Die Abschwächung des Erdmagnetfeldes hat zu einer starken Beschleunigung der Entwicklung mehrzelligen Lebens geführt. In Brasilien und Südafrika wurden fossile Beweise dafür gefunden, dass die Stärke des Erdmagnetfelds am Ende der Ediacara-Ära, vor etwa 590–560 Millionen Jahren, etwa 30-mal niedriger war als die aktuellen Werte. Eines der prägenden Merkmale der Erde ist ihr Magnetfeld. Es bildet einen Schutzschild gegen die von der Sonne emittierten hochenergetischen Teilchen und könnte so dem Leben einen sichereren Ort zum Heranwachsen in die komplexe Vielfalt der Organismen geboten haben, die wir heute sehen.
Die meisten modernen Tiergruppen und -arten entstanden vor etwa 540-520 Millionen Jahren während der sogenannten „Kambrischen Explosion“ – einer starken Beschleunigung der Evolution und einer Zunahme der Vielfalt mehrzelliger Lebewesen. Zu dieser Zeit entstanden die Vorfahren von Würmern, Insekten, Fischen und anderen Wirbeltieren. Wissenschaftler interessieren sich seit langem dafür, wie und aus welchem Grund sich die Evolution vielzelliger Lebewesen in dieser Zeitspanne stark beschleunigt hat.
Wissenschaftler haben in Brasilien und Südafrika fossile Beweise dafür gefunden, dass die Stärke des Erdmagnetfelds am Ende der Ediacara-Ära, vor etwa 590–560 Millionen Jahren, etwa 30-mal niedriger war als die aktuellen Werte. Diese Abschwächung führte zu einer dramatischen Beschleunigung der Entwicklung mehrzelligen Lebens im Rahmen der „Kambrischen Explosion“, schreiben die Forscher in einem Artikel in der Fachzeitschrift Communications Earth & Environment.
„Traditionell wird angenommen, dass die „kambrische Explosion“ auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass am Ende der Ediacara-Ära die Sauerstoffkonzentration in Luft und Wasser stark anstieg. „Unsere Messungen deuten darauf hin, dass der Anstieg der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre und Hydrosphäre mit einer langen Periode starker Abschwächung des Magnetfelds des Planeten verbunden war, die etwa 30 Millionen Jahre dauerte“, heißt es in der Studie.
Zu diesem Schluss kam eine Gruppe amerikanischer, chinesischer und südafrikanischer Geologen unter der Leitung von Professor John Tarduno von der University of Rochester, als sie Gesteinsproben untersuchten, die in verschiedenen Perioden des Proterozoikums in verschiedenen Regionen des Planeten entstanden waren. Tarduno und seine Kollegen untersuchen seit vielen Jahren, wie sich die Stärke des Erdmagnetfelds seit seiner Entstehung verändert hat. Dazu sammeln Wissenschaftler Proben alter Gesteine und messen deren remanente Magnetisierung.
Wie Geologen anmerken, haben ihre Kollegen kürzlich mögliche Beweise dafür entdeckt, dass die Stärke des Erdmagnetfelds am Ende der Ediacara-Ära, kurz vor der „Kambrischen Explosion“, erheblich abgenommen hat. Professor Tarduno und andere Forscher überprüften, ob dies tatsächlich der Fall war, indem sie den Grad der Magnetisierung von Kristallen magmatischer Gesteine maßen, die sich vor etwa 2 Milliarden Jahren im Norden des heutigen Südafrika und vor 590 Millionen Jahren auch im Süden bildeten des modernen Brasiliens.
Diese Messungen zeigten, dass die Erde bereits vor 2 Milliarden Jahren ein ziemlich starkes Magnetfeld hatte, dessen Stärke mit der heutigen Stärke vergleichbar war. Am Ende der Ediacara-Ära wiederum verfügte die Erde über ein ungewöhnlich schwaches Magnetfeld, dessen Stärke 1,5 Mikrotesla nicht überschritt. Dieser Wert ist etwa drei Dutzend Mal niedriger als die aktuelle Stärke des Erdmagnetfeldes (etwa 40 Mikrotesla).
Berechnungen von Wissenschaftlern zeigen, dass diese Abschwächung das „Entweichen“ von Wasserstoffionen aus der oberen Atmosphäre in den Weltraum unter dem Einfluss von Sonneneruptionen und Sonnenwindeinflüssen um ein Vielfaches beschleunigte. Dadurch stieg der Sauerstoffanteil in der Atmosphäre um mehrere Prozent, was günstige Bedingungen für die Entstehung und schnelle Entwicklung vielzelligen Lebens schuf.
Die beeindruckendsten Zeichen des Erdmagnetfelds sind die Polarlichter, tanzende Vorhänge aus vielfarbigem Licht, die in Zeiten hoher Sonnenaktivität in der Nähe des Nord- und Südpols erscheinen. Ein weiteres Zeichen dafür, dass die Erde ein Magnetfeld hat, ist, dass der Kompass nach Norden zeigt, egal wo Sie sich auf dem Planeten befinden.
