01. April 2011, 19:25

Nach knapp 2 Jahren hat der ESA Satellit GOCE (der Name steht für Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) das Gravitationsfeld der Erde mit bisher unerreichter Genauigkeit vermessen. Aus den Daten des Satelliten lässt sich das so genannte Geoid berechnen, die äußere Form, welche die Erde zeigen würde, wenn sie komplett überflutet und der Meeresspiegel alleine durch die jeweilige lokale Schwerkraft beeinflusst wäre. Dabei würden sich Gebiete mit geringer Schwerkraft als Dellen zeigen während die Gebiete mit hoher Schwerkraft als Beulen auftreten. Die Schweredaten helfen unter anderem, die Dynamik der Wärmekraftmaschine namens Erde besser zu verstehen. Denn die Unterschiede in der Schwerkraft korrelieren mit der Verteilung der Massen im Inneren der Erde. Das die Erde aber, wie manche Medien schreiben, einer Kartoffel ähnelt, ist auch wieder übetrieben. Denn erstens ist hier ja nicht die tatsächliche Oberfläche der Erde dargestellt, und zweitens sind die Unterschiede im Schwerefeld mehrere tausendfach überhöht, um sie deutlicher sichtbar zu machen. Außerdem sind die Erkenntnisse, dass das Schwerefeld der Erde nicht überall gleich ist, nicht neu. 

 

 

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31. Januar 2011, 16:51

Letztes Jahr entdeckten Seelye Martin und seine Kollegen von der Universität Washington einen Friedhof für Eisberge. Schon länger war aufgefallen, dass in bestimmten gebieten sehr häufig große Eisberge auseinanderbrechen. Normalerweise haben sehr massive Eisberge, wenn sie vom antarktischen Schelfeis abbrechen und sie nicht durch Kollisionen zerkleinert werden, eine recht lange Lebensdauer, bevor sie in wärmere Seegebiete verdriften und dabei langsam abschmelzen.
Das prominenteste Opfer des Eisbergfriedhofes war ein Eisberg mit dem klangvollen Namen B-15A. Dieser war ein Koloss von 3.000 Quadratkilometern und etwa 140 Kilometern Länge, der selber ein Bruchstück eines viel gewaltigeren Eisbergs darstellte, der B 15 genannt wurde und mit rund 11.600 km² etwa die Fläche von Jamaika besaß und im März 2000 vom Schelfeis abbrach. Zu seiner Zeit war B-15A das größte freischwimmende Objekt. Im Oktober 2005 lief der Eisberg auf Kap Adare zu, drehte sich ein wenig und zerbrach innerhalb von wenigen Stunden in mehrere Teile.

 

Eisberg B-15A beim auseinanderbrechen im Oktober 2005. Image Credit: NASA

Spätere Sonaruntersuchungen in den Gewässern, die während einer eisfreien Periode durchgeführt wurden, enthüllten eine bis dato nicht bekannte Untiefe, deren höchste Erhebungen knapp 215 m unterhalb der Wassertiefe in die Strömungen hineinragen, welchen die Eisberge dort folgen. Das reicht aus, um sie für große Eisberge mit dem entsprechenden Tiefgang zu einem ernsthaften Hindernis zu machen.

B-15A stand zu dem Zeitpunkt unter ständiger Überwachung. Das bedeutet, er trug nicht nur etliche Instrumente, vom Geophon (in der Literatur wird von Seismometer geredet, aber ich vermute, dass es sich dabei um ein Geophon handelte) und GPS Sender. Außerdem wurde er ständig von Satelliten beobachtet, da er wegen seiner Größe durchaus eine Gefahr darstellen konnte. Und dieses Instrumentarium hat einige interessante Beobachtungen möglich gemacht, denn lautlos wollte sich B-15A nicht aus der Welt verabschieden. In dem Soundfile vom Geophon am Südpol, das Martin veröffentlichte, wurde der Sound um das 200 –fache komprimiert, so dass man ihn sich in rund 2 Minuten anhören kann. Die wind-ähnlichen, pfeifenden Geräusche stammen von dem Schleifen des Eisbergs über die Untiefen. Knackende Geräusche stellen möglicherweise Risse im Eis dar, welche sich beim Auseinanderbrechen des Berges ausbreiten, ähnlich wie bei einem Eiswürfel, der in warmes Wasser geworfen wurde. Zum Schluss, nach einem schärferen Knall, hört man noch, wie die Bruchstücke des Eisberges aneinander reiben.

 Die Geräusche der Eisberge, wenn sie zusammenstoßen oder auseinanderbrechen, sind nichts Neues. Geophone reisen auf verschiedenen großen Eisbergen mit, und sie sind auch auf dem Schelfeis recht häufig eingesetzt. In dem Video unten ist zu hören, wie B-15A im Jahr 2003 an einem kleineren Eisberg mit der Bezeichnung C-16 entlang schrammt. Auch Erdbeben lassen die Eisberge singen.

Dass man nicht unbedingt in die Antarktis reisen muss, um Eis beim Geräuschemachen zu erwischen, zeigt Andreas Bick, der einen gefrorenen See bei Berlin belauscht hat.

