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Meilensteine der Naturwissenschaften und Technik Von Pol zu Pol – Carl Friedrich Gauß und der Erdmagnetismus

Wir sehen es nicht, wir spüren es nicht. Trotzdem ist das Erdmagnetfeld eine Tatsache. Mehr als das: Es ist unverzichtbar. Als Orientierungshilfe und als Schutzschild gegen agressive Strahlung aus dem All. Wesentliche Impulse zu seiner Erforschung setzte der Mathematiker Carl Friedrich Gauß.

Stand: 20.07.2012

Carl Friedrich Gauß | Bild: picture-alliance/dpa

Die magnetische Wirkung ist seit der Antike bekannt. Als Ursache galt der Einfluss eines gewaltigen Bergs aus magnetischem Erz irgendwo im hohen Norden, dessen immense Kraft alles Eisen dieser Welt an sich zieht und daher auch für die Ausrichtung der Kompassnadeln sorgt. Ab dem 12. Jahrhundert taucht der Magnetberg als Schrecken am Ende der Welt in zahlreichen Reiseabenteuern auf. Schiffe, die ihm zu nahe kommen, brechen auseinander und sinken, weil er alle Nägel und Eisenbeschläge aus dem Holz reißt.

William Gilbert und die Theorie des großen Erdmagneten

Nachdem sich die Existenz eines Magnetbergs nicht nachweisen ließ, galt seit dem Beginn der Neuzeit lange Zeit der Polarstern als Auslöser des Kompassphänomens. Der englische Arzt und Physiker William Gilbert (1544-1603) misstraute dieser Theorie und setzte bei der Ursachenforschung auf die wissenschaftliche Untersuchung magnetischer Erze. Er experimentierte mit einer Kugel aus Magnetit und beobachtet, dass sich die Neigung einer Kompassnadel verändert, je näher sie dem Pol der Magnetkugel kommt: Während sie am Äquator noch waagrecht ausgerichtet ist, steht sie am Pol nahezu senkrecht.

Daraus zieht Gilbert einen glasklaren Schluss: Die Erde ist ein riesiger Magnet mit zwei Polen, der seine Kraft aus der von Kopernikus behaupteten Erdbewegung gewinnt. Die Ergebnisse dieser Beobachtungen fasst er in seinem 1600 veröffentlichten Hauptwerk De Magnete, Magnetisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (Über den Magneten, Magnetische Körper und den großen Magneten Erde) zusammen.

Die magnetischen Kugelschalen des Edmond Halley

Ein entscheidender Schritt gelang dem englischen Mathematiker und Astronomen Edmond Halley (1656-1741). Halley entwickelte eine Theorie, der zufolge das Erdinnere aus einander umhüllenden, magnetisierten Kugelschalen besteht, die unterschiedlich schnell gegeneinander rotieren. Zudem nutzte er mehrere Reisen, unter anderem im Nord- und Südatlantik, um die Neigung und Ausrichtung der Magnetnadel an verschieden Punkten zu messen. Aus den dabei gewonnen Daten konstruierte Halley schließlich die erste magnetische Erdkarte der Wissenschaftsgeschichte.

Carl Friedrich Gauß knüpft das weltumspannende Forschungsnetzwerk der Geschichte

Im 19. Jahrhundert schafft schließlich der Mathematiker und Universalgelehrte Carl Friedrich Gauß (1777-1855) die Grundlagen zur systematischen Erforschung des Erdmagnetfeldes. Seit 1807 ist Gauß Professor für Mathematik in Göttingen sowie Direktor der dortigen Sternwarte und widmet sich verstärkt astronomischen Fragen. 1828 kommt es zu einer folgenschweren Begegnung mit dem großen Naturforscher Alexander von Humboldt (1769-1859). Humboldt fordert den gefeierten Mathematiker auf, sich dem Problem des Magnetismus zu widmen. Gauß nimmt die Herausforderung an und richtet zusammen mit seinem Assistenten Wilhelm Eduard Weber (1804-1891) ein Laboratorium für magnetische Studien ein.

Um die Stärke und die Schwankungen des Erdmagnetfeldes zu erfassen, konstruierte Gauß 1832 zunächst ein hochsensibles Messgerät, den Magnetometer. Dann fassen Gauß, Weber und Humboldt einen Plan ins Auge, der mit Fug und Recht als erstes, global vernetztes Wissenschaftsprojekt der Geschichte bezeichnet werden kann. Der von ihnen gegründete Göttinger Magnetische Verein koordiniert an die 50 Messstationen in Europa, Afrika, Asien, Amerika und in der Südsee. Sechs Jahre lang, von 1836 bis 1841, sammeln die angeschlossenen Partner in einem genau geregelten Zeitmuster nun Daten zum Erdmagnetfeld und seinen Schwankungen. Die Informationen des internationalen Netzwerks laufen in Göttingen zusammen, wo sie von Gauß und Weber wissenschaftlich ausgewertet und aufbereitet werden. Als Ergebnisse dieser ersten genauen Vermessung des Erdmagnetfeldes erscheint unter anderem ein "Atlas des Erdmagnetismus" und das mehrbändige Werk "Resultate aus den Beobachtungen des magnetischen Vereins".

