Die Erde ist von einem Magnetfeld umgeben. An der Erdoberfläche hat dieses Feld die Form eines magnetischen Dipols, wie es auch von einem Stabmagneten erzeugt wird.
Das Erdmagnetfeld ist größtenteils statisch. Es weist in Nord-/Südrichtung, eine Kompassnadel richtet sich also in diese Richtung aus. Dies wird zur Navigation eingesetzt und war den Chinesen und Mongolen schon vor mehreren tausend Jahren bekannt. Die Pole des Erdmagneten fallen aber nicht genau der Erdachse zusammen, sondern sind (zur Zeit) um ca. 11,5o gegenüber der Erdachse geneigt. Daher unterscheidet man den geographischen Nordpol und Südpol, die durch die Richtung der Erdachse bestimmt sind, von den magnetischen Polen.
Der Stärke des Magnetfeldes der Erde ist mit ca. 30 bis 60µT (Mikrotesla) relativ klein. Es ist nicht parallel zur Erdoberfläche, sondern tritt mit dem Inklinationswinkel in die Oberfläche ein. Diesen Winkel kann man durch ein waagerecht aufgehängte Kompassnadel bestimmen. Er beträgt in Deutschland etwa 60o gegenüber der Horizontalen. Am Nordpol und Südpol ist er ca. 90o, am Äquator 0o.
An der Erdoberfläche wird das Magnetfeld durch eisenhaltiges Gestein leicht verformt, so dass sich regionale Unterschiede ergeben. Durch magnetische Stürme, die durch den Sonnenwind verursacht werden, wird die Stärke des Feldes zudem kurzzeitig verändert, jedoch nur im Bereich von bis zu 100 nT (Nanotesla).
Das Magnetfeld der Erde lenkt außerdem die geladenen Teilchen des Sonnenwindes ab. Ohne dieses Feld wäre die Strahlung für das bestehende Leben auf der Erde wohl tötlich. Satellitenmessungen ergeben, dass durch diesen Sonnenwind auf der sonnenabgewandten Seite in großen Höhen stark verformt ist und nicht mehr einem Dipolfeld entspricht. Es bildet sich sogar ein Plasmaschweif aus.
Entstehung des Erdmagnetfeldes
Die Entstehung des Magnetfeldes ist noch nicht vollständig geklärt. Man nimmt an, dass es sich durch elektrische Ströme im Bereich des flüssigen äußeren Erdkerns bildet. Es wird vermutet, dass die Erde aus einem festen inneren Eisenkern, einem flüssigen äußeren Kern und dem flüssigen Erdmantel besteht, auf dem sich eine dünne Erdkruste, – die Erdoberfläche – befindet. Die Ströme werden durch Bewegungen verursacht, die durch Konvektion getrieben werden. Das Erdinnere kühlt sich dadurch ab (Geodynamomodell).
Der vermutete feste Eisenkern der Erde kann nicht die Ursache des Magnetfeldes sein, da er mit einer Temperatur von einigen tausend oC weit oberhalb des Curiepunktes ist. Eisen ist bei diesen Temperaturen nicht magnetisch.
Geschichte
Im Jahre 1600 veröffentlichte der englische Arzt und Naturphilosoph William Gilbert sein Werk De Magnete, in dem er erstmals erkannte, dass die Erde als Ursache für die Ausrichtung der Kompassnadel ist. Messungen in London ergaben zudem, dass das Magnetfeld nicht statisch ist, sondern sich zeitlich langsam ändert.
Seit den ersten Messungen um 1550 hat sich die Stärke des Magnetfeldes um etwa 20% verringert, in den letzten hundert Jahren allein um ca. 6%. Die magnetischen Pole sind nicht ortsfest. Sie wandern derzeit etwa 7,5 km pro Jahr.
Paläomagnetismus
Eisenhaltiges Gestein, das oberhalb des Curiepunktes erhitzt wird und sich dann abkühlt, wird in Richtung des äußeren Magnetfeldes, normalerweise des Erdmagnetfeldes, magnetisiert. Dies trifft für Vulkangestein zu, tritt aber auch Ziegeln oder Tongefäßen auf. Dadurch wird die Magnetfeldrichtung quasi eingefroren und kann heute bestimmt werden. Die wissenschaftliche Disziplin heißt Paläomagnetismus.
Aufgrund von Messungen an Gesteinen weiss man daher, dass sich das Erdmagnetfeld im Mittel etwa alle 500.000 Jahre umkehrt. Zuletzt hat es sich vor ca. 750.000 Jahren umgekehrt. Die Umpolung geschieht dabei in einer relativ kurzen Zeitspanne von wenigen tausend Jahren. Umpolungen sind bis etwa 100 Millionen Jahre zurück gut dokumentiert. Da das Magnetfeld derzeit abnimmt, könnte derzeit eine Umpolung bevorstehen. Diese Vermutung ist wissenschaftlich jedoch nicht gesichert.
Messungen des Magnetfeldes
Derzeit wird das Magnetfeld in über 200 Laboratorien der Erde ständig gemessen und überwacht. Auch Satelliten werden zu Magnetfeldmessung herangezogen. Die Messungen erreichen in Stärke und Richtung ein überaus große Genauigkeit.