Was magnetischer Norden ist, wird magnetischer Süden. Geht die Erde einer Polumkehr entgegen? Ein Blick auf die archäologischen Funde im südlichen Afrika liefert Hinweise.
Bild über die NASA.
Von John Tarduno, Universität von Rochester und Vincent Hare, Universität von Rochester
Die Erde ist von einem Magnetfeld bedeckt. Dies ist es, was Kompasse nach Norden weisen lässt und unsere Atmosphäre vor dem ständigen Beschuss durch geladene Teilchen wie Protonen aus dem All schützt. Ohne ein Magnetfeld würde unsere Atmosphäre durch schädliche Strahlung langsam zerstört, und das Leben würde mit ziemlicher Sicherheit nicht mehr so existieren wie heute.
Sie könnten sich vorstellen, dass das Magnetfeld ein zeitloser, konstanter Aspekt des Lebens auf der Erde ist, und bis zu einem gewissen Grad hätten Sie Recht. Das Erdmagnetfeld ändert sich jedoch tatsächlich. Hin und wieder - in der Größenordnung von einigen hunderttausend Jahren oder so - ist das Magnetfeld umgekippt. Der Norden zeigt nach Süden und umgekehrt. Und wenn das Feld kippt, wird es auch sehr schwach.
Links das Magnetfeld der Erde, wie wir es gewohnt sind. Rechts ein Modell, wie das Magnetfeld während einer Umkehrung aussehen könnte. Bild über die NASA / Gary Glazmaier
Was Geophysiker wie wir derzeit in Erstaunen versetzen, ist die Erkenntnis, dass die Stärke des Erdmagnetfelds in den letzten 160 Jahren alarmierend stark abgenommen hat. Dieser Zusammenbruch konzentriert sich auf eine riesige Fläche der südlichen Hemisphäre, die sich von Simbabwe bis Chile erstreckt und als Südatlantische Anomalie bekannt ist. Die Magnetfeldstärke ist dort so schwach, dass Satelliten in einer Umlaufbahn über der Region gefährdet sind - das Feld schützt sie nicht mehr vor Strahlung, die die Satellitenelektronik stört.
Und das Feld wird immer schwächer und deutet möglicherweise auf noch dramatischere Ereignisse hin, einschließlich einer globalen Umkehrung der Magnetpole. Eine solche wesentliche Änderung würde sich auf unsere Navigationssysteme sowie auf die Übertragung von Elektrizität auswirken. Das Spektakel des Nordlichts kann in verschiedenen Breiten auftreten. Und weil bei einer globalen Umkehrung mehr Strahlung unter sehr geringen Feldstärken die Erdoberfläche erreichen würde, könnte dies auch die Krebsrate beeinflussen.
Wir wissen immer noch nicht genau, wie weit diese Auswirkungen gehen würden, was unsere Untersuchung noch dringlicher macht. Wir greifen auf einige möglicherweise unerwartete Datenquellen zurück, einschließlich 700 Jahre alter afrikanischer archäologischer Aufzeichnungen, um dies herauszufinden.
Entstehung des Erdmagnetfeldes
Schnittbild des Erdinneren. Bild über Kelvinsong
Das Magnetfeld der Erde wird durch Konvektion von Eisen im flüssigen äußeren Kern unseres Planeten erzeugt. Aus der Fülle von Beobachtungs- und Satellitendaten, die das Magnetfeld der letzten Zeit dokumentieren, können wir modellieren, wie das Feld aussehen würde, wenn wir einen Kompass unmittelbar über dem wirbelnden flüssigen Eisenkern der Erde hätten.
Diese Analysen zeigen ein erstaunliches Merkmal: Unterhalb des südlichen Afrikas gibt es an der Kern-Mantel-Grenze, an der der äußere Kern aus flüssigem Eisen auf den etwas steiferen Teil des Erdinneren trifft, einen Bereich mit umgekehrter Polarität. In diesem Bereich ist die Polarität des Feldes dem durchschnittlichen globalen Magnetfeld entgegengesetzt. Wenn wir einen Kompass tief unter dem südlichen Afrika verwenden könnten, würden wir sehen, dass in diesem ungewöhnlichen Gebiet Norden tatsächlich nach Süden zeigt.