Mehr über die Geräusche von Eisbergen, und ihre Ursachen, zeigt Emily Willingham in einem Posting in den Biology File.

Martin, S., Drucker, R., Aster, R., Davey, F., Okal, E., Scambos, T., & MacAyeal, D. (2010). Kinematic and seismic analysis of giant tabular iceberg breakup at Cape Adare, Antarctica Journal of Geophysical Research, 115 (B6) DOI: 10.1029/2009JB006700

 

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24. Januar 2011, 11:47

Zu den vielen Weltuntergangsszenarien, welche die Mythen um 2012 begleiten, zählt auch die Umkehrung des irdischen Magnetfeldes, der so genannte Polsprung. Dabei, so die Befürworter, würde das irdische Magnetfeld zusammenbrechen und die Erde schutzlos der Strahlung der Sonne aussetzen. Mit all den Konsequenzen und Bildern, welche uns auch aus zweitklassigen Katastrophenfilmen bekannt sind. Vögel stürzen ab, die Kommunikation bricht zusammen und Brücken stürzen ein. Aber was ist wirklich dran, an den Katastrophenszenarien und dem Ende der Welt? Nicht viel. Denn die magnetischen Pole der Erde haben in der Erdgeschichte schon mehrfach gewechselt, durchschnittlich alle 250 000 Jahre kehrt sich das Magnetfeld der Erde um. Die letzte Umpolung liegt bereits 780 000 Jahre zurück, eine neue wäre also lange überfällig. Es hat aber auch schon erheblich längere Zeiten ohne Umpolung gegeben.

 

 

Muster des entgegengesetzt polarisierten Ozeanbodens. a) vor 5 Mio. Jahren, b) vor 2–3 Mio. Jahren, c) heute. Credit: USGS,

 

Woher wir das wissen? Die Richtung des magnetischen Feldes der Erde ist in den magmatischen Gesteinen gespeichert. Das ist besonders gut an den mittelozeanischen Rücken zu beobachten, also an den Stellen, an denen regelmäßig frisches Magma neue Erdkruste bildet. Wenn das Magma abkühlt, richten sich die magnetischen Minerale wie beispielsweise Magnetit entlang des magnetischen Feldes der Erde aus und behalten diese Richtung bei, auch wenn sich das äußere Feld umkehrt. Das führt dazu, dass sich parallel zur Achse des mittelozeanischen Rückens ein Streifenmuster abwechselnd „normaler“ und „umgekehrter“ magnetischer Richtung bildet. Die Entdeckung dieses magnetischen Streifenmusters war eine der Schlüsselentdeckungen, die der Theorie der Plattentektonik zum Durchbruch verholfen haben.

Das Magnetfeld der Erde entsteht durch Wechselwirkungen im Kern der Erde. Der eisenhaltige flüssige Erdkern umschlisst einen festen Kern, der ebenfalls hauptsächlich aus Eisen besteht. Der Erdkern ist sehr heiß, Schätzungen gehen von rund 5 000° C aus, was in etwa so heiß wie die Oberfläche der Sonne ist. Die Temperatur wird durch den Zerfall radioaktiver Elemente, aber auch durch die Kristallisation beim langsamen Erstarren des äußeren Erdkerns frei. Diese Hitze erzeugt Konvektionszellen. Heißes Material steigt auf und kaltes sinkt wieder hinab. Durch die Rotation der Erde werden die Konvektionsströme abgelenkt und verwirbelt. Durch die Bewegung einer elektrisch leitfähigen Schmelze wird in einem schwachen Ausgangsmagnetfeld ein elektrischer Strom induziert, der seinerseits ein Magnetfeld aufbaut, was zu einer verstärkten Induktion führt und schließlich das irdische Magnetfeld entstehen lässt. Der innere Erdkern rotiert rund 0,3 bis 0,5° pro Jahr schneller als die Erde selber. Das führt dazu, dass er alle 900 Jahre eine zusätzliche Drehung absolviert. Inwieweit diese als Superrotation bezeichnete höhere Rotationsgeschwindigkeit eine Folge bremsender Gezeitenkräfte ist, oder etwa durch den Geodynamo selber verursacht wird, wird zurzeit noch diskutiert. Die schnellere Umdrehung des inneren Erdkerns ist aber direkt über Erdbebenwellen messbar.

 

Die Rotationsachse des inneren Erdkerns ist gegenüber der Achse der restlichen Erde leicht verschoben, und er rotiert etwas schneller. Credit: NASA

 

Die Wirbel im äußeren Erdkern sind auch eine der Ursachen dafür, das das Erdmagnetfeld nicht überall auf der Erdoberfläche gleich stark ist. Außerdem liegt die Rotationsachse des inneren Kerns nicht exakt mit der Achse der Erde zusammen. Das führt dazu, dass die magnetischen Pole zwar in der Nähe, aber nicht direkt an den geographischen Polen liegen. Außerdem können sie wandern, und das mit einer teilweise enormen Geschwindigkeit. Dem Geological Survey of Canada zufolge, der den aktuellen Nordpol verfolgt, kann der Pol täglich bis zu einer Strecke von 50 Meilen „wandern“. Grob gesagt bewegt sich der Nordpol von Kanada, wo er sich aktuell befindet, in Richtung Sibirien.

