Gary A. Glatzmaier vom Institut für Geophysik & Planetenphysik am Los Alamos National Laboratory hat auf diesem Gebiet umfangreiche Arbeiten durchgeführt. Er antwortet:
„Man nimmt an, dass das Magnetfeld der Erde durch Flüssigkeitsbewegungen im flüssigen, äußeren Teil des Erdkerns, der hauptsächlich aus Eisen besteht, erzeugt wird. Die flüssigen Bewegungen werden durch Auftriebskräfte angetrieben, die sich an der Basis des äußeren Kerns entwickeln, wenn die Erde langsam abkühlt und das Eisen auf dem darunter liegenden festen inneren Kern kondensiert. Die Rotation der Erde bewirkt, dass die Auftriebsflüssigkeit in gekrümmten Trajektorien aufsteigt, die ein neues Magnetfeld erzeugen, indem sie das bestehende Magnetfeld verdrehen und abscheren. Über 99 Prozent der magnetischen Energie der Erde bleiben vollständig im Kern eingeschlossen. Wir beobachten nur den kleinen Teil des Magnetfelds, der sich bis zur Oberfläche und darüber hinaus erstreckt und dessen Grundstruktur ein Dipol ist, d. h. ein einfaches Nord-Süd-Feld wie bei einem einfachen Barmagneten. Es gibt auch kleinere, nicht-dipolare Strukturen im Erdfeld, die sich lokal und auf einer Zeitskala von einem Jahrhundert nur sehr geringfügig verändern.
„Der Dipolteil des Feldes ist in der Regel ziemlich genau auf die Rotationsachse der Erde ausgerichtet; mit anderen Worten, die magnetischen Pole liegen normalerweise ziemlich nahe an den geografischen Polen, weshalb ein Kompass funktioniert. Gelegentlich kehrt sich jedoch der Dipolteil des Feldes um, wodurch sich die Lage des magnetischen Nord- und Südpols ändert. Dieser Umkehrprozess ist in den paläomagnetischen Aufzeichnungen zu sehen, die in Gesteinen des Meeresbodens und in einigen Lavaströmen eingeschlossen sind. Der Umkehrprozess ist nicht buchstäblich „periodisch“ wie bei der Sonne, deren Magnetfeld sich alle 11 Jahre umkehrt. Die Zeit zwischen den magnetischen Umkehrungen auf der Erde ist manchmal so kurz wie 10.000 Jahre und manchmal so lang wie 25 Millionen Jahre; die Zeit, die für die Umkehrung benötigt wird, beträgt nur etwa 5.000 Jahre.
„Die erste dynamisch-konsistente, dreidimensionale Computersimulation des Geodynamos (der Mechanismus im flüssigen äußeren Erdkern, der das geomagnetische Feld erzeugt und aufrechterhält) wurde von Paul H. Roberts von der University of California in Los Angeles und mir 1995 durchgeführt und veröffentlicht. Wir programmierten Supercomputer, um die umfangreichen nichtlinearen Gleichungen zu lösen, die die Physik der Flüssigkeitsbewegungen und der Magnetfelderzeugung im Erdkern beschreiben. Das simulierte geomagnetische Feld, das nun den Zeitraum von mehr als 300.000 Jahren umfasst, weist eine Intensität, eine dipol-dominierte Struktur und eine westwärts gerichtete Drift an der Oberfläche auf, die alle dem realen Feld der Erde ähneln. Unser Modell hat vorhergesagt, dass der feste innere Kern, der magnetisch an die ostwärts gerichtete Flüssigkeitsströmung über ihm gekoppelt ist, etwas schneller rotieren sollte als die Erdoberfläche.
