Die Magnetosphäre schirmt die Erdoberfläche vor den geladenen Teilchen des Sonnenwindes ab und wird durch elektrische Ströme erzeugt, die sich in vielen verschiedenen Teilen der Erde befinden. Es wird auf der Tag- (Sonnen-) Seite aufgrund der Kraft der ankommenden Partikel komprimiert und auf der Nachtseite verlängert. (Bild nicht maßstabsgetreu.)

Die Variation zwischen magnetischem Norden und „echtem“ Norden.

Das Erdmagnetfeld (und das Oberflächenmagnetfeld) ist ungefähr ein magnetischer Dipol, wobei das Magnetfeld S Pol in der Nähe des geografischen Nordpols der Erde (siehe Magnetischer Nordpol) und das andere Magnetfeld N Pol in der Nähe des geografischen Südpols der Erde (siehe Magnetischer Südpol). Dies macht den Kompass für die Navigation nutzbar. Die Ursache des Feldes kann durch die Dynamo-Theorie erklärt werden. Ein Magnetfeld erstreckt sich unendlich, obwohl es mit der Entfernung von seiner Quelle schwächer wird. Das Erdmagnetfeld, auch Erdmagnetfeld genannt, das sich effektiv über mehrere zehntausend Kilometer in den Weltraum erstreckt, bildet die Magnetosphäre der Erde. Eine paläomagnetische Studie von australischem rotem Dacit und Kissenbasalt hat das Magnetfeld auf mindestens 3,5 Milliarden Jahre geschätzt.

• 1 Bedeutung
• 2 Magnetpole und magnetischer Dipol
• 3 Feldcharakteristik
• 4 Magnetfeldvariationen
• 5 Magnetfeldumkehrungen
• 6 Magnetfelderkennung
• 7 Hinweise
• 8 externe Links

Bedeutung

Simulation der Wechselwirkung zwischen dem Erdmagnetfeld und dem interplanetaren Magnetfeld.

Die Erde ist durch ihr Magnetfeld, das die meisten geladenen Teilchen ablenkt, weitgehend vor dem Sonnenwind geschützt, einem Strom energiereicher geladener Teilchen, die von der Sonne ausgehen. Einige der geladenen Teilchen aus dem Sonnenwind sind im Van-Allen-Strahlungsgürtel gefangen. Eine kleinere Anzahl von Partikeln aus dem Sonnenwind schafft es, wie auf einer elektromagnetischen Energieübertragungsleitung zur oberen Atmosphäre und Ionosphäre der Erde in den Polarlichtzonen zu gelangen. Der Sonnenwind ist auf der Erde nur dann zu beobachten, wenn er stark genug ist, um Phänomene wie die Aurora und geomagnetische Stürme hervorzurufen. Helle Polarlichter erwärmen die Ionosphäre stark, wodurch sich ihr Plasma in die Magnetosphäre ausdehnt, die Plasma-Geosphäre vergrößert und atmosphärische Materie in den Sonnenwind entweicht. Geomagnetische Stürme entstehen, wenn der Druck der in der Magnetosphäre enthaltenen Plasmen ausreichend groß ist, um das Erdmagnetfeld aufzublasen und dadurch zu verzerren.

Der Sonnenwind ist für die Gesamtform der Erdmagnetosphäre verantwortlich, und Schwankungen in Geschwindigkeit, Dichte, Richtung und mitgerissenem Magnetfeld wirken sich stark auf die lokale Weltraumumgebung der Erde aus. Zum Beispiel können die Pegel ionisierender Strahlung und Funkstörungen um Faktoren von Hunderten bis Tausenden variieren; und die Form und Lage der Magnetopause und der Stoßwelle stromaufwärts davon kann sich um mehrere Erdradien ändern, wodurch geosynchrone Satelliten dem direkten Sonnenwind ausgesetzt werden. Diese Phänomene werden zusammen als Weltraumwetter bezeichnet. Der Mechanismus des atmosphärischen Strippens wird dadurch verursacht, dass Gas in Magnetfeldblasen gefangen wird, die von Sonnenwinden abgerissen werden. Variationen in der Magnetfeldstärke wurden mit Niederschlagsschwankungen in den Tropen korreliert.

Magnetische Pole und magnetischer Dipol

Magnetische Deklination vom wahren Norden im Jahr 2000.

Magnetische Deklination vom wahren Norden in 1700

Die Positionen der Magnetpole können auf mindestens zwei Arten definiert werden.