Dieser Patch ist der Hauptverursacher der South Atlantic Anomaly. In numerischen Simulationen treten unmittelbar vor der geomagnetischen Umkehr ungewöhnliche Flecken auf, die denen unter dem südlichen Afrika ähneln.
Die Pole haben sich im Laufe der Geschichte des Planeten häufig umgedreht, aber die letzte Umkehrung liegt in der fernen Vergangenheit, vor etwa 780.000 Jahren. Das schnelle Abklingen des jüngsten Magnetfelds und seines Abklingmusters wirft natürlich die Frage auf, was vor den letzten 160 Jahren geschah.
Der Archäomagnetismus versetzt uns in die Vergangenheit
In archäomagnetischen Studien arbeiten Geophysiker mit Archäologen zusammen, um mehr über das Magnetfeld der Vergangenheit zu erfahren. Beispielsweise enthält Ton, der zur Herstellung von Tonwaren verwendet wird, geringe Mengen magnetischer Mineralien wie Magnetit. Wenn der Ton erhitzt wird, um einen Topf herzustellen, verlieren seine magnetischen Mineralien jeglichen Magnetismus, den sie möglicherweise gehalten haben. Beim Abkühlen zeichnen die magnetischen Mineralien die Richtung und Intensität des Magnetfelds zu diesem Zeitpunkt auf. Wenn man das Alter des Topfes oder die archäologische Fundstelle bestimmen kann (z. B. mithilfe von Radiokohlenstoffdatierungen), kann eine archäomagnetische Vorgeschichte wiederhergestellt werden.
Mit diesen Daten haben wir eine teilweise Vorgeschichte des Archäomagnetismus für die nördliche Hemisphäre. Im Gegensatz dazu ist die archäomagnetische Aufzeichnung der südlichen Hemisphäre spärlich. Insbesondere aus dem südlichen Afrika liegen praktisch keine Daten vor - und das ist neben Südamerika die Region, die möglicherweise den besten Einblick in die Geschichte des umgekehrten Kernstücks bietet, das die heutige Südatlantik-Anomalie verursacht.
Aber die Vorfahren der heutigen Südafrikaner, Bantu-sprechenden Metallurgen und Bauern, die vor 2000 bis 1500 Jahren in die Region einwanderten, ließen uns ungewollt einige Hinweise. Diese Eisenzeitmenschen lebten in Hütten aus Lehm und lagerten ihr Getreide in gehärteten Lehmbehältern. Als erste Landwirte der Eisenzeit im südlichen Afrika waren sie stark auf Regen angewiesen.
Getreidebehälter im Stil von vor Jahrhunderten. Bild über John Tarduno
Die Gemeinden reagierten häufig auf Dürreperioden mit Reinigungsritualen, bei denen Getreidespeicher verbrannt wurden. Diese etwas tragische Reihe von Ereignissen für diese Menschen war letztendlich ein Segen für den Archäomagnetismus, viele hundert Jahre später. Genau wie beim Brennen und Kühlen eines Topfes zeichnete der Ton in diesen Strukturen das Magnetfeld der Erde auf, als sie abkühlten. Da der Boden dieser alten Hütten und Getreidebehälter manchmal unversehrt ist, können wir sie abtasten, um die Richtung und Stärke ihres heutigen Magnetfelds zu erfassen. Jede Etage ist ein kleines magnetisches Observatorium, dessen Kompass unmittelbar nach dem Brennen eingefroren ist.
Mit unseren Kollegen haben wir unsere Stichproben auf Orte aus der Eisenzeit konzentriert, die das Limpopo-Flusstal, das heute im Norden von Simbabwe, im Westen von Botswana und im Süden von Südafrika begrenzt ist, überspannen.
