Sternengeschichten Folge 545: Die Magnetfelder der inneren Planeten

Der Dynamo muss laufen

Sternengeschichten Folge 545: Die Magnetfelder der inneren Planeten

Ich habe in den Sternengeschichten schon oft über Magnetismus und Magnetfelder gesprochen. Das ist wenig überraschend; immerhin ist der Elektromagnetismus ja eine der vier fundamentalen Grundkräfte des Universums. Es wäre eher überraschend, wenn Magnetfelder keine Rolle in der Astronomie spielen würden. Das tun sie aber; zum Beispiel wenn es darum geht zu verstehen, wie die Sonne funktioniert. Oder wenn wir verstehen wollen, was einen Planeten lebensfreundlich macht. Magnetfelder verraten uns was bei schwarzen Löchern passiert, welche Eigenschaften die Sterne haben, und so weiter. In der heutigen Folge wollen wir uns aber die Magnetfelder der Himmelskörper im Sonnensystem anschauen.

Eigentlich müssten wir dazu mit der Sonne anfangen. Sie hat ein enormes Magnetfeld das sich weit über die Ausdehnung unseres Sterns hinaus erstreckt. Auch die Erde liegt noch im Magnetfeld der Sonne - aber dieses interplanetare Magnetfeld und die diversen elektromagnetischen Effekte die die Sonne verursacht wären zu umfangreich; das braucht irgendwann mal eine eigene Folge. Schauen wir uns stattdessen zuerst die Magnetfelder der Planeten an und als erstes das der Erde. Immerhin ist das der Himmelskörper, den wir am besten kennen.

In erster Näherung kann man sich das Erdmagnetfeld so vorstellen wie das Magnetfeld, das ein ganz normaler Stabmagnet verursacht. Also so ein Ding, dass man sicherlich auch im Schulunterricht schon gesehen hat; ein magnetisches Stück Metall, mit einem Nordpol und einem Südpol. Die Linien des Magnetfeldes laufen vom Nordpol zum Südpol (oder umgekehrt, je nachdem wie man es sehen will). An diesen Magnetfeldlinien richtet sich zum Beispiel auch die Nadel eines Kompass aus, was der Grund dafür ist, dass man so ein Ding benutzen kann, um heraus zu finden, wo Norden ist.

Jetzt steckt im Inneren der Erde aber natürlich kein gigantischer Stabmagnet. Dafür aber eine gigantische Kugel aus Eisen. Unser Planet hat einen Kern aus Eisen mit einem Durchmesser von 7000 Kilometern - was übrigens deutlich größer ist als unser Mond! Im Kern der Erde ist es heiß; so heiß, dass das Eisen flüssig ist. Noch weiter innen ist es zwar noch heißer; dort ist aber auch der Druck sehr viel höher und das Eisen ist deswegen fest. Dieser Unterschied ist wichtig, denn nur weil der äußere Erdkern flüssig ist, hat die Erde das Magnetfeld, dass sie hat. Der äußere Kern ist aber nicht nur flüssig, sondern auch in Bewegung. Natürlich dreht sich sowieso alles im Kreis, weil die Erde sich um ihre Achse dreht. Das flüssige Eisen wabert aber auch vor sich, so wie Wasser in einem Kochtopf. Nah am inneren, festen Kern ist das flüssige Eisen am heißesten und hat dadurch auch eine geringere Dichte als das kühlere Eisen das darüber liegt. Das heiße Eisen steigt also auf, kühlt dabei ab, wird dichter und fängt wieder an, nach unten zu sinken. Es sind also Temperatur- und Dichteunterschiede die diese "Konvektion" verursachen. Verstärkt wird der Effekt, weil der Erdkern insgesamt im Laufe der Zeit abkühlt. Es wird also immer ein bisschen des flüssigen Eisens fest; es kristallisiert aus, wenn es auf den festen, inneren Kern trifft. Der innere Kern wird also immer größer und gleichzeitig wird bei der Kristallisation von flüssigem zu festen Eisen auch ein wenig Wärme frei. Diese Wärme treibt die vorhin beschriebene Konvektion zusätzlich an. Genau genommen ist die Sache noch ein wenig komplizierter. Der Kern der Erde besteht zwar hauptsächlich, aber nicht komplett aus Eisen. Aus dem festen inneren Kern können sich chemische Elemente wie Sauerstoff oder Schwefel lösen, die leichter sind als das Eisen und dann ebenfalls nach oben durch den flüssigen Kern steigen.