Oft wird ein magnetischer (Dip-) Pol als ein Punkt auf der Erdoberfläche betrachtet, an dem das Magnetfeld vollständig vertikal ist. Eine andere Art, dies zu sagen, ist, dass die Neigung des Erdfeldes 90 ° am Nordmagnetpol und -90 ° am Südmagnetpol beträgt. An einem Magnetpol zeigt ein Kompass, der in der horizontalen Ebene gehalten wird, zufällig, während er sonst fast auf den Nordmagnetpol oder weg vom Südmagnetpol zeigt, obwohl lokale Abweichungen existieren. Die beiden Pole wandern unabhängig voneinander und befinden sich nicht an direkt gegenüberliegenden Positionen auf dem Globus. Der magnetische Nordpol kann schnell wandern, Beobachtungen von bis zu 40 km pro Jahr wurden für den nördlichen Magnetpol gemacht.

Das Erdmagnetfeld kann durch das Feld eines magnetischen Dipols nahe dem Erdmittelpunkt genau angenähert werden. Die Orientierung eines Dipols wird durch eine Achse definiert. Die beiden Positionen, an denen die Achse des Dipols, die am besten zum Erdmagnetfeld passt, die Erdoberfläche schneidet, werden als geomagnetische Nord- und Südpole bezeichnet. Für die beste Passform sollte der Dipol, der das Erdmagnetfeld darstellt, etwa 500 km vom Erdmittelpunkt entfernt sein. Dies führt dazu, dass der innere Strahlungsgürtel im südlichen Atlantik, wo das Oberflächenfeld am schwächsten ist, tiefer abfällt, wodurch die sogenannte Südatlantische Anomalie entsteht.

Wenn das Erdmagnetfeld perfekt dipolar wäre, würden die geomagnetischen und magnetischen Dip-Pole zusammenfallen. Signifikante nicht-dipolare Terme in einer genauen Beschreibung des Erdmagnetfeldes führen jedoch dazu, dass die Position der beiden Poltypen an verschiedenen Orten liegt.

Feldeigenschaften

Die Stärke des Feldes an der Erdoberfläche reicht von weniger als 30 Mikroteslas (0,3 Gauss) in einem Gebiet, das den größten Teil Südamerikas und Südafrikas umfasst, bis über 60 Mikroteslas (0.6 gauß) um die Magnetpole in Nordkanada und Südaustralien sowie in einem Teil Sibiriens. Die durchschnittliche Magnetfeldstärke im äußeren Erdkern wurde mit 25 Gauß gemessen, 50-mal stärker als das Magnetfeld an der Oberfläche.

Das Feld ähnelt dem eines Stabmagneten. Das Erdmagnetfeld wird hauptsächlich durch elektrische Ströme im flüssigen äußeren Kern verursacht. Der Erdkern ist heißer als 1043 K, die Curie-Punkttemperatur, über der die Orientierungen der Spins innerhalb des Eisens randomisiert werden. Eine solche Randomisierung führt dazu, dass die Substanz ihre Magnetisierung verliert. Die Konvektion von geschmolzenem Eisen innerhalb des äußeren flüssigen Kerns, zusammen mit einem Coriolis-Effekt, der durch die gesamte Planetenrotation verursacht wird, neigt dazu, diese „elektrischen Ströme“ in Rollen zu organisieren, die entlang der Nord-Süd-Polarachse ausgerichtet sind. Beim Leiten von Fluidströmen über ein vorhandenes Magnetfeld werden elektrische Ströme induziert, die wiederum ein weiteres Magnetfeld erzeugen. Wenn dieses Magnetfeld das ursprüngliche Magnetfeld verstärkt, entsteht ein Dynamo, der sich selbst aufrechterhält. Dies wird als Dynamo-Theorie bezeichnet und erklärt, wie das Erdmagnetfeld aufrechterhalten wird.

Ein weiteres Merkmal, das die Erde magnetisch von einem Stabmagneten unterscheidet, ist ihre Magnetosphäre. In großen Entfernungen vom Planeten dominiert dies das Oberflächenmagnetfeld. Elektrische Ströme, die in der Ionosphäre induziert werden, erzeugen auch Magnetfelder. Ein solches Feld wird immer dort erzeugt, wo die Atmosphäre der Sonne am nächsten ist, was zu täglichen Veränderungen führt, die Oberflächenmagnetfelder um bis zu ein Grad ablenken können. Typische tägliche Schwankungen der Feldstärke sind ungefähr 25 nanoteslas (nT) (d.h. ~ 1:2.000), mit Schwankungen über einige Sekunden von gewöhnlich herum 1 nT (d.h. ~ 1:50.000).

Magnetfeldvariationen

Geomagnetische Variationen seit der letzten Umkehrung.

Die Ströme im Erdkern, die sein Magnetfeld erzeugen, begannen vor mindestens 3.450 Millionen Jahren.

