Magnetfeldsimulation

Erddynamo zieht Kraft aus Wärme

Das Magnetfeld der Erde entsteht im flüssigen äußeren Eisenkern in etwa 3000 Kilometer Tiefe. Durch den Wärmefluss vom Erdkern in den Gesteinsmantel setzt sich das flüssige Eisen in Bewegung, ähnlich wie Wasser in einem geheizten Kochtopf.

Diese Bewegungen des elektrisch leitenden Eisens führen zum „Dynamo-Effekt“: Sie induzieren elektrische Ströme, deren Magnetfeld an der Erdoberfläche wirksam und messbar wird. Ulrich Christensen vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung (früher: Aeronomie) in Katlenburg-Lindau und Andreas Tilgner vom Institut für Geophysik der Universität Göttingen haben jetzt mit Computersimulationen und Laborexperimenten gezeigt, dass der Betrieb des Geodynamos lediglich die Energie von einigen Hundert großen Kraftwerken erfordert – wesentlich weniger als bisher angenommen.

Die Energie des Geodynamos stammt von der seit Geburt der Erde in deren Kern gespeicherten Wärme. Diese Wärme wird so langsam abgegeben, dass der durch Ausfrieren des flüssigen Eisens entstehende innere Erdkern bereits mehr als 3 Milliarden Jahre alt sein könnte. Der Befund stimmt mit dem Nachweis einer Magnetisierung in ebenso alten Gesteinen überein.

Infografik. Zwei Weltkarten. Farbige Konturen. In der oberen Karte rote Farben im Norden, blaue im Süden. In der unteren Karte ähnliche Verteilung, aber kompliziertere Strukturen.
Das Erdmagnetfeld im Computer

Die Erde misst 12.740 Kilometer im Durchmesser und beherbergt eine Reihe von Naturphänomenen, darunter auch das Magnetfeld, an dem sich eine Kompassnadel ausrichtet. Nach den gängigen Theorien ist dafür ein Dynamo-Mechanismus im flüssigen Eisenkern verantwortlich: Strömungen elektrisch leitender Materie rufen beim Durchqueren eines vorhandenen schwachen Magnetfelds durch Induktion elektrische Ströme hervor, die ihrerseits wieder Magnetfelder erzeugen. Dadurch kommt es zu einem wechselseitigen Hochschaukeln und es treten messbare Magnetfeldstärken auf.

Doch wie viel Energie ist tatsächlich erforderlich, um einen solchen Geodynamo zu betreiben? Um diese Frage zu beantworten, haben die Wissenschaftler jetzt Computermodelle des Geodynamos mit Ergebnissen aus Laborexperimenten kombiniert. Ihre Computersimulationen können die Stärke, die zeitliche Veränderung und die großräumige Struktur des an der Erdoberfläche beobachteten Magnetfelds gut erklären. Doch für den Energiebedarf sind die im Erdkern vorhandenen kleinen Strukturen des Magnetfelds entscheidend, die sich unserer Beobachtung allerdings entziehen. Ob sie in den Computermodellen richtig wiedergeben werden, ist also zunächst unsicher, denn die Simulationen erfassen nur den großräumigen Anteil der Flüssigkeitsbewegung. Die kleinen Wirbel, die in der turbulenten Strömung des Erdkerns zu erwarten sind, müssen durch Annahme einer zu hohen Zähigkeit unterdrückt werden, um die Modelle praktikabel zu halten.

Foto. Röhrenkonstruktion in einem Metalltunnel.
Geodynamo-Experiment mit flüssigem Natrium

Um zu klären, welchen Einfluss nun die kleinen Wirbel haben, nutzten die Geoforscher das so genannte Karlsruher Dynamo- Experiment. In diesem Versuchsaufbau strömt flüssiges Natrium durch ein System von Kanälen, die einen metergroßen Zylinder formen. Ist die Pumprate hoch genug, springt der Dynamo an und erzeugt ein Magnetfeld, das etwa 100fach stärker ist als jenes der Erde. Im Gegensatz zur Computersimulation ist die Strömung hierbei turbulent, umfasst also auch die Wirbelkomponente. Der Leistungsbedarf des experimentellen Dynamos passt sich gut in die aus den Modellen abgeleitete Systematik ein. Die Wirbel haben demnach keinen entscheidenden Einfluss auf die elektrische Verlustleistung.

Die Leistung des Geodynamos beträgt nach den neuen Modellen etwa 200.000 bis 500.000 Megawatt – entsprechend etwa der Leistung von einigen Hundert Großkraftwerken. Verglichen mit früheren Schätzungen ist das relativ moderat. Daraus folgern die Wissenschaftler, dass es keiner besonderen Wärmequelle im Erdkern bedarf, dass der Dynamo vielmehr durch die langsame Abgabe der seit der Erdentstehung im Kern gespeicherten Wärme betrieben wird. Mit der Abkühlung friert das flüssige Eisen aus. Dadurch wächst der feste innere Erdkern. Nach den bisherigen Annahmen wäre die Abkühlung sehr rasch erfolgt, sodass der feste innere Erdkern sich überhaupt erst vor einer Milliarde Jahre gebildet hätte. Nach den neuen Berechnungen erfolgte die Abkühlung jedoch sehr langsam; der innere Kern ist demnach bereits älter als drei Milliarden Jahre und damit nicht viel jünger als die Erde insgesamt.