Neuer Einblick ins Erdinnere

Das Erdmagnetfeld, das unseren Globus umgibt, schützt die Erde vor schädlicher Strahlung und hilft Tieren wie Vögeln oder Fledermäusen dabei, sich zu orientieren. Erzeugt wird das Erdmagnetfeld in erster Linie im sogenannten Geodynamo, durch Prozesse die sich im äusseren flüssigen Erdkern und im inneren festen Erdkern abspielen. Philip Livermore von der Universität Leeds, sowie Rainer Hollerbach und Andrew Jackson von der ETH Zürich haben nun anhand von Computersimulationen auf dem CSCS-Supercomputer «Monte Rosa» erstmals gezeigt, dass das Magnetfeld selbst wiederum diese dynamischen Prozesse im Erdkern beeinflusst. Demnach bewirkt das Magnetfeld, dass sich der innere feste Kern - der etwa so gross wie der Mond ist - in östliche Richtung dreht und das Magnetfeld sich westwärts bewegt. Letzteres wurde bereits 1692 vom Entdecker des Kometen Halley, dem Naturforscher Edmund Halley beobachtet, konnte aber bis anhin nicht erklärt werden.

Schub nach Ost und West

Indem die Wissenschaftler für ihre Simulation neue Methoden nutzten und dabei vor allem mit einer um zwei Grössenordnungen niedrigeren, und somit 100 Mal realitätsnäheren Viskosität als in bisherigen Modellen arbeiteten, sei es gelungen bestimmte physikalische Prozesse im Erdkern entsprechend höher aufzulösen, sagen die Forscher. Die Simulationen zeigen, wie die Kräfte des Erdmagnetfeldes im äussersten Bereich des flüssigen Erdkerns bewirken, dass das Magnetfeld nach Westen wandert. Gleichzeitig verpassen dieselben Kräfte dem inneren festen Kern einen Schub nach Osten. Das führt dazu, dass der innere Erdkern eine höhere Dreh-Geschwindigkeit hat als die Erde.

Die Forscher kommen anhand ihrer Studie zum Schluss, dass bereits kleine Veränderungen im inneren Magnetfeld der Erde dazu führen können, dass sich die jeweiligen Bewegungsrichtungen umkehren. Das wiederum erklärt die Beobachtung, dass sich in den vergangenen 3000 Jahren das Erdmagnetfeld anstatt nach Westen mehrfach nach Osten verschoben hat. Vermutlich rotierte der innere Erdkern anstatt in östliche dann auch in westliche Richtung. Kleinste Veränderungen im Magnetfeld könne laut den Forschenden auch zu unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten des inneren Kerns geführt haben. Diese Beobachtung machten erst kürzlich Forscher um Hrvoje Tkalcic von der Australien National University für die vergangenen 50 Jahre.

Einzige Möglichkeit zur Rekonstruktion

Berechnungen von Modellen des Erdmagnetfeldes gehören zu den rechenintensivsten Simulationen im Hochleistungsrechnen. In den Simulationen müssen unter anderem Gleichungssysteme der Fluiddynamik, klassischen Mechanik bis hin zur Thermodynamik gelöst werden. Die Simulationen in Kombination mit seismischen Messungen liefern die einzige Möglichkeit, das Erdinnere, in Tiefen von 2900 Kilometern bis hin zum Erdmittelpunkt in 6378 Kilometern Tiefe zu erforschen. Derartige Studien haben in den vergangenen Jahrzehnten enorm zum Verständnis beigetragen, was sich im Erdinneren abspielt.