Magnetometer erkennen winzige Abweichungen im Erdmagnetfeld, die durch Eisenartefakte, Öfen, einige Arten von Steinstrukturen und sogar Gräben und Mitten in der archäologischen Geophysik verursacht werden. Unter Verwendung magnetischer Instrumente, die von magnetischen Anomaliedetektoren in der Luft angepasst wurden, die während des Zweiten Weltkriegs zur Erkennung von U-Booten entwickelt wurden, wurden die magnetischen Variationen über den Meeresboden kartiert. Der Basalt — das eisenreiche, vulkanische Gestein, aus dem der Meeresboden besteht — enthält ein stark magnetisches Mineral (Magnetit) und kann die Kompasswerte lokal verzerren. Die Verzerrung wurde von isländischen Seefahrern bereits im späten 18. Noch wichtiger ist, dass die Anwesenheit von Magnetit dem Basalt messbare magnetische Eigenschaften verleiht, Diese magnetischen Variationen haben ein weiteres Mittel zur Untersuchung des Tiefseebodens bereitgestellt. Wenn neu gebildetes Gestein abkühlt, zeichnen solche magnetischen Materialien das Erdmagnetfeld auf.

Häufig wird die Magnetosphäre der Erde von Sonneneruptionen getroffen, die geomagnetische Stürme verursachen und Auroren hervorrufen. Die Kurzzeitinstabilität des Magnetfeldes wird mit dem K-Index gemessen.

Kürzlich wurden Lecks im Magnetfeld entdeckt, die entgegen der ursprünglichen Hypothese mit dem Sonnenwind der Sonne interagieren. Bei Sonnenstürmen könnte dies zu großflächigen Stromausfällen und Störungen bei künstlichen Satelliten führen.

Siehe auch Magnetische Anomalie

Magnetische Feldumkehr

Basierend auf der Untersuchung von Lavaströmen von Basalt auf der ganzen Welt wurde vorgeschlagen, dass sich das Erdmagnetfeld in Intervallen von Zehntausenden bis zu vielen Millionen Jahren mit einem durchschnittlichen Intervall von ungefähr 300.000 Jahren umkehrt. Es wird jedoch beobachtet, dass das letzte derartige Ereignis, die Brunhes–Matuyama-Umkehrung, vor etwa 780.000 Jahren stattgefunden hat.

Es gibt keine klare Theorie, wie die geomagnetischen Umkehrungen stattgefunden haben könnten . Einige Wissenschaftler haben Modelle für den Erdkern erstellt, bei denen das Magnetfeld nur quasistabil ist und die Pole im Laufe einiger hundert bis einiger tausend Jahre spontan von einer Orientierung zur anderen wandern können. Andere Wissenschaftler schlagen vor, dass sich das Geodynamo zuerst selbst ausschaltet, entweder spontan oder durch äußere Einwirkung wie einen Kometeneinschlag, und sich dann mit dem magnetischen „Nordpol“ neu startet, der entweder nach Norden oder nach Süden zeigt. Externe Ereignisse sind wahrscheinlich keine routinemäßigen Ursachen für Magnetfeldumkehrungen, da keine Korrelation zwischen dem Alter der Einschlagskrater und dem Zeitpunkt der Umkehrungen besteht. Unabhängig von der Ursache, wenn der Magnetpol von einer Hemisphäre zur anderen kippt, wird dies als Umkehrung bezeichnet, während temporäre Dipolkippschwankungen, die die Dipolachse über den Äquator und dann zurück zur ursprünglichen Polarität führen, als Exkursionen bezeichnet werden. Studien von Lavaströmen auf Steens Mountain, Oregon, zeigen, dass sich das Magnetfeld zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Erdgeschichte mit einer Geschwindigkeit von bis zu 6 Grad pro Tag verschoben haben könnte, was das populäre Verständnis der Funktionsweise des Erdmagnetfeldes erheblich in Frage stellt. Paläomagnetische Studien wie diese bestehen typischerweise aus Messungen der Restmagnetisierung von magmatischem Gestein aus vulkanischen Ereignissen. Sedimente, die auf dem Meeresboden liegen, orientieren sich am lokalen Magnetfeld, einem Signal, das beim Erstarren aufgezeichnet werden kann. Obwohl Ablagerungen von magmatischem Gestein meist paramagnetisch sind, Sie enthalten Spuren von ferri- und antiferromagnetischen Materialien in Form von Eisenoxiden, Dies gibt ihnen die Fähigkeit, Restmagnetisierung zu besitzen. Tatsächlich ist diese Eigenschaft in zahlreichen anderen Gesteinsarten und Sedimenten auf der ganzen Welt weit verbreitet. Eines der häufigsten dieser Oxide in natürlichen Gesteinsablagerungen ist Magnetit.