Aber wie können wir wissen, ob andere Planeten oder Körper im Sonnensystem Magnetfelder haben? Und lässt sich herausfinden, ob entfernte Exoplaneten Magnetfelder haben?
Wir wissen, dass die Gasriesen (Jupiter und Saturn) und Eisriesen (Uranus und Neptun) im Sonnensystem über starke eigene Magnetfelder verfügen. Laut Joseph G. O’Rourke, einem Planetenwissenschaftler an der Arizona State University, sind die Dinge bei terrestrischen Planeten und Monden jedoch etwas komplizierter.
Erde, Merkur und Jupitermond Ganymed verfügen heute über intern erzeugte Magnetfelder. Laut O’Rourke verfügen der Mars und der Erdmond über altes Krustengestein, das Reste der Magnetisierung von Magnetfeldern aufweist, die zu Beginn ihrer Geschichte existierten.
Was den anderen Nachbarn der Erde betrifft: „Es wurde kein intrinsischer Magnetismus der Venus festgestellt, aber wir haben keine Instrumente nahe genug an die Oberfläche gebracht, um nach magnetisierter Kruste zu suchen“, fügte er hinzu.
Damit auf einem Planeten oder Mond ein Magnetfeld existiert, muss in diesem Körper eine große Menge leitender Flüssigkeit in Bewegung sein. Der Körper könnte sein Magnetfeld verlieren, wenn sich diese Materialien nicht mehr bewegen oder wenn der Temperaturunterschied zwischen Erhitzen und Abkühlen der Materialien nicht ausreicht, um eine Konvektion von Flüssigkeiten innerhalb des Planeten oder Mondes zu verursachen. In diesem Fall würden sich die Flüssigkeiten zu langsam bewegen, O “, sagte Rourke.
Laut O’Rourke gibt es im Falle eines offensichtlichen Fehlens einer Magnetosphäre, beispielsweise auf der Venus, vier Möglichkeiten.
Die allgemein akzeptierte Vorstellung ist, dass die Venus einen erdähnlichen Kern hat, aber zu langsam abkühlt. Da es der Venus an Plattentektonik mangelt, kühlt ihr Inneres möglicherweise langsamer ab als das der Erde.
Ein koronaler Massenauswurf, der von der Sonne ausgeht und dann die Magnetosphäre der Erde trifft. ESA/NASA – SOHO/LASCO/EIT
Eine alternative Möglichkeit besteht jedoch darin, dass das Innere der Venus völlig massiv ist. Damit dies geschieht, müsste der Kern des Planeten viel kälter sein als der der Erde, was laut O’Rourke unwahrscheinlich ist. Die für 2031 geplante NASA-Mission „Venus Radiation, Radio Science, InSAR, Topography and Spectroscopy“ und die EnVision-Mission der Europäischen Weltraumorganisation werden versuchen herauszufinden, ob der Kern der Venus zumindest teilweise flüssig ist.
Alternativ kann es sein, dass der Venus ein innerer Kern fehlt. Der innere Kern der Erde trägt zur Erzeugung des Magnetfelds unseres Planeten bei. Während der Kern kristallisiert, setzt er Verunreinigungen (Elemente, die leichter als Eisen sind) frei, wodurch ein chemischer Auftrieb entsteht, der die Flüssigkeit antreibt. Möglicherweise hat die Venus ihren inneren Kern noch nicht gebildet, sodass ihr eine zusätzliche Energiequelle fehlt.
Eine vierte Möglichkeit besteht laut O’Rourke darin, dass der Kern der Venus chemisch geschichtet sein könnte. Der mondbildende Aufprall könnte den Kern der alten Erde bewegt haben, sodass dieser beim Abkühlen ein Magnetfeld erzeugen konnte. Allerdings hat die Venus keine Monde, was bedeuten könnte, dass sich ihr Kern nie vermischt hat.
Der beste Weg, um festzustellen, ob Körper im Sonnensystem Magnetfelder haben, besteht darin, ein Raumschiff zum Objekt zu schicken und die Intensität des Magnetfelds mit einem Magnetometer zu messen. Wissenschaftler konnten jedoch bereits in den 1950er Jahren das Magnetfeld des Jupiter aus der Ferne erkennen, indem sie Radioemissionen der Polarlichter des Planeten aufspürten.
O’Rourke sagte, Magnetfelder seien eine der besten Möglichkeiten, etwas über das Innere des Planeten zu erfahren. Das Vorhandensein eines starken Magnetfelds verrät Wissenschaftlern, dass der Planet über ein großes Reservoir an elektrisch leitender Flüssigkeit verfügt, die sich bewegen kann.
Dynamo ist der Prozess, bei dem die Energie der Bewegung einer Flüssigkeit in ein Magnetfeld umgewandelt wird, erklärte O’Rouke. Auf terrestrischen Planeten können metallische Kerne „Dynamos“ enthalten, wie es heute auf der Erde der Fall ist. Allerdings sind auch flüssige Silikate (im Grunde geschmolzene Gesteine) unter extremen Drücken und Temperaturen elektrisch leitfähig. Wasserstoff wird tief im Inneren von Gasriesen wie Jupiter und Saturn metallisch, was für deren starke Magnetfelder sorgt.“
Bei Exoplaneten – Planeten außerhalb des Sonnensystems – haben Planetenforscher das Vorhandensein von Magnetfeldern noch nicht eindeutig entdeckt. Aber Astronomen haben magnetfeldgetriebene Polarlichter in kleinen Sternen entdeckt, die als Braune Zwerge und M-Zwerge mit geringer Masse bekannt sind.
