Das Erdmagnetfeld unter der «Simulations-Lupe»

Im November 2013 schickte die European Space Agency (ESA) drei Satelliten ins All, die seither das Erdmagnetfeld präzise vermessen. Denn nach wie vor gibt das Erdmagnetfeld der Wissenschaft Rätsel auf. Bis heute ist beispielsweise nicht geklärt, welcher Mechanismus dazu führt, dass sich das Erdmagnetfeld umkehrt. Die ETH-Wissenschaftler Andrew Jackson und Andrey Sheyko sowie Chris Finlay von der Technischen Universität Dänemark konnten anhand von Simulationen auf dem Supercomputer Piz Daint nun einen möglichen Mechanismus identifizieren. Die Ergebnisse wurden heute in der Fachzeitschrift «Nature» publiziert.

Simulationen, seismische Messungen und der physikalischen Eigenschaften der Minerale – von letzteren weiss man, wie das tiefe Erdinnere aufgebaut ist – sind bislang die einzige Möglichkeit, das Erdinnere und die Entstehung des Erdmagnetfeldes zu erforschen. Das Erdmagnetfeld ist als Schutzschild gegen kosmische Strahlung oder als Navigationssystem etwa für Vögel für die Forschung von besonderem Interesse.

Schmelzenbewegung erzeugt Magnetfeld

Der sogenannte Geodynamo wird nach heutigem Wissensstand sehr wahrscheinlich durch Prozesse im inneren und äusseren Erdkern erzeugt. Während der innere Kern fest ist und hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht, ist der äussere Kern flüssig und enthält neben Eisen und Nickel auch noch leichtere Elemente. Die Flüssigkeit ist so heiss, dass die enthaltenen Metalle selbst nicht magnetisch sein können, sondern Strom und Wärme leiten. Indem im flüssigen äusseren Kern schwerere Elemente zum inneren Kern hin absinken und dort erstarren, entsteht ein Auftrieb der leichteren Elemente.

Dieser Prozess und der Temperaturunterschied an den Grenzen des inneren und äusseren Kerns sowie zum Erdmantel, sollen im flüssigen Kern Umwälzungen (Konvektionswalzen) verursachen. Gleichzeitig wirkt durch die Erdrotation die Corioliskraft. Sie verursacht in der Metallschmelze senkrecht zu den Konvektionswalzen Wirbel, die parallel zur Rotationsache der Erde ausgerichtet sind. Dadurch wird ein Induktionsstrom erzeugt, der letztendlich das Magnetfeld eines Dipols (Nord- und Südpol) sowie schwächere mehrpolige Komponenten entstehen lässt.

Entscheidend für das Erdmagnetfeld und seine Umkehrung sind zwei Materialeigenschaften: Einerseits die Viskosität des flüssigen Erdkerns. Sie bestimmt, wie schnell Strömungen im Erdkern zum Erliegen kommen können. Andererseits die elektrische Leitfähigkeit, die bestimmt, wie schnell das Magnetfeld erlischt. In bisherigen Simulationen fand beides gleich schnell statt.

«Wir haben in unsere Simulation das Magnetfeld zwanzig Mal schneller erlöschen lassen als die Strömungen im flüssigen Kern», sagt ETH-Professor Andrew Jackson Co-Autor der Studie. Die Wissenschaftler verkleinerten dadurch die dimensionslose Zahl, die das Verhältnis der beiden Materialeigenschaften zueinander beschreibt. Dadurch kamen sie näher an erdähnliche Bedingungen heran als bisherige Simulationen.

Dass Ziel der Simulation sei eigentlich gewesen, die Stabilität des Magnetfeldes zu untersuchen. Nach einer bestimmten Zeit habe sich dann aber periodisch immer wieder eine Feldumkehrung ereignet, berichtet Jackson.

Die beobachtete Feldumkehrung liesse sich nur durch den Einfluss sogenannter Dynamo-Wellen erklären. «Das ist die erste Simulation, bei der eine scheinbar durch Dynamo-Wellen verursachte Feldumkehrung unter non slip Randbedingungen gelang», sagt Sheyko. «Non slip» seien realitätsnahe Randbedingungen, die eine der Reibung ausgesetzte Flüssigkeit erfährt, wenn sie an eine Grenze, in diesem Fall die Schale des äusseren Kerns, gerät.

Dynamo-Wellen sind starke globale Störungen des sich vom Kern aus ausbreitenden Magnetfeldes. Ihre Existenz wurde 1955 postuliert, um die periodische Feldumkehrung in der Sonne zu erklären, die alle elf Jahre stattfindet. Obwohl die Erde und ihr Magnetfeld sich deutlich von der Sonne unterscheiden, könnte laut den neusten Forschungsergebnissen Dynamo-Wellen auch bei der Feldumkehrung des Erdmagnetfeldes eine Rolle spielen.

Idealisierte Bedingungen

Diese hochkomplexen Vorgänge dreidimensional zu simulieren, benötigt extrem leistungsstarke Supercomputer. Und selbst mit diesen können erdähnliche Bedingungen nur annäherungsweise berechnet werden. Als Grundlage ihrer Simulation und Ausgangsmodell nutzten das Forscherteam ein Modell, in dem Forscher 2009 eine niedrige Viskosität und neu eine konstante Wärmeströmung an der Oberfläche des Erdkerns annahmen.

Mit diesem war es erstmals gelungen ein ausreichend starkes und stabiles Magnetfeld bei erdähnlichen Bedingungen zu simulieren. Dieses Modell ergänzten die Forscher nun mit idealisierten Bedingungen, indem sie für die Simulation des erdähnlichen Planeten beispielsweise annahmen, dass er kugelförmig ist. Zugleich rückten sie jedoch näher an erdähnliche Bedingungen heran, indem sie das Magnetfeld und die Strömung im flüssigen Kern verschieden schnell zerfallen liessen. Auf diese Weise konnten die Forscher mit vier Millionen CPU Stunden auf Piz Daint eine Simulation eines planetaren Dynamos mit nie zuvor erreichter geringer Viskosität, hoher Rotationsgeschwindigkeit, Ausbreitung des Magnetfeldes und Dauer der Umpolung durchführen.

Bei der Simulation entwickelte sich ein starkes zweipoliges Magnetfeld, das sich innerhalb von ein paar Tausend Jahren periodisch umkehrte. Das Erdmagnetfeld kehrte sich in der Realität jedoch immer wieder unregelmässig mehrere hundert Male um, in den letzten Jahrmillionen im Mittel alle 500'000 Jahre. Da es sich weder periodisch umkehrt noch die gleichen Symmetrien wie das simulierte Magnetfeld besitzt, unterscheidet es sich deutlich vom simulierten Dipol-Feld. «Die der Simulation zugrundeliegende Physik entspricht zwar derjenigen der Erde», sagt Andrew Jackson. Aber da man noch Grössenordnungen von den realen Bedingungen auf und in der Erde entfernt sei, liefert das Modell vorerst nur ein Hinweis darauf, dass Dynamowellen bei der Feldumkehrung des Erdmagnetfelds eine Rolle spielen könnten.