Forschung

Letzte Umpolung des Erdmagnetfelds präziser bestimmt

25.02.2021 - C-14-Analyse subfossiler Kauri-Bäume gestattet Synchronisation verschiedener Klimaarchive.

Das Erd­magnet­feld un­ter­liegt per­ma­nen­ten Schwankun­gen und ge­le­gentlich kommt es so­gar zu Um­po­lun­gen. De­ren Ur­sa­chen, Ver­lauf und Aus­wir­kun­gen sind bis­lang nicht voll­ständig ge­klärt. Wis­sen­schaftler ha­ben nun das Laschamps-Er­eig­nis, die letzte voll­ständige – al­ler­dings nur kurzzei­tige – Um­po­lung des Erd­magnet­fel­des vor rund 42.000 Jah­ren, un­ter­sucht. Bei die­sem än­derte das Mag­net­feld nicht nur seine Richtung, es ver­lor über ei­nen Zeit­raum von mehre­ren Hun­dert Jah­ren auch dra­ma­tisch an Stärke und schwächte sich in­ner­halb von rund 500 Jah­ren auf sechs bis null Pro­zent ab. Während ei­ner Zeit­spanne von rund 500 Jah­ren blie­ben die Pole ver­tauscht, mit ei­ner Feldstärke, die un­ter­halb von 28 Pro­zent des heu­ti­gen Wertes vari­ierte, um sich da­nach im Laufe von rund 250 Jah­ren wie­der um­zu­keh­ren.

Diese ge­naue zeit­li­che Ein­ord­nung ist jetzt mög­lich durch die Ver­knüp­fung ver­schie­de­ner Da­ten­sätze. Zum ei­nen nutz­ten die For­scher Er­geb­nisse über das Erd­mag­net­feld aus Se­di­ment-Bohr­ker­nen des Schwarzen Mee­res von Norbert No­wa­czyk und Team aus dem Jahr 2013, die über zeit­gleich do­ku­men­tierte Kli­ma­va­ri­a­tion mit grön­län­di­schen Eis­bohr­ker­nen ab­ge­gli­chen wur­den.

Zum zwei­ten wurde die ge­naue Ana­lyse und Da­tie­rung der Er­eig­nisse über­haupt erst mög­lich durch die Ra­di­o­kar­bon- (14C-) Ana­lyse ei­nes sub­fos­si­len Kauri-Bau­mes, der in der frag­li­chen Zeit für rund 1700 Jahre in den Wet­lands von Ngawha im Nor­den Neu­see­lands wuchs und an­schlie­ßend in den Sümpfen sehr gut kon­ser­viert wurde.

Über die­sen Fund un­ge­fähr aus der Zeit von vor 40.000 Jah­ren hatte Chris Tur­ney, heute Lei­ter der Chro­nos 14Car­bon-Cycle Fa­ci­lity der Uni­ver­sity of New South Wa­les (UNSW), 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.

Der Hin­ter­grund: Mit dem Schwinden des Mag­net­felds geht der Erde ein wich­ti­ger Schutz­schild vor kos­mi­scher Strah­lung zu­min­dest teil­weise ver­lo­ren. Das spie­gelt sich auch in er­höh­ten An­tei­len des ra­di­o­ak­ti­ven Koh­len­stoff-Iso­tops 14C in den Bäu­men wi­der. Die­ses wird dann näm­lich in der Erdat­mosphäre beim Bom­bar­de­ment von Stick­stoff mit hoch­ener­ge­ti­schen, elektrisch ge­la­de­nen kos­mi­schen Par­ti­keln ver­stärkt ge­bil­det.

„Die sub­fos­si­len Kauri-Bäume sind ein span­nen­des Ar­chiv der At­mosphä­ren­zu­sam­men­set­zung“, sagt Flo­rian Adolphi, Pa­lä­okli­ma­to­loge am Alf­red-We­ge­ner-Insti­tut, Helmholtz-Zent­rum für Po­lar- und Mee­res­for­schung (AWI). 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 ver­schie­dens­ter Klimaar­chive und Fos­si­lien. Au­ßer­dem er­mög­li­chen sie ei­nen di­rek­ten Ver­gleich zu Eis­bohr­ker­nen: Dort ge­mes­sene Be­ryl­lium-Iso­tope zei­gen ähnli­che Schwan­kun­gen wie das Ra­di­o­kar­bon in den Bäu­men, da die Pro­duk­tion bei­der Iso­tope in der Erdat­mosphäre von der In­ten­si­tät der kos­mi­schen Strahlung ab­hängt, wel­che auf die Erde trifft“, er­läu­tert der Ko­au­tor 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. Das löste eine Welle von Ver­än­de­run­gen in der At­mo­sphäre aus. Dazu ge­hör­ten auch ver­mehrt Po­lar­lich­ter, die da­mals nicht nur in Pol­nähe, son­dern über den gan­zen Glo­bus zu be­obach­ten ge­we­sen sein dürf­ten.

Wei­tere Ana­ly­sen der Aus­wir­kun­gen des schwa­chen Mag­net­fel­des in die­ser Rich­tung seien an­ge­sichts ak­tuel­ler Ent­wick­lun­gen wich­tig, sagt No­waczyk. Denn das Erd­mag­net­feld schwä­chelt be­reits seit rund 2000 Jah­ren wie­der. Ver­gli­chen mit den ers­ten di­rek­ten Mes­sun­gen vor 170 Jah­ren wurde eine Ab­schwä­chung um neun Pro­zent fest­ge­stellt, im Be­reich des Süd­at­lan­tiks so­gar um drei­ßig Pro­zent. Ob sich da­mit für die kom­men­den ein- bis zwei­tau­send Jahre wie­der eine Po­lum­kehr an­kün­digt, ist al­ler­dings um­strit­ten. Un­sere heu­tige, sehr auf Elekt­ro­nik ba­sie­rende Ge­sell­schaft würde ein Zu­sam­men­bre­chen des na­tür­li­chen Strah­len­schutz­schil­des den­noch vor große Her­aus­for­de­run­gen stel­len.

Auf Basis die­ser neuen Mög­lich­kei­ten zur zeit­li­chen Ein­ord­nung der Er­eig­nisse vor 42000 Jah­ren stel­len die Haupt­au­to­ren der Stu­die noch wei­ter­rei­chende Hy­po­the­sen über die Aus­wir­kun­gen der Erd­mag­net­feld-Um­kehr auf – etwa hin­sicht­lich des Aus­ster­bens der Ne­an­der­ta­ler oder dem Ein­set­zen von Höh­len­ma­le­reien. Dass hier kau­sale Zu­sam­men­hänge be­ste­hen, hält No­waczyk nicht für aus­ge­schlos­sen, aber eher für un­wahr­schein­lich.

UNSW / AWI / GFZ / LK

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