Dass der Kern der Erde nach den 4,5 Milliarden Jahren die seit der Entstehung unseres Planeten schon vergangen sind, noch nicht komplett ausgekühlt ist, liegt unter anderem an den radioaktiven Elementen, die sich auch im Erdinneren befinden und die bei ihrem Zerfall ebenfalls Wärme freisetzen, wie ich schon in Folge 143 ein wenig ausführlicher erklärt habe.

Und ich habe deswegen jetzt so ausführlich erklärt, wie und warum sich das Eisen im Kern der Erde bewegt, weil das zentral für die Entstehung planetarer Magnetfelder ist. Der äußere Kern der Erde ist eine elektrisch leitende Flüssigkeit die in ständiger Bewegung ist. Eine Bewegung, die übrigens noch sehr viel komplexer ist, als ich es vorhin erklärt habe. Das flüssige Eisen steigt nicht nur einfach nach oben und sinkt wieder nach unten. Durch die Drehung der Erde um ihre Achse wird das ganze noch quasi verzwirbelt, die Ströme aus Eisen werden verdreht und sehen eher aus wie Schraubenlinien und dann kommt noch ein Haufen chaotischer Effekte dazu.

Und wie kriegt die Erde jetzt ihr Magnetfeld? Am Anfang, als die Erde entstanden ist, muss sie schon irgendeine Art von Magnetfeld gehabt haben. Nicht so stark wie heute; auch nicht so umfassend wie jetzt. Vielleicht gab es nur kleine magnetische Regionen im Erdinnern, aus Material das noch von der Entstehungsphase her magnetisiert war, durch das Magnetfeld der Sonne oder sonst irgendwie. So oder so: Im Inneren der Erde gab es flüssiges Eisen, das sich bewegt hat. Ein elektrischer Leiter, was die Flüssigkeit ja ist, der sich durch ein Magnetfeld bewegt, erzeugt einen elektrischen Strom. Und Strom erzeugt ein Magnetfeld - Magnetismus und Elektrizität sind ja nur zwei Arten, wie man das selbe Phänomen - den Elektromagnetismus - betrachten kann. Wenn alles vernünftig zusammenpasst, dann kann sich das anfangs kleine Magnetfeld auf diese Weise selbst verstärken, immer stärker werden und am Ende ein stabiles, sich selbst aufrechterhaltendes Magnetfeld entstehen. Das nennt sich "Geodynamo" und ist das gleiche grundlegende Prinzip mit dem auch ein Fahrraddynamo Strom erzeugt.

Bei der Erde funktioniert das recht gut, wie wir wissen, und es gut, dass es gut funktioniert, denn das Magnetfeld schützt uns vor der kosmischen Strahlung aus dem Weltall. Aber wie sieht es mit den anderen Planeten im Sonnensystem aus? Fangen wir ganz innen an, beim Merkur. Der kleinste Planet besitzt ebenfalls ein Magnetfeld, auch wenn es nur sehr schwach ist; 150 mal schwächer als das der Erde. Eigentlich hat auch der Merkur einen Kern aus Eisen mit einem Mantel aus Gestein, der darüber liegt. Und auch dort sollte - vereinfacht gesagt - der selbe Prozess ablaufen, der das Magnetfeld der Erde erzeugt. Warum das Magnetfeld des Merkurs trotzdem so schwach ist, ist noch nicht restlos geklärt. Es könnte mit seiner Nähe zur Sonne zu tun haben. Die Sonne schleudert ja ständig geladene Teilchen aus ihren äußeren Schichten hinaus ins All. Dieser "Sonnenwind" transportiert auch einen Teil des Sonnenmagnetfeldes weit hinaus ins All. Merkur sitzt da quasi mittendrin und die Wechselwirkung zwischen dem Sonnenwind und dem Magnetfeld des Merkur könnte elektrische Ströme in seinem Kern erzeugen, die dort den Dynamoprozess abschwächen.

Der nächste Planet ist die Venus. Sie wird oft als Zwilling der Erde bezeichnet, weil sie ungefähr gleich groß und schwer ist. Aber sie hat kein eigenes Magnetfeld. Grund dafür ist vermutlich die extrem langsame Rotation des Planeten. Die Erde schafft eine Drehung um ihre Achse in 24 Stunden, die Venus braucht dafür 243 Tage. Das ist zu langsam, um das flüssige Innere ihres Kerns vernünftig zum Strömen zu bekommen. Die Venus hat allerdings ein - sehr schwaches - externes Magnetfeld. Auch hier ist der Sonnenwind verantwortlich: In der äußeren Schicht der Venusatmosphäre befinden sich jede Menge elektrisch geladene Teilchen. Wenn die ebenfalls elektrisch geladenen Teilchen des Sonnenwinds darauf treffen, entsteht ein Magnetfeld, dass den ganzen Planeten umgibt.

