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Umwelt und Technik

Das Erdmagnetfeld

Seit etwa 300 n. Chr. benutzten chinesische Seefahrer einen Vorläufer des heutigen Kompasses als Orientierungshilfe. In Europa wird erstmals um 1200 n. Chr. über die Verwendung des Kompasses berichtet, der insbesondere bei schlechtem Wetter hervorragende Dienste tat: "Wenn die Seefahrer auf dem Meere bei Nebel die Wohltat der Sonnenhelle nicht fühlen oder die Welt sich im Dunkel der nächtlichen Schatten verhüllt, legen sie eine Nadel über einen Magneten. Sie kreist ringsum, bis sie zur Ruhe kommt und mit der Spitze nach Norden zeigt . . . Daraus erkennen die Seeleute, wohin sie ziehen müssen, auch wenn der Kleine Bär (Hinweis: der Polarstern befindet sich im Sternbild des kleinen Bären) sich verbirgt."

Vor etwa vierhundert Jahren, im Jahre 1600, veröffentlichte William Gilbert, der spätere Leibarzt von Königin Elizabeth I von England, seine große Studie über den Magnetismus, "De Magnete" - "Über den Magneten". Dieses Werk gab zum erstenmal eine rationale Erklärung für die mysteriöse Eigenschaft der Kompassnadel, sich in Nord-Süd-Richtung auszurichten: die Erde selbst ist magnetisch.

Eine sehr ausführliche und schöne Darstellung über die Leistungen Gilberts und die Entwicklung der Forschung über den Erdmagnetismus findet man unter: http://www.phy6.org/earthmag/Dmagint.htm

Das magnetische Erdfeld besteht aus mehreren Anteilen von denen der größte das Dipolfeld ist, dessen Achse ca. 11,5° gegen die Rotationsachse der Erde geneigt ist. Das Dipolfeld beruht auf elektrischen Strömen im flüssigen Erdinneren (eine genaue Erläuterung des heute vermuteten Entstehungsmechanismus ist auf dieser Stufe noch nicht verständlich). Die Stärke des Erdmagnetfeldes hat im letzten Jahrhundert um ca. 6% abgenommen. Sie liegt im Bereich von 30 - 60 μT (Mikrotesla). Zum Vergleich: Das Magnetfeld einer luftgefüllten Spule, wie sie im Unterricht verwendet wird, hat eine Stärke von ca. 1000 μT.

Wie man aus der Verschiedenheit von geografischem Nordpol und magnetischem Südpol schließen kann, weist der Nordpol einer Kompassnadel nicht exakt in den geografischen Norden. Man bezeichnet den Winkel zwischen der Achse der Kompassnadel und der geografischen Nordrichtung als Deklinationswinkel oder Missweisung.

Die folgende Karte zeigt die Missweisung im Jahre 2000 für Deutschland (sie beträgt für München ca. 1,1° in westliche Richtung)

Aus dem Feldlinienbild des Dipolfeldes kann man auch ersehen, dass die magnetischen Feldlinien nicht parallel zur Erdoberfläche verlaufen. Den Winkel zwischen einer zur Erdoberfläche parallelen Ebene und der Feldlinie bezeichnet man als Inklinationswinkel. Er beträgt in Deutschland ca. 60° und kann mit einem sogenannten Inklinatorium gemessen werden.

Das magnetische Erdfeld ist aufgrund des komplizierten Entstehungsprozesses (Geodynamo, der noch immer nicht vollständig verstanden ist), ständigen Schwankungen unterworfen. In der nebenstehenden Abbildung ist die Wanderung des magnetischen Südpols dargestellt, welcher derzeit jährlich um etwa 7,5 km in nördliche Richtung wandert.
Aus der Magnetisierung vulkanischer Gesteine hat man herausgefunden, dass sich die Richtung des erdmagnetischen Feldes etwa alle 0,5 Millionen Jahre umgekehrt hat, wobei die Richtungsänderung innerhalb von etwa nur 5000 Jahren verlief. Die Zeitskala dieser Umkehrungen ist bis ca. 80 Millionen Jahre zurück gut erforscht.

Neben diesen langfristigen Schwankungen des Erdmagnetfeldes gibt es noch kurzfristige Schwankungen (magnetische Stürme), welche durch Stromsysteme in der Ionosphäre und durch starke Ladungsschwingungen in der Magnetosphäre hervorgerufen werden.

Seit man mit Satelliten das Magnetfeld der Erde großräumig untersuchen kann, weiß man dass das Magnetfeld der Erde auf der Sonnenseite gut dipolförmig ist. Auf der Nachtseite bewirkt aber der Sonnenwind mit seinem Magnetfeld eine deutliche Deformation des Erdmagnetfeldes.
Das Magnetfeld der Erde lenkt einen Großteil dieser für den Menschen gefährlichen Teilchenstrahlung um (vgl. die braun gefärbten Pfeile).