Was passiert tief in der Erde unter dem Limpopo River Valley Image über John Tarduno?
Magnetfeld im Fluss
Die Probenahme an Standorten im Limpopo River Valley ergab die erste archäomagnetische Geschichte für das südliche Afrika zwischen 1000 und 1600. Was wir fanden, zeigt eine Zeit in der Vergangenheit, nahe 1300, als das Feld in diesem Gebiet so schnell abnahm wie heute. Dann nahm die Intensität zu, wenn auch viel langsamer.
Das Auftreten von zwei Intervallen des schnellen Feldzerfalls - eines vor 700 Jahren und eines heute - deutet auf ein wiederkehrendes Phänomen hin. Könnte es sein, dass das derzeitige Reverse-Flux-Patch unter Südafrika regelmäßig und weiter zurückliegt als unsere Aufzeichnungen gezeigt haben? Wenn ja, warum würde es an dieser Stelle erneut auftreten?
In den letzten zehn Jahren haben Forscher Bilder aus der Analyse der seismischen Wellen von Erdbeben gesammelt. Während sich seismische Scherwellen durch die Erdschichten bewegen, ist die Geschwindigkeit, mit der sie sich fortbewegen, ein Hinweis auf die Dichte der Schicht. Jetzt wissen wir, dass ein großes Gebiet langsamer seismischer Scherwellen die Kernmantelgrenze unter dem südlichen Afrika kennzeichnet.
Ort der südatlantischen Anomalie. Bild über Michael Osadicw / John Tarduno
Diese besondere Region unter dem südlichen Afrika trägt den etwas wortreichen Titel der afrikanischen Provinz Large Low Shear Velocity. Während viele bei dem beschreibenden, aber umgangssprachlichen Namen zusammenzucken, ist es ein tiefgreifendes Merkmal, das einige zehn Millionen Jahre alt sein muss. Während sie sich über Tausende von Kilometern erstrecken, sind ihre Grenzen scharf. Interessanterweise fällt das umgedrehte Kernflussfeld fast mit seiner Ostkante zusammen.
Die Tatsache, dass das heutige Reverse-Core-Patch und der Rand der afrikanischen Provinz Large Low Shear Velocity physisch so nah beieinander liegen, ließ uns nachdenken. Wir haben ein Modell entwickelt, das die beiden Phänomene verbindet. Wir schlagen vor, dass der ungewöhnliche afrikanische Mantel den Eisenfluss im Kern darunter verändert, was wiederum das Verhalten des Magnetfelds am Rand der seismischen Provinz verändert und zu den umgekehrten Flussflecken führt.
Wir spekulieren, dass diese umgedrehten Kernflecken schnell wachsen und dann langsamer abnehmen. Gelegentlich kann ein Patch groß genug werden, um das Magnetfeld der südlichen Hemisphäre zu dominieren - und die Pole kehren sich um.
Die konventionelle Idee von Umkehrungen ist, dass sie irgendwo im Kern beginnen können. Unser konzeptionelles Modell legt nahe, dass es an der Kern-Mantel-Grenze spezielle Stellen geben kann, die Umkehrungen fördern. Wir wissen noch nicht, ob sich das gegenwärtige Feld in den nächsten tausend Jahren umkehren oder in den nächsten paar Jahrhunderten weiter abschwächen wird.
Aber die Hinweise der Vorfahren der heutigen Südafrikaner werden uns zweifellos helfen, unseren vorgeschlagenen Mechanismus für Umkehrungen weiterzuentwickeln. Wenn dies zutrifft, kann es sein, dass die Polumkehrung außerhalb Afrikas erfolgt.
John Tarduno, Professor für Geophysik, Universität von Rochester und Vincent Hare, Postdoktorand für Geo- und Umweltwissenschaften, Universität von Rochester
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.