Warum also kommt das Thema der „Polsprünge“ immer wieder auf die Tagesordnung der Weltuntergangspropheten? Nun, so ganz von der Hand weise lässt sich nicht, dass etwas mit unserem Magnetfeld passiert. Meist wird angeführt, dass die Stärke des irdischen Magnetfeldes in den letzten 100 Jahren abgenommen hat. Dabei muss man allerdings bedenken, dass Schwankungen in der Stärke des Magnetfeldes natürlich sind, und nicht unbedingt auf einen kommenden Wechsel der Pole hinweisen müssen. Tatsächlich ist das Magnetfeld immer noch relativ stark, wenn man es mit der durchschnittlichen Feldstärke der letzten 2 Millionen Jahre vergleicht. Dabei soll aber auch nicht verschwiegen werden, dass es durchaus Zeichen gibt, die auf einen in geologischer Zeit nahen Polwechsel hindeuten (Schätzungen gehen vom Jahr 3 000 bis 4 000 aus). Es gibt beispielsweise Gebiete in der Kern-Mantel-Zone, in denen die vorherrschende Richtung des Magnetflusses entgegengesetzt zur in der Hemisphäre üblichen Richtung liegt. Eine, die größte unter ihnen, erstreckt sich vom südlichen Afrika bis unter das südliche Südamerika, die so genannte südatlantische Anomalie. Dieses Gebiet wird die südatlantische Anomalie genannt. Diese und weitere Gebiete vergrößern sich messbar und sie bewegen sich in Richtung der Pole. Die Flussumkehr entsteht, wenn sich auf der Kern-Mantel-Grenze durch Turbulenzen die Konvektionsströme und damit auch die magnetischen Feldlinien, die im Kern normalerweise horizontal verlaufen, zu vertikalen Schlaufen verbiegen. Tritt eine solche Schlaufe in einem Punkt aus dem Kern aus und in einem anderen wieder in ihn ein, so erhält man zwei räumlich nah beieinander liegende Orte mit unterschiedlicher Richtung des magnetischen Flusses.

Die Magnetosphäre schirmt die Erdoberfläche von den geladenen Partikeln des Sonnenwindes ab (nichtmaßstäbliche künstlerische Darstellung). Credit: NASA.

Aber selbst wenn der Polsprung stattfindet, bedeutet das noch lange keine Katastrophe, noch ist er das Ende der Welt. Wie ich oben schon erwähnt habe, fanden in der Erdgeschichte mehr oder weniger regelmäßig Umpolungen statt, augenscheinlich ohne dass die Erde untergegangen ist, denn ich kann diesen Artikel hier schreiben, und sie können ihn lesen. Die Umpolung findet auch nicht plötzlich, oder gar von heute auf morgen statt, sondern sie zieht sich über einen längeren Zeitraum hin, meist zwischen 4 000 und 10 000 Jahre. Da hier das magnetische Feld deutlich abnimmt, besteht die Gefahr, dass die Erde dem Sonnenwind in dieser Zeit erheblich stärker ausgesetzt ist, als mit intaktem Magnetfeld. Wir müssen uns aber trotzdem keine Sorgen machen, dabei lebendigen Leibes gebraten zu werden. Zwar wechselt in den Sedimentschichten, die während eines Magnetfeldwechsels abgelagert wurden, die Artenzusammensetzung von Kleinstlebewesen vermutlich häufiger, aber es sind mit ihnen keine Aussterbewellen von größeren Lebewesen verbunden. Sie kommen augenscheinlich alle ziemlich ungeschoren durch diese Zeiten hindurch. Das gilt auch für Arten, die sich mit Hilfe des Magnetfeldes orientieren. Da die Feldumkehr über einen längeren Zeitraum stattfindet, können sich die entsprechenden Arten anpassen und ihre Orientierung an die sich verändernden Bedingungen gewöhnen. Außerdem benutzen sie meist mehrere Sinne zur Orientierung, so dass sie nicht alleine auf das Magnetfeld angewiesen sind.

Erdmagnetfeld während einer Polumkehr. Credit: NASA

Denn auch während einer Feldumkehr ist die Erde nicht komplett schutzlos der Strahlung der Sonne ausgesetzt. So entstehen durch die Wechselwirkung der Ionen des Sonnenwindes in der Ionosphäre magnetische „Schläuche“ (Filamente), die von der sonnenzugewandten Seite zur Schattenseite der Erde führen. Diese Selbstmagnetisierung führt zu einer magnetischen Abschirmung von ähnlicher Wirkung wie das heutige Magnetfeld. Außerdem verschwindet das irdische Magnetfeld auch während der Umpolung nicht ganz. Eine Umpolung 2012 oder auch zu unseren Lebzeiten ist also recht unwahrscheinlich. Umpolungen sind aber in der Erdgeschichte schon häufig vorgekommen, der dahinterstehende Prozess ist aber bislang noch nicht vollständig verstanden. Hier besteht noch großer Forschungsbedarf.

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