Lamont entdeckt den Einfluss der Sonnenwinde auf das Erdmagnetfeld

Ein weiteres Kapitel in der Geschichte der Erforschung des Erdmagnetfeldes schreibt Johann von Lamont (1805-1879). Der Astronom und Physiker leitet seit 1835 die Münchner Sternwarte, wird 1836 Mitglied des Göttinger Magnetischen Vereins und beginnt 1840 mit der geomagnetischen Vermessung und Kartographierung Bayerns. Später folgen weitere erdmagnetische Kartenwerke zahlreicher westeuropäischer Länder (Frankreich, Spanien, Portugal, Holland, Belgien, Dänemark). Einen wesentlichen Beitrag zur Forschungsgeschichte leistet Lamont mit der Entdeckung periodischer Schwankungen des Erdmagnetfeldes. Er bringt sie in Zusammenhang mit der unterschiedlichen Aktivität der Sonnenflecken. Mit dieser Theorie trifft Lamont ins Schwarze. Heute wissen wir, dass die von Eruptionen auf der Sonnenoberfläche einen elektrisch geladenen Partikelstrom (Sonnenwind) erzeugen, der das Erdmagnetfeld tatsächlich stark deformieren kann.

Die geomagnetische Dynamomaschine des Joseph Larmor

In seiner 1838 veröffentlichten Abhandlung zur "Allgemeinen Theorie des Erdmagnetismus" hatte schon Gauß vermutet, dass die Quellen des Erdmagnetfeldes im Inneren der Erde liegen müssen. 1919 liefert der irische Physiker und Mathematiker Sir Joseph Larmor schließlich eine plausible Erklärung für den Ursprung des Erdmagnetismus, die diesen Gedanken aufgreift. Larmor postuliert, dass die Magnetfelder in großen Himmelkörpern durch einen selbsterregenden Dynamoprozess erzeugt werden können. Seine zunächst heftig angefochtene Dynamotheorie ist mittlerweile das Standardmodell zur Entstehung des Erdmagnetismus und konnte experimentell bestätigt werden. Angeworfen wird dieser Dynamo durch den Aufbau der Erdkugel.

  • Unter der dünnen Erdkruste liegt der Erdmantel. Ab einer Tiefe von rund 35 Kilometern besteht er aus zähflüssigem Gestein. Dieser Abschnitt reicht rund 2.900 Kilometer tief und weist Temperaturen bis zu 3.500 Grad Celsius auf.
  • Auf den Erdmantel folgt der Äußere Erdkern, eine flüssige Schmelze aus Nickel und Eisen. Sie ist etwa 3.800 Grad heiß und elektrisch äußerst leitfähig.
  • In rund 5.000 Kilometer Tiefe beginnt der Innere Erdkern aus festem Nickel und Eisen. Seine Temperatur beträgt nach unterschiedlichen Schätzungen 4.800 bis 7.700 Grad Celsius.
  • Durch die Temperaturunterschiede zwischen Innerem und Äußerem Kern entstehen Konvektionsströmungen.
  • Die Drehbewegung der Erde lenkt diese Strömungen ab. Sie vollziehen eine Spiralbewegung parallel zur Erdachse. Dabei entsteht wie bei einem Generator elektrischer Strom, der das Magnetfeld der Erde aufbaut.

Die Magnetosphäre: Unser Schutzschild gegen aggressive Strahlung aus dem All

Das durch komplexe Strömungen im flüssigen Erdinneren erzeugte Magnetfeld ist in vielerlei Hinsicht unverzichtbar, ja sogar eine wesentliche Voraussetzung für das Leben auf der Erde. Denn weit über der Erdoberfläche spannt das Erdmagnetfeld einen Schutzschirm auf, ohne den die Sonne unseren Planeten schlicht und einfach zu Tode rösten würde. Dieser Schutzschirm, die so genannte Magnetosphäre, hält die extrem energiereichen Sonnenwinde davon ab, in tiefere Schichten der Atmosphäre oder gar bis auf die Erdoberfläche vorzudringen. Ein Zusammenbruch der Magnetosphäre hätte sowohl für das Leben auf der Erde als auch für die Technik fatale Folgen. Irreparable Zellschäden, genetische Deformationen, Mutationen und Missbildungen wären unausweichlich. Darüber hinaus würden auch die empfindliche Kommunikationstechnologie und die meisten elektronischen Geräte einem ungebremsten Strahlenbombardement nicht standhalten.


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