Planetenforscher diskutieren derzeit darüber, ob Magnetfelder die Atmosphäre von Planeten generell schützen. Einerseits können Magnetfelder die Atmosphäre vor Sternwinden schützen, insbesondere in der Nähe des magnetischen Äquators. Andererseits können Magnetfelder geladene Teilchen in die Polarregionen lenken, und eine Reihe von Mechanismen, die das Entweichen aus der Atmosphäre fördern, werden von Magnetfeldern nicht wesentlich beeinflusst, erklärte O’Rourke.
Die Erde verfügt seit Milliarden von Jahren sowohl über ein Magnetfeld als auch über eine bewohnbare Oberfläche. Der Mars gab ungefähr zu der Zeit, als sein Magnetfeld verschwand, den größten Teil seines Wassers in den Weltraum ab. Auf der Venus, der höllischen Welt, gibt es kein Magnetfeld. In unserem Sonnensystem korreliert der Magnetismus mit der Bewohnbarkeit. Korrelation ist jedoch keine Kausalität.
Da wir durch Beobachtungen mit dem James Webb-Weltraumteleskop eine größere Stichprobe von Exoplaneten erhalten, werden Planetenforscher damit beginnen, den Zusammenhang zwischen Magnetfeldern und der Bewohnbarkeit des Planeten aufzudecken. Polarlichter sind möglicherweise einer der ersten Indikatoren dafür, dass wir nach Lebenszeichen Ausschau halten sollten.
Das Erdmagnetfeld hat einen Schweif. Wenn der Sonnenwind auf einen Planeten trifft, hinterlässt er eine Art langen Schatten, der sich hinter unserem Planeten erstreckt. Wissenschaftler nennen diesen magnetischen Schweif den magnetosphärischen Schweif. Normalerweise ist der Schweif der Magnetosphäre mit magnetischen Stürmen übersät.
Seit einigen Jahren sind sich Wissenschaftler eines Magnetschweif-Rätsels bewusst: dem fehlenden Sturm. Sie fanden Anzeichen eines Sturms, aber keinen vergleichbaren registrierbaren Sturm. Die Magnetospheric Multiscale (MMS)-Mission der NASA befasst sich derzeit mit diesem Problem.
NASA/Goddard Space Flight Center – Labor für konzeptionelle Bildgebung
MMS besteht aus vier Satelliten, die 2015 mit derselben Atlas-V-Rakete gestartet wurden. Seitdem untersucht das Quartett die Magnetopause der Erde: die Grenze der Region, die vom Magnetfeld des Planeten dominiert wird. Die Magnetopause ist ständig voller magnetischer Neuverbindungen. Dabei handelt es sich um den Zeitpunkt, an dem die Linien, aus denen ein Magnetfeld besteht, zusammenkommen, auseinanderbrechen und sich dann wieder vereinigen, wodurch brillante Ströme aus Wärme und kinetischer Energie entstehen. Diese Rückverbindungen können, wenn sie in der Erdatmosphäre auftreten, Polarlichter verursachen.
Wissenschaftler nennen diese Böen Teilstürme. Im Jahr 2017 entdeckte MMS die charakteristische magnetische Wiederverbindung eines Teilsturms, es gab jedoch keinen tatsächlichen Teilsturm, der damit zusammenfiel. Der Teilsturm hätte von starken elektrischen Strömen und Magnetfeldschwankungen begleitet sein sollen, MMS fand jedoch keine Spuren davon.
„Wir haben die Bewegung von Magnetfeldlinien auf globaler Ebene nicht untersucht, daher ist es möglich, dass dieser ungewöhnliche Teilsturm ein sehr lokalisiertes Ereignis war, das MMS beobachten konnte“, sagte Andy Marshall, Postdoktorand am Southwest Research Institute ein Statement. „Wenn nicht, könnte dies unser Verständnis der Beziehung zwischen rückseitiger Wiederverbindung und Teilstürmen verändern.“
Im Jahr 2025 wird MMS magnetische Wiederverbindungen im tatsächlichen Erdmagnetfeld messen, während Wissenschaftler auf der Erde Simulationen des Magnetfelds durchführen werden, um zu verstehen, wie es sich verhält. Durch den Vergleich der beiden Phänomene hoffen die Wissenschaftler, das Rätsel lösen zu können, indem sie den genauen Zusammenhang zwischen der Wiederverbindung und den dadurch verursachten Ereignissen besser verstehen.
„Es ist möglich, dass es erhebliche Unterschiede zwischen den globalen Mustern der Magnetschweifkonvektion bei Teilstürmen und der Schweifwiederverbindung ohne Teilsturm gibt“, sagte Marshall.