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.
Erste physikalische Erklärungen
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 ersten Mal eine vernünftige Erklärung für die mysteriöse Eigenschaft der Kompassnadel, sich in Nord-Süd-Richtung auszurichten: die Erde selbst ist magnetisch.
Die magnetische Wirkung an der Erdoberfläche ist näherungsweise zu beschreiben, wenn man sich einen "Riesen-Stabmagnet" in der Erde vorstellt, dessen Südpol in die geographische Nordrichtung und dessen Nordpol in die geographische Südrichtung zeigt.
Tatsächlich sind jedoch die Verhältnisse nicht ganz so einfach und das mit dem "Riesen-Stabmagnet" ist nur eine Hilfsvorstellung. Weitere Informationen zu Inklination und Deklination findet du hier. Grundwissen zu magnetischen Feldlinien findest du auf der Seite über die Feldlinien.
Joachim Herz Stiftung
Das magnetische Erdfeld hat eine ähnliche Struktur wie das Feld eines Stabmagneten. Vereinfacht könnte man sich im Erdinneren einen großen Stabmagneten denken, der mit seinem (magnetischen) Südpol ungefähr in die Richtung des geographischen Nordpols zeigt.
Andrew Z. Colvin; www.leifiphysik.de, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
Das magnetische Erdfeld beruht auf elektrischen Strömen im flüssigen Erdinneren (eine genaue Erläuterung des heute vermuteten Entstehungsmechanismus ist auf dieser Stufe noch nicht verständlich).
Deklination der Kompassnadel
Wie man aus der Verschiedenheit von geographischem 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. Sie beträgt für München theoretisch ca. 1,1° in westliche Richtung.
Hinweis: In der Praxis beträgt die Deklination in München aufgrund von Unregelmäßigkeiten im Erdmagnetfeld etwa 4,0° östliche Richtung. Auch verändert sich die Deklination mit der Zeit. Aktuell nimmt sie jährlich um etwa 9,7 Bogenminuten zu.
Inklination der Magnetfeldlinien
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Aus dem Feldlinienbild des magnetischen Erdfeldes kann man auch ersehen, dass die magnetischen Feldlinien nicht parallel zur Erdoberfläche verlaufen. Den Neigungswinkel zwischen einer zur Erdoberfläche parallelen Ebene und der Feldlinie bezeichnet man als Inklinationswinkel.
Der Inklinationswinkel beträgt in Deutschland zwischen 62° und 70° und kann mit einem sogenannten Inklinatorium gemessen werden (siehe Abb. 5).
In der Nähe des Äquators liegt die Inklination im Bereich um 0°. Exakt an den magnetischen Polen beträgt der Inklinationswinkel 90°.
Änderung des magnetischen Südpols im Laufe der Zeit
Das magnetische Erdfeld ist aufgrund des komplizierten Entstehungsprozesses ständigen Schwankungen unterworfen. In Abb. 6 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.
Einfluss von Sonnenwinden auf das Erdmagnetfeld
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Neben den langfristigen Schwankungen des Erdmagnetfeldes gibt es noch kurzfristige Schwankungen, sog. magnetische Stürme, welche durch Stromsysteme in der Ionosphäre und durch starke Ladungsschwingungen in der Magnetosphäre hervorgerufen werden.
Das Magnetfeld der Erde hat auf der Sonnenseite einen ähnlichen Verlauf wie beim Stabmagneten. Auf der sonnenabgewandten Seite (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 rotbraunen Pfeile in Abb. 7).