„Darüber hinaus hat das Computermodell drei spontane Umkehrungen des geomagnetischen Feldes während der 300.000-Jahre-Simulation erzeugt. Damit haben wir zum ersten Mal dreidimensionale, zeitabhängig simulierte Informationen darüber, wie magnetische Umkehrungen auftreten können. Der Prozess ist nicht einfach, auch nicht in unserem Computermodell. Flüssige Bewegungen versuchen, das Feld auf einer Zeitskala von einigen tausend Jahren umzukehren, aber der feste, innere Kern versucht, Umkehrungen zu verhindern, weil sich das Feld im inneren Kern nicht annähernd so schnell ändern (diffundieren) kann wie im flüssigen, äußeren Kern. Nur in seltenen Fällen entwickeln sich die Thermodynamik, die Flüssigkeitsbewegungen und das Magnetfeld in einer kompatiblen Weise, so dass das ursprüngliche Feld vollständig aus dem inneren Kern diffundieren kann, so dass die neue Dipolpolarität eindringen und ein umgekehrtes Magnetfeld aufbauen kann. Die stochastische (zufällige) Natur des Prozesses erklärt wahrscheinlich, warum die Zeit zwischen den Umkehrungen auf der Erde so stark variiert.“
Für detailliertere Erklärungen des Geodynamos, der simulierten magnetischen Umkehrungen und der Superrotation des inneren Erdkerns empfiehlt Glatzmaier folgende Arbeiten:
„A Three-Dimensional Self-Consistent Computer Simulation of a GeomagneticField Reversal“ von Gary A. Glatzmaier und Paul H. Roberts in Nature, Vol.377, Seiten 203-209; 1995.
„Rotation and Magnetism of Earth’s Inner Core“ von Gary A. Glatzmaier und PaulH. Roberts in Science, Vol. 274, Seiten 1887-1891; 1996.
Edwin S.Robinson ist Professor für Geophysik am Virginia Polytechnic Institute &State University in Blacksburg, Virginia.
Er fügt einige zusätzliche Hintergrundinformationen hinzu:
„Das geomagnetische Hauptfeld der Erde wird durch den Fluss elektrisch geladener Teilchen im flüssigen Teil des Erdkerns erzeugt. Diese flüssige Zone erstreckt sich von einer Tiefe von 2.900 Kilometern bis zu einer Tiefe von 5.100 Kilometern. Durch den Temperaturunterschied zwischen dem oberen und dem unteren Teil dieser Zone kommt es zu Flüssigkeitsströmen. Diese Ströme sind vergleichbar mit der Bewegung von Wasser in einem kochenden Wasserkocher. Die Rotation der Erde um ihre Achse verleiht dem Muster der flüssigen Kernströme eine Symmetrie. Daher gibt es im flüssigen Kern einen einigermaßen symmetrischen elektrischen Strom, der das Ergebnis der Bewegung der elektrisch geladenen Teilchen ist.
„Wir wissen aus den physikalischen Grundsätzen der elektromagnetischen Induktion, dass ein elektrischer Strom immer mit einem Magnetfeld verbunden ist. Im flüssigen Kern der Erde wird ein Dynamo erzeugt. Da der Kernstrom um die Rotationsachse unsymmetrisch ist, ähnelt das zugehörige Magnetfeld dem eines Stabmagneten. Aus nicht eindeutig geklärten Gründen gerät das Gleichgewicht zwischen der Wirkung der Erdrotation und der Wirkung der Temperatur auf den Kerndynamo von Zeit zu Zeit aus dem Gleichgewicht, wodurch das Muster des Kernstroms gestört wird. Nach einer solchen Störung ist es theoretisch möglich, dass sich der Dynamo mit einer entgegengesetzten Richtung des Stromflusses wiederherstellt. Das zugehörige Magnetfeld hat dann eine entgegengesetzte Polarisation.
„Da wir nicht in den flüssigen Kern hinabsteigen können, um zu beobachten, was dort tatsächlich geschieht, müssen wir auf Messungen an oder über der Erdoberfläche zurückgreifen. Daher ist unser Wissen über den Kern ziemlich unvollständig. Wir wissen einfach nicht genug über den Kern, um vorhersagen zu können, wann es in der Zukunft zu Polumkehrungen kommt, wie lange es dauert, bis eine solche Umkehrung abgeschlossen ist, oder was das empfindliche Gleichgewicht der Faktoren stört, die den Kernstrom erzeugen. Aber wir haben überzeugende Informationen aus magnetisierten Mineralkörnern in Gesteinen, die uns sagen, dass es in der Erdgeschichte sehr oft zu geomagnetischen Umpolungen gekommen ist.