution des Erdinneren“ veröffentlichte, war die Sensation perfekt. Er hatte den lange gesuchten, aber bis dahin nicht experimentell nachweisbaren Erdkern entdeckt.

Noch heute ist die Grenze zwischen Erdkern und Erdmantel eines der heißesten Forschungsobjekte der Geowissenschaften. Denn sie verhindert, dass sich die beiden grundverschiedenen Schmelzen – Eisen im Kern und Silikate im Mantel – vermischen. Zwar ist noch immer nicht klar, wie dick diese Schicht ist, aber inzwischen haben die Seismologen viel über ihr Aussehen herausgefunden. Dazu benutzten sie Erdbebenwellen, mit denen sie – wie mit Radarstrahlen – die Oberfläche der Kern-Mantel-Grenze abtasteten. Dabei stellte sich heraus, dass diese Schicht nicht glatt wie eine Kugeloberfläche ist, sondern kilometerhohe Beulen und ebenso tiefe Dellen aufweist. Sie stammen von Material der Erdkruste und des obersten Mantels, das beim Abtauchen durch plattentektonische Bewegungen bis zum äußeren Kern hinabgesunken ist. Wie Gebirge und Täler auf der Erdkruste zeigt diese Schicht also ein Relief, dessen Höhen und Tiefen etwa genauso markant sind wie die Höhenunterschiede an der Erdoberfläche.

Viele Forscher sehen inzwischen zahlreiche Gemeinsamkeiten zwischen der Kern-Mantel-Grenze und der Oberfläche der Erde. Der Erdboden trennt die feste Erde von der Atmosphäre und den Ozeanen. Wasser und Luft haben gegenüber dem zähflüssigen Magma im Erdmantel eine um Größenordnungen kleinere Viskosität. Der Gegensatz ist ähnlich wie der Unterschied zwischen dem fließenden Eisen im Kern und der kriechenden Schmelze im unteren Erdmantel. Auch die Geschwindigkeiten, mit denen der Wind weht und die Ozeane strömen, sind um ein Vielfaches größer als das Tempo der vom Magma im Erdinnern angetriebenen Drift der Kontinente – ein vergleichbar imposanter Kontrast wie die Differenz zwischen den Fließgeschwindigkeiten der Materialien in Erdmantel und -kern. Und ähnlich wie Vulkane bei schweren Ausbrüchen Asche, Staub und Gas aus dem Erdinnern hoch hinauf bis in die Stratosphäre schleudern, scheint es auch an der Kern-Mantel-Grenze gelegentlich „Durchbrüche“ zu geben. Die Geoforscher nehmen inzwischen an, dass die Schlote superheißen Magmas, die den „ Hot-Spot-Vulkanismus“ beispielsweise auf Hawaii und im Yellowstone-Nationalpark im Nordwesten der USA antreiben, aus der von Gutenberg entdeckten Schichtgrenze stammen.

An die wohlige Wärme der heißen Quellen im Yellowstone-Park wird Arnaud Chulliat wohl lieber nicht denken wollen, wenn er im kommenden Frühjahr wieder in der eisigen Kälte der Arktis dem imaginären Magnetpol nachjagt. Aber als Geowissenschaftler ist ihm klar, dass das wandernde Erdmagnetfeld und der Vulkanismus die gleiche Ursache haben: eine gewaltige Wärmekraftmaschine im Herzen der Erde. ■

Der Wissenschaftsjournalist Horst Rademacher lebt seit Jahrzehnten in Kalifornien – und damit an einem der Hot Spots der Geoforschung.

von Horst Rademacher