Letzte Aktualisierung: 27. Januar 2024

Paläomagnetismus

Was ist Paläomagnetismus?

Das Erdmagnetfeld wird vom äußeren Erdkern erzeugt, der aus flüssigem Eisen besteht. Die Wärme vom inneren Kern, der aus festem Eisen besteht, wird durch Konvektionsströme auf den flüssigen äußeren Kern übertragen. Durch Konvektionsströme dreht sich der flüssige äußere Kern unregelmäßig, jedoch etwas schneller als die Rotationsgeschwindigkeit der Erde, wodurch ein elektrischer Strom entsteht. Dieser elektrische Strom wiederum erzeugt ein Magnetfeld, das durch Richtung, Bedeutung und Intensität gekennzeichnet ist.

Auf der Erdoberfläche haben ferromagnetische Mineralien wie Magnetit (Fe3O4) und Hämatit (Fe2O3), die in den Gesteinen der Erdkruste enthalten sind, die Fähigkeit, magnetisiert zu werden. Wenn Basalt durch schnelles Abkühlen von Magma entsteht, das von Vulkanen ausgestoßen wird, richten sich die im Gestein vorhandenen ferromagnetischen Mineralien an das umgebende Erdmagnetfeld aus.

Diese Magnetisierung ferromagnetischer Mineralien erzeugt einen magnetischen Abdruck im Basalt, der später untersucht werden kann, um die geomagnetische Geschichte der Region zu verstehen. Das heißt, wenn sich Gesteine bilden, zeichnen sie die Ausrichtung des Erdmagnetfelds zu einem bestimmten Zeitpunkt auf. Im Laufe der Zeit können Gesteine aufgrund der Bewegungen tektonischer Platten bewegt werden, ihr magnetischer Fußabdruck bleibt jedoch unverändert.

Geophysiker und Geologen können von überall auf der Welt Gesteinsproben entnehmen, sie datieren und ihre Ausrichtung und magnetische Intensität analysieren. Durch den Vergleich dieser Informationen mit der aktuellen Position der Gesteine können sie die vergangenen Bewegungen der Kontinente rekonstruieren.

Wie kann man die Anziehungskraft der Vergangenheit wiederentdecken?

Ferromagnetische Mineralien bewahren die Ausrichtung der Eisenionen in Richtung des Erdmagnetfelds beim Erstarren, aber auch die Intensität der Magnetisierung. Durch die Untersuchung zahlreicher Standorte auf der ganzen Welt (geomagnetische Observatorien) können Wissenschaftler die Geschichte des Erdmagnetfelds rekonstruieren.

Alle Materie (Pflanzen, Metalle, Tiere, menschliche Körper usw.) hat eine Magnetisierung induziert, das heißt, sie reagiert auf das Erdmagnetfeld. Remanente Magnetisierung ist das, was Materie behalten und im Gedächtnis speichern kann, wenn das Umgebungsmagnetfeld auf Null reduziert wird. Der Paläomagnetiker versucht daher, diese remanente Magnetisierung zu identifizieren.
Der Paläomagnetiker ist besonders an der Richtung der Magnetisierung im Verhältnis zur geografischen Markierung des Probenahmeortes interessiert. Die entnommene Probe (langer Gesteinszylinder) wird mit einem System geortet, das es ermöglicht, die genaue Richtung des Magnetpfeils im Raum am Probenahmeort zu notieren.
Mit einem Magnetometer werden Intensität und Richtung der zurückgehaltenen Magnetisierung gemessen.
Die Probe wird in ihrem Bezugspunkt positioniert, also in der gleichen Position wie ihr Probenahmeort. Eine Maschine wird es in abgeschirmten Spulen, isoliert vom externen Magnetfeld, in eine schnelle Rotation versetzen. Im Messgerät wird eine Abweichung festgestellt. Die 3 Komponenten der Magnetisierung werden erfasst (Richtung, Richtung, Intensität).
Anschließend erhitzen die Wissenschaftler die Probe, um die gesamte sogenannte natürliche thermoremanente Magnetisierung verschwinden zu lassen. Tatsächlich verliert ein ferromagnetisches Material seine permanente Magnetisierung bei einer Temperatur, die als „Curie-Temperatur“ bezeichnet wird. Dieses Phänomen wurde 1895 vom französischen Physiker Pierre Curie (1859-1906) entdeckt.
Dann erzeugen sie in einem bekannten Feld (dem der Erde) eine neue Magnetisierung. Ohne die Probe zu bewegen, vergleichen sie sie mit der alten natürlichen Magnetisierung, die sie aufgezeichnet haben.
Diese Manipulation ermöglicht es uns, die drei Parameter des Magnetfelds in dem Moment zu kennen, in dem das Gestein abgekühlt ist.

