Eine neue, kürzlich von der Europäischen Weltraumorganisation veröffentlichte Studie zeigte, dass ein riesiger Fluss geschmolzenen Eisens, der tief in der Erde verborgen war, unter dem Pazifischen Ozean plötzlich seine Richtung änderte. Diese unerwartete Veränderung hilft Wissenschaftlern, den Entwicklungsmechanismus des Erdmagnetfelds besser zu verstehen.
Das Erdmagnetfeld gilt als unsichtbarer „Schutzschild“ gegen große Mengen geladener Teilchen der Sonne. Seine Energie stammt aus einem „Ozean“ aus geschmolzenem Eisen, der Tausende Kilometer unter der Erde quillt. Obwohl Menschen diesen tiefen Bereich nicht direkt erreichen können, hinterlässt das langsam fließende geschmolzene Metall einen extrem schwachen Magnetfeld-„Fingerabdruck“ auf der Oberfläche. Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass sich einer der tiefen Eisenströme unter dem Pazifischen Ozean plötzlich umdrehte und seine Flugbahn sich stark von den Erwartungen traditioneller Modelle unterschied, was Wissenschaftlern neue Hinweise auf die Dynamik des Erdkerns lieferte.
Lange Zeit ging man in der Industrie allgemein davon aus, dass sich großräumige Strömungen im äußeren Erdkern langsam ändern und ihre Richtung erst im Verlauf von Jahrzehnten allmählich ändern. Durch die Überlagerung von fast 30 Jahren bodenmagnetischer Beobachtungsdaten und präziser Messungen mehrerer Satelliten rekonstruierte das Forscherteam die Bewegungsgeschichte dieser flüssigen Eisenregion und stellte erstmals mit hoher Auflösung den gesamten Prozess dieser gewalttätigen „Kehrtwende“ etwa 2.200 Kilometer unter der Erde dar.
Die Studie wies darauf hin, dass um das Jahr 2010 herum ein großer Bereich eisenhaltiger Flüssigkeit unter dem äquatorialen Pazifik plötzlich von einer schwachen Strömung nach Westen zu einer starken Strömung nach Osten wechselte. Bisher haben Wissenschaftler den direkten Auslösemechanismus für diese Umkehrung nicht gefunden, aber durch die erneute Analyse von Daten der Missionen „Swarm“ und „CryoSat“ der Europäischen Weltraumorganisation sowie von Beobachtungen von Satelliten wie dem deutschen CHAMP und dem dänischen Ørsted konnten Forscher dieses Ereignis in beispielloser Detailliertheit analysieren.
Die im Journal of Earth's Deep Interior Research veröffentlichten Ergebnisse kombinieren satellitengestützte und bodengestützte Magnetfeldbeobachtungen von 1997 bis 2025. Die Daten zeigen, dass der äußere Kern der Erde möglicherweise aktiver und variabler ist als bisher angenommen, was die wissenschaftliche Gemeinschaft auch dazu veranlasst, die Verbindung zwischen den tiefsten Strukturen der Erde und dem Entwicklungspfad des Magnetfelds auf längeren Zeitskalen zu überdenken.
Früher betrachteten Wissenschaftler den äußeren Kern im Allgemeinen als ein System mit relativ gleichmäßigen Bewegungen als Ganzes, aber die signifikante Änderung der Strömungsrichtung dieses Mal deutet darauf hin, dass seine innere Zirkulation möglicherweise anfälliger für plötzliche Anpassungen ist als erwartet. Diese Forschung liefert nicht nur neue Hinweise auf den Entstehungsmechanismus des Erdmagnetfelds, sondern weist auch auf einen möglichen Zusammenhang zwischen der Bewegung des äußeren Kerns und strukturellen Veränderungen tiefer unten hin.
Frederik Dahl Madsen, Erstautor der Arbeit und von der School of Earth Sciences der University of Edinburgh, sagte, dass diese großräumige Strömungsumkehr unter dem Pazifischen Ozean neue Fragen über das Verhalten des tiefen Erdinneren aufwirft: Handelt es sich um eine kurze Störung, Teil einer periodischen Schwingung, oder ist es ein Zeichen dafür, dass die äußere Kernzirkulation in einen neuen relativ stabilen Zustand eingetreten ist? Er wies darauf hin, dass Modellanalysen zeigten, dass dieser Oststrom nach 2020 begonnen habe, sich abzuschwächen; Gleichzeitig ergaben geodätische und seismologische Untersuchungen, dass sich im gleichen Zeitraum auch das Verhalten des Erdkerns veränderte. Auf dieser Grundlage stellte das Forschungsteam die Hypothese auf, dass diese beiden Arten von Veränderungen im tiefen Inneren miteinander zusammenhängen und möglicherweise Kopplungseffekte in tieferen dynamischen Systemen widerspiegeln.