Als Beispiel dafür, wie diese Eigenschaft von magmatischen Gesteinen es uns ermöglicht, festzustellen, dass sich das Erdfeld in der Vergangenheit umgekehrt hat, betrachten wir Messungen des Magnetismus über Ozeankämme. Bevor Magma durch einen Spalt aus dem Mantel austritt, hat es eine extrem hohe Temperatur, die über der Curie-Temperatur eines Eisenoxids liegt, das es enthalten kann. Die Lava beginnt sich abzukühlen und zu verfestigen, sobald sie in den Ozean gelangt, so dass diese Eisenoxide schließlich ihre magnetischen Eigenschaften wiedererlangen können, insbesondere die Fähigkeit, eine Restmagnetisierung zu halten. Unter der Annahme, dass das einzige an diesen Stellen vorhandene Magnetfeld das der Erde selbst zugeordnete ist, wird dieses erstarrte Gestein in Richtung des Erdmagnetfeldes magnetisiert. Obwohl die Stärke des Feldes eher schwach ist und der Eisengehalt typischer Gesteinsproben gering ist, Die relativ kleine Restmagnetisierung der Proben liegt gut innerhalb der Auflösung moderner Magnetometer. Das Alter und die Magnetisierung von erstarrten Lavaproben können dann gemessen werden, um die Ausrichtung des Erdmagnetfelds in alten Epochen zu bestimmen.

Magnetfelderkennung

Abweichungen eines Magnetfeldmodells von Messdaten, Daten, die von Satelliten mit empfindlichen Magnetometern erzeugt werden

Die Die Erdmagnetfeldstärke wurde 1835 von Carl Friedrich Gauß gemessen und seitdem wiederholt gemessen, wobei in den letzten 150 Jahren ein relativer Zerfall von etwa 10% auftrat. Der Magsat-Satellit und spätere Satelliten haben 3-Achsen-Vektor-Magnetometer verwendet, um die 3D-Struktur des Erdmagnetfelds zu untersuchen. Der spätere Ørsted-Satellit ermöglichte einen Vergleich, der auf ein dynamisches Geodynamo in Aktion hinweist, das einen alternativen Pol unter dem Atlantik westlich von Südafrika zu erzeugen scheint. Regierungen betreiben manchmal Einheiten, die auf die Messung des Erdmagnetfeldes spezialisiert sind. Dies sind geomagnetische Observatorien, typischerweise Teil eines National Geological Survey, zum Beispiel des Eskdalemuir Observatory des British Geological Survey. Solche Observatorien können magnetische Bedingungen messen und vorhersagen, die manchmal die Kommunikation, die elektrische Energie und andere menschliche Aktivitäten beeinflussen. (Siehe magnetischer Sturm.)

Das International Real-time Magnetic Observatory Network mit über 100 miteinander verbundenen geomagnetischen Observatorien auf der ganzen Welt erfasst seit 1991 das Magnetfeld der Erde. Das Militär bestimmt lokale Erdmagnetfeldeigenschaften, um Anomalien im natürlichen Hintergrund zu erkennen, die durch ein signifikantes metallisches Objekt wie ein untergetauchtes U-Boot verursacht werden könnten. Typischerweise werden diese magnetischen Anomaliedetektoren in Flugzeugen wie der britischen Nimrod geflogen oder als Instrument oder eine Reihe von Instrumenten von Oberflächenschiffen geschleppt.

Kommerziell nutzen geophysikalische Prospektionsunternehmen auch Magnetdetektoren, um natürlich vorkommende Anomalien aus Erzkörpern wie der Kursker Magnetanomalie zu identifizieren.

Tiere, darunter Vögel und Schildkröten, können das Erdmagnetfeld erkennen und das Feld zur Navigation während der Migration verwenden. Kühe und Wildhirsche neigen dazu, ihren Körper beim Entspannen in Nord-Süd-Richtung auszurichten, aber nicht, wenn die Tiere unter Hochspannungsleitungen stehen, was Forscher zu der Annahme veranlasst, dass Magnetismus dafür verantwortlich ist.

Seismo-Elektromagnetik ist ein Forschungsgebiet zur Vorhersage von Erdbeben.

Anmerkungen

Wikimedia Commons hat Medien im Zusammenhang mit: Erdmagnetfeld

• William J. Broad, Werden Kompasse nach Süden zeigen?. New York Times, 13.Juli 2004.
• John Roach, Warum dreht sich das Erdmagnetfeld?. National Geographic, 27.September 2004.
• Wenn Norden nach Süden geht. Projekte im wissenschaftlichen Rechnen, 1996.
• 3D-Erdmagnetfeld-Simulator für geladene Teilchen. Werkzeug für die 3D-Simulation geladener Teilchen in der Magnetosphäre..
• Der große Magnet, die Erde, Geschichte der Entdeckung des Erdmagnetfeldes von David P. Stern.
• Erforschung der Magnetosphäre der Erde, Bildungswebsite von David P. Stern und Mauricio Peredo