Umkehrung des Erdmagnetfeldes im Laufe der Zeit

Normale und umgekehrte magnetische Polarität der Erde — Die Umkehrung des Erdmagnetfeldes wird in der ozeanischen Kruste als magnetische Bänder parallel zum mittelozeanischen Rücken aufgezeichnet. Neue ozeanische Kruste wird bei ihrer Bildung magnetisiert und bewegt sich dann in beide Richtungen vom Rücken weg. In diesem Modell erscheint ein Bergrücken (a) vor etwa 5 Millionen Jahren, ein Bergrücken (b) vor etwa 2 Millionen Jahren und ein Bergrücken (c) heute. Bildnachweis: Public Domain.

Mithilfe des Paläomagnetismus haben Wissenschaftler herausgefunden, dass es im Laufe der Erdgeschichte zahlreiche Umkehrungen des Erdmagnetfeldes gegeben hat.

Die Umkehrung des Erdmagnetfeldes wird an mittelozeanischen Rücken aufgezeichnet. An diesen Stellen steigt der geschmolzene Mantel an die Oberfläche und verfestigt sich, um neue ozeanische Kruste zu bilden, wobei die Stärke und Richtung des gegenwärtigen Umgebungsmagnetfelds erhalten bleibt. Wenn neues Material extrudiert wird, wird die vorhandene Kruste auf beide Seiten des Grats gedrückt, wobei die Richtung des Umgebungsmagnetfelds zum Zeitpunkt der Bildung beibehalten wird. Mit anderen Worten: Wenn Magma abkühlt und sich verfestigt, um eine ozeanische Kruste zu bilden, richten sich ferromagnetische Mineralien beim Erstarren nach dem umgebenden Erdmagnetfeld aus. Dadurch wird die Meereskruste magnetisiert und die Ausrichtung des Magnetfelds an diesem genauen Ort und zu diesem genauen Zeitpunkt aufgezeichnet.

So bilden sich auf beiden Seiten des Mittelgrats des Bergrückens parallele Bänder aus magnetisiertem Gestein. Diese Bänder haben entgegengesetzte magnetische Polaritäten und bilden sogenannte magnetische Anomalien. Diese werden als abwechselnde Blöcke normaler und umgekehrt magnetisierter ozeanischer Kruste interpretiert. Diese an mittelozeanischen Rücken beobachteten Anomalien sind besonders interessant, da Wissenschaftler durch die Analyse dieser Bänder die Geschichte der magnetischen Umkehrungen im Laufe der Zeit rekonstruieren können.

Durch die Analyse dieser Anomalien konnten Wissenschaftler die Geschichte der Umkehrungen des Erdmagnetfelds in den letzten 800 Millionen Jahren verfolgen. Sie fanden heraus, dass die Häufigkeit der Umkehrungen unregelmäßig ist, aber eine gewisse Periodizität aufweist. Im Durchschnitt kehrt sich das Erdmagnetfeld alle 250.000 bis 300.000 Jahre um. Es gibt jedoch Zeiträume, in denen Umkehrungen häufiger auftreten, beispielsweise vor 80 Millionen Jahren, als sich das Erdmagnetfeld alle 100.000 Jahre umkehrte.

Es gibt auch Zeiträume, in denen Umkehrungen seltener sind, beispielsweise vor 100 Millionen Jahren, als das Erdmagnetfeld mehr als 10 Millionen Jahre lang stabil blieb.

Magnetfeldumkehr im Gange

Wissenschaftler überwachen das Erdmagnetfeld sorgfältig auf Anzeichen einer signifikanten Veränderung. Moderne Beobachtungen werden mithilfe von Satelliten und geophysikalischen Instrumenten durchgeführt, um das Magnetfeld präzise abzubilden.

Doch selbst mit diesen fortschrittlichen Technologien bleibt die genaue Vorhersage des genauen Zeitpunkts einer Umkehr aufgrund der Komplexität der dynamischen Prozesse im Erdkern eine Herausforderung.

Derzeit beobachten wir einen Rückgang des Dipolmoments um 6 % pro Jahrhundert. Die Abnahme des Dipolmoments deutet auf eine Verringerung der Intensität des Erdmagnetfelds hin.
Die Abnahme des Dipolmoments des Erdmagnetfelds bedeutet nicht unbedingt eine sofortige Umkehr des Magnetfelds. Obwohl die Abnahme des Dipolmoments mit Veränderungen im Erdmagnetfeld verbunden sein kann, ist die magnetische Umkehr ein komplexer Prozess und die Entwicklung des Magnetfelds kann verschiedenen unvorhersehbaren Szenarien folgen.