Studie: Letzte Polumkehr des Erdmagnetfelds dauerte 1.250 Jahre

Vor 42.000 Jahren fand die letzte vollständige Umpolung des Erdmagnetfeldes statt, das sogenannte Laschamps-Ereignis. Radiokarbon-Analysen der Überreste von bis zu 1.700-jährigen Kauri-Bäumen aus Neuseeland ermöglichen nun erstmals eine genaue zeitliche Einordnung und Analyse dieses Ereignisses und der damit verbundenen Effekte.

Das berichtete das Alfred-Wegener-Institut (AWI) am Donnerstag, 18. Februar, in Bremerhaven unter Berufung auf eine internationale Studie. Die neuen, in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlichten Erkenntnisse ermöglichten zudem eine Kalibrierung geologischer Archive wie Sediment- und Eisbohrkerne aus dieser Zeit.

Vom Nordpol zum Südpol und zurück in 1.250 Jahren

Das Magnetfeld unterliegt wiederkehrenden Schwankungen, die sich gelegentlich bis zur kompletten Umpolung steigern. Sowohl Ursachen als auch Verlauf und Folgen einer Polumkehr sind laut AWI bis heute nicht vollständig geklärt. Simulationen im Rahmen der Studie ergaben unter anderem einen Ozonverlust in der Atmosphäre durch vermehrtes Eindringen von kosmischer Strahlung. Das Erdmagnetfeld dient als natürlicher Schutzschild. Wird es schwächer, gelangt mehr Strahlung zur Erde.

Die bislang letzte vollständige Umpolung des Erdmagnetfelds fand vor rund 42.000 Jahren statt. Die neuen Untersuchungen liefern nun bislang unbekannte Details zur zeitlichen Abfolge des sogenannten Laschamps-Ereignisses sowie zur Dauer der Polumkehr.

Demnach änderte das Magnetfeld nicht nur seine Richtung, es verlor über einen Zeitraum von mehreren Hundert Jahren auch dramatisch an Stärke. Die Forscher stützen sich dabei auf die Verknüpfung verschiedener Datensätze, darunter Radiokarbonanalysen eines in einem Sumpf im nördlichen Neuseeland gut konservierten Kauri-Baums aus der damaligen Zeit.

Anhand der Schwankungen der Isotopenmenge in solchen natürlichen Archiven lassen sich Änderungen im Erdmagnetfeld nachvollziehen, weil deren Entstehung in der Atmosphäre von der Stärke kosmischer Strahlung beeinflusst wird. Dabei konnten mit den Ergebnissen der Baumanalyse bereits vorliegende Analysen besser kalibriert werden.

Nach den Erkenntnissen der Wissenschaftler wanderte der magnetische Nordpol vor etwa 42.000 Jahren nach Süden. Innerhalb dieses rund 500 Jahre dauernden Prozesses schwächte sich das Magnetfeld auf sechs bis null Prozent ab. Während einer Zeitspanne von rund 500 Jahren blieben die Pole vertauscht, wobei die Feldstärke unterhalb von 28 Prozent des heutigen Wertes variierte. Anschließend kehrten die Pole im Laufe von rund 250 Jahren wieder an ihre ursprüngliche Position zurück.

Polarlichter bis zum Äquator

Über die Bäume aus Neuseeland hatte Chris Turney vor einigen Jahren bei einem Besuch am Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam (GFZ) berichtet. „Als Geomagnetiker hatte ich gleich eine Verknüpfung mit dem Laschamps-Ereignis im Kopf und 14C-Analysen vorgeschlagen, die bis dato an Bäumen aus dieser Zeit noch nicht gemacht worden waren“, sagt Nowaczyk, der am GFZ das Labor für Paläo- und Gesteinsmagnetik leitet.

Die genaue Analyse und Datierung der Ereignisse wurde überhaupt erst durch die Radiokarbon(14C)-Analyse eines sub-fossilen Kauri-Baumes möglich, der in der fraglichen Zeit rund 1.700 Jahre lang in den Wetlands von Ngawha im Norden Neuseelands wuchs und anschließend in den Sümpfen sehr gut konserviert wurde. Diese Bäume können mehrere Tausend Jahre alt werden und zeichnen während ihres Wachstums jährliche Variationen des atmosphärischen Radiokarbongehalts auf, welche das Forschungsteam präzise gemessen hat.

„Diese Daten verbessern die Kalibrierungskurve für Radiokarbondatierung und erlauben somit eine genauere Datierung […]. Außerdem ermöglichen sie einen direkten Vergleich zu Eisbohrkernen: Dort gemessene Beryllium-Isotope zeigen ähnliche Schwankungen wie das Radiokarbon in den Bäumen“, erläutert der Co-Autor der Studie. Er nutzte diesen Effekt, um Bäume und Eisbohrkerne mit hoher Präzision zu synchronisieren und die Unsicherheit des Vergleichs beider Archive von mehreren Tausend Jahren auf etwa 100 Jahre zu reduzieren.

Um weitere Auswirkungen des schwachen Erdmagnetfeldes auf die Atmosphäre und damit auch auf das globale Klima zu untersuchen, haben die Forscher Simulationen der Atmosphärenchemie durchgeführt. Dabei stellten sie unter anderem einen Rückgang des Ozons fest.

„Ungefilterte Strahlung aus dem Weltraum zerriss Luftpartikel in der Erdatmosphäre, trennte Elektronen ab und emittierte Licht – ein Prozess, der Ionisierung genannt wird“, erläutert Turney. „Die ionisierte Luft ‚brutzelte‘ die Ozonschicht.“ Das löste eine Welle von Veränderungen in der Atmosphäre aus. Eine davon kennen wir heute als Polarlichter – damals waren sie jedoch nicht nur in Polnähe, sondern wahrscheinlich auf dem ganzen Globus zu beobachten.

Polumkehr hätte verheerende Folgen für Technik

Seit rund 2.000 Jahren befindet sich das Erdmagnetfeld wieder in einer Schwächephase. Im Vergleich zu den ersten Messwerten von vor rund 170 Jahren ist nach AWI-Angaben bereits ein Rückgang der Feldstärke um neun Prozent feststellbar, im Südatlantik von 30 Prozent. Unter Forschern ist aber umstritten, ob sich damit für die kommenden Tausend bis 2.000 Jahre eine neue Polumkehr ankündigt.

Die Folgen eines schwächeren oder zusammenbrechenden Magnetfelds könnten dabei in der heutigen hochtechnisierten Welt potenziell verheerend sein. Sogenannte geomagnetische Stürme könnten dadurch die untere Erdatmosphäre erreichen und elektronische Geräte beschädigen. Davon betroffen wären auch Stromnetze sowie Radio- und Funkübertragungen. Auch Satelliten könnten Schaden nehmen oder sogar komplett ausfallen. (ts)

(Mit Material des Alfred-Wegener-Instituts und afp)