Über die Erde haben wir schon gesprochen; als nächstes kommt der Mars an die Reihe. Auch er hat kein Magnetfeld und der Hauptgrund dafür ist seine Größe. Der Mars ist sehr viel kleiner als die Erde. Er hat zwar einen Kern aus flüssigem Eisen und auch dort hat anfangs der Dynamoeffekt ein Magnetfeld erzeugt. Wir wissen, dass der Mars früher ein vergleichsweise starkes Magnetfeld gehabt hat. Der Mars ist aber zu klein, um einen festen Eisenkern zu haben; der Druck reicht dafür nicht aus. Und weil der Mars kleiner ist, hat er auch nicht so viele radioaktive Elemente, die Wärme liefern können und ist schneller ausgekühlt. Es war dann umgekehrt wie bei der Erde: Beim Mars ist der äußere Kern fest geworden und der innere blieb flüssig. Auf diese Weise können die für einen Dynamo nötigen Konvektionsströmungen aber nicht weiterlaufen und das Magnetfeld ist verschwunden. Und mit ihm dann auch die Atmosphäre, weil die jetzt nicht mehr vor dem Sonnenwind geschützt war. Die geladenen Teilchen der Sonne haben die Moleküle der Marsatmosphäre quasi vom Planeten weggeschubst und deswegen ist der Mars heute so lebensfeindlich, wie er ist. Ein bisschen Magnetfeld gibt es dort auch noch, aber das entsteht wieder extern, so wie bei der Venus, wenn der Sonnenwind mit dem kleinen Rest an Atmosphäre wechselwirkt, die der Mars noch hat.

Damit haben wir die inneren Planeten durch; die großen Gasplaneten des Sonnensystems haben allesamt starke Magnetfelder. Sie entstehen aber ein wenig anders als das der Erde und es gibt jede Menge interessante Phänomene, die wir bei den inneren Planeten nicht finden. Die Magnetfelder der äußeren Planeten schauen wir uns in einer anderen Folge an, aber wir werfen zum Abschluss noch einen kurzen Blick auf die Monde. Der Erdmond hat heute kein eigenes Magnetfeld. Sein früher flüssiger Kern ist schon längst ausgekühlt und fest geworden. Wie es früher war, können wir noch nicht abschließend sagen. Es kann sein, dass er für kurze Zeit ein eigenes Magnetfeld gehabt hat. Darauf weisen magnetische Spuren hin, die wir im Mondgestein gefunden haben. Aber es gibt auch Mondgestein, das diese Spuren nicht aufweist. Vielleicht war der Mond also auch nur zum Teil mit Magnetfeldern ausgestattet, die externe Ursachen hatten. Einschläge von Meteoriten können zum Beispiel Gestein pulverisieren und ionisieren, wodurch lokale Magnetfelder entstehen können.

Bleibt noch ein weiterer großer Himmelskörper mit Magnetfeld: Der Jupitermond Ganymed; der größte Mond des Sonnensystems, größer als Merkur und sehr viel größer als der Erdmond. Über ihn habe ich in Folge 541 ausführlich gesprochen. Sein Magnetfeld wurde 1996 durch die Raumsonde Galileo entdeckt. Wie genau es entsteht, wissen wir noch nicht. Sein Kern ist auf jeden Fall klein und man rechnet dort eher nicht mit flüssigem Eisen. Aber vielleicht ist da ja doch noch ein bisschen was; auf jeden Fall aber gibt es unter seiner gefrorenen Oberfläche einen Ozean aus flüssigem Wasser. Salzwasser, das ebenfalls eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit ist. Und dann bewegt sich Ganymed ja mitten durch das extrem starke Magnetfeld des Jupiter, was definitiv einen Einfluss hat. Aber über die magnetischen Phänomene der Gasplaneten wollte ich ja in einer anderen Folge sprechen.

Lassen wir den Jupitermond also beiseite und halten wir fest: Die Erde ist ein ganz besonderer Ort, auf jeden Fall in unserem Sonnensystem. Sie ist der einzige Planet mit fester Oberfläche und einem starken Magnetfeld. Und sie ist der einzige Planet, auf dem Leben existieren kann. Das die beiden Phänomene zusammenhängen, sollte nach dieser Folge keine Überraschung mehr sein.