Diese Arbeit basiert auf einem komplexen Beobachtungs- und Inversionssystem. Das Erdmagnetfeld entsteht hauptsächlich durch die Bewegung der extrem leitfähigen Eisenschmelze im flüssigen Außenkern um den festen Innenkern. Dieser Mechanismus, „Geodynamo“ genannt, verändert sich ständig dynamisch. Obwohl großräumige Strömungen in früheren Beobachtungen relativ persistent zu sein scheinen, offenbaren feinskalige Daten komplexere raumzeitliche Strukturen. Die drei Swarm-Satelliten, die 2013 von der Europäischen Weltraumorganisation gestartet wurden, sind mit hochempfindlichen Magnetometern ausgestattet, die das Erdmagnetfeld im Orbit mit hoher Präzision abbilden können und Wissenschaftlern dabei helfen, durch Formationsflüge verschiedene magnetische Signale aus dem Erdkern, dem Erdmantel und der Erdkruste, den Ozeanen, der Ionosphäre und der Magnetosphäre zu trennen.
Anhand dieser langfristigen, kontinuierlichen, globalen Beobachtungen konnten die Forscher die Entwicklung von Strömungsfeldern nahe der Kern-Mantel-Grenze rekonstruieren und plötzliche Veränderungen im Zusammenhang mit der Pazifikumkehr und dem geomagnetischen Ruck 2017 lokalisieren. Anja Stromme, Leiterin der Swarm-Mission, stellte fest, dass Swarm zwar erst nach diesem dramatischen Ereignis im Jahr 2010 gestartet wurde, seine hochpräzisen Magnetfelddaten jedoch eine entscheidende Unterstützung für die Analyse des Verhaltens des Erdkerns in späteren Zeiträumen darstellten. Sie betonte, dass langfristige magnetische Satellitenbeobachtungen im Vergleich zur ausschließlichen Nutzung von Bodenstationen die Entwicklung der Dynamik des Erdkerns auf globaler Ebene kontinuierlich verfolgen können, was es Wissenschaftlern ermöglicht, Änderungen im geomagnetischen Generator nahezu „quasi in Echtzeit“ zu beobachten und so die Modelle zur Entwicklung des Magnetfelds kontinuierlich zu verbessern.
Satellitendaten ermöglichten es den Forschern auch, Strömungsstrukturen wie Wellenbeschleunigung und schnelle Migration zu identifizieren, Details, die in verrauschten Datensätzen oft schwer aufzulösen sind. Die neuesten Ergebnisse zeigen, dass dieser ostwärts gerichtete Fluss unter dem Pazifischen Ozean Jahre nach seinem Höhepunkt schwächer wird, was den Beweis dafür liefert, dass es sich möglicherweise um eine vorübergehende Schwankung oder um einen Teil eines längeren natürlichen Zyklus handelt.
Aus Risikosicht finden diese tiefen Prozesse in enormen Tiefen weit von der Oberfläche statt und stellen derzeit keine direkte Gefahr für Mensch oder Klima dar. Sie sind jedoch entscheidend für das Verständnis des Verhaltens der Erde als Ganzes: Die Bewegung von geschmolzenem Eisen im flüssigen Außenkern erzeugt Magnetfelder, die eine Schlüsselrolle bei der Abwehr geladener Teilchen von der Sonne spielen und die Atmosphäre und technische Systeme vor intensiverer Strahlung schützen.
Das Erdmagnetfeld selbst entwickelt sich ständig weiter. Wenn sich die Strömung im Erdkern ändert, driftet das Magnetfeld langsam ab, und diese Veränderungen können langfristige Auswirkungen auf Navigationssysteme, den Betrieb von Raumfahrzeugen und erdnahe Weltraumwettermodelle haben. Daher ist die Verfolgung und das Verständnis von Veränderungen im Erdkern nicht nur ein grundlegendes wissenschaftliches Problem, sondern hat auch klare Anwendungsbedeutung.
Elisabetta Iorfida, Wissenschaftlerin der Swarm-Mission der ESA, stellte fest, dass diese Umkehrung im Pazifik die herkömmliche Meinung in Frage stellt, dass „der äußere Kern von einer stabilen Zirkulation nach Westen dominiert wird“. Sie betonte, dass diese Studie zeigt, dass regionale Veränderungen in nur einem Jahrzehnt schnell auftreten können, was Wissenschaftlern dabei helfen wird, mögliche dynamische Kopplungen zwischen dem äußeren Kern, dem inneren Kern und dem unteren Mantel zu erforschen und weitergehende Prozesse in der Schlüsselregion der Kern-Mantel-Grenze aufzudecken.
Die Forschung ergibt ein verlockendes Bild: Die tiefsten Schichten der Erde könnten auf komplexere, dynamischere Weise miteinander verbunden sein. Da sich das Magnetfeld weiter weiterentwickelt, liefern Satellitenmissionen immer detailliertere Ansichten eines Kernsystems, das weitaus variabler und komplexer ist als herkömmliche Modelle.