Der Kompass zählt zu den ersten Anwendungen des Magnetismus auf der Erde. Chinesische Seefahrer machten von diesem bereits im 11. Jahrhundert Gebrauch und verwendeten ihn zum Navigieren. Die Menschen fanden heraus, dass die Kompassnadel sich immer nach Norden richtet und konnten ihn so als Navigationsmittel benutzen.
In dieser Erklärung findest Du heraus, wie ein Kompass mit dem Erdmagnetismus zusammenhängt, warum er immer nach Norden zeigt und welchen Einfluss das Erdmagnetfeld auf das Leben auf der Erde besitzt!
Erdmagnetfeld – Erde
Unsere Erde ist von einem magnetischen Feld umhüllt. Das sogenannte Erdmagnetfeld umgibt und durchdringt die Erde.
Das Erdmagnetfeld stellt den Bereich um die Erde dar, in dem magnetische Kräfte wirken.
Du kannst es Dir als sogenanntes Dipolfeld vorstellen, also als ein magnetisches Feld mit zwei Polen – einem Nord- und einem Südpol. So kommt es dem Magnetfeld eines Stabmagneten nahe.
Allerdings darfst Du die magnetischen Pole der Erde nicht mit den geographischen Polen verwechseln. Dort, wo der geographische Nordpol liegt und die Kompassnadel hinzeigt, liegt nämlich der magnetische Südpol.
Warum die Pole unterschiedlich ausgerichtet sind, erfährst Du am Ende dieser Erklärung!
Der Begriff Magnetismus bezeichnet magnetische Erscheinungen, also das Wirken und der Einfluss einer magnetischen Kraft auf bestimmte Stoffe.
Der Erdmagnetismus, auch Geomagnetismus, meint folglich das Wirken einer magnetischen Kraft, eines Magnetfeldes, auf die Erde.
Das Magnetfeld der Erde wirkt außerdem als Schutzschild des Planeten und schirmt energiereiche kosmische sowie solare Strahlung ab. Das Magnetfeld befindet sich im stetigen Wandel, weshalb es ständig beobachtet und gemessen wird.
Mehr dazu erfährst Du an in einem späteren Kapitel der Erklärung!
Nicht nur die Erde besitzt ein Magnetfeld. Auch andere Planeten, wie Saturn, Uranus und Neptun sind von globalen Magnetfeldern umgeben. Diese sind allerdings recht unterschiedlich, da die Zusammensetzung der Planeten sich grundsätzlich unterscheidet. Zudem weisen diese Magnetfelder deutlich weniger Stärke auf, als das Erdmagnetfeld.
Sogar die Sonne besitzt ein Magnetfeld. Es reicht so weit, dass es auch noch zwischen den anderen Planeten des Universums besteht. Angesichts dessen bezeichnet man es auch als interplanetares Magnetfeld. Es spielt eine relevante Rolle für die magnetische Wechselwirkung zwischen Erde und Sonne und hängt stark mit den zugehörigen Sonnenwinden zusammen.
Erdmagnetismus
Das Magnetfeld der Erde entsteht hauptsächlich aus den drei folgenden Komponenten:
- Geodynamo
- Feld der remanenten Magnetisierung
- elektrische Ströme in der Iono- und Magnetosphäre
Geodynamo
Vom sogenannten Geodynamo werden circa 95 %, also der Hauptanteil des Magnetfeldes hervorgerufen.
Der Geodynamo ist ein physikalischer Prozess, der das selbsterhaltende Erdmagnetfeld erzeugt, das im Inneren des Erdkörpers zustande kommt.
Um die Funktion des Geodynamos zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, wie die Erde aufgebaut ist. Dabei spricht man von einem Schalenbau der Erde und unterscheidet zwischen drei Hauptschalen:
- Erdkruste
- Erdmantel (oberer und unterer Mantel)
- Erdkern (äußerer und innerer Kern)
In Abbildung 1 siehst Du diese verschiedenen Schichten noch einmal graphisch veranschaulicht.
Abbildung 1: Der Schalenbau der Erde
Für die Entstehung des Erdmagnetfelds ist vor allem das Vorgehen im Erdkern relevant. Der innere Teil des Kerns ist trotz einer Temperatur von etwa 5000° C aufgrund des enorm hohen Drucks fest und besteht aus 80 % Eisen und 20 % Nickel. Neben ein paar wenigen leichteren Elementen sind das auch die Hauptbestandteile des äußeren Kerns. Hier herrschen zwischen 3000 und 5000 °C. Während der innere Kernbestandteil fest ist, ist der äußere Erdkern flüssig.
Der äußere Erdkern ist auch der Ort, an dem das Magnetfeld der Erde entsteht. Die flüssigen, heißen Eisenschmelzen bewegen sich nämlich im Erdinneren stetig. In spiralförmigen Bewegungen fließt die Masse von innen nach außen in Richtung des unteren Erdmantels. Diese Bewegungen werden Konvektionsströme genannt und verursachen die Mantelkonvektion.
Als Mantelkonvektion wird der Prozess bezeichnet, bei dem Wärme von dem Erdkern an den oberen Erdmantel übertragen wird. Dabei wird der harte Erdmantel durch die sich langsam bewegenden Magmaströme umgewälzt. Die Mantelkonvektion ist eine spezielle Art der Konvektion, wobei der Begriff Konvektion "Wärmeübertragung" bedeutet.
Für tiefgehenderes Wissen zur Mantelkonvektion schau gerne in der Erklärung dazu vorbei!
Die Funktion des Geodynamos lässt sich mit der eines Fahrraddynamos vergleichen. Bei diesem entsteht elektrischer Strom durch die Bewegung eines Magneten, der im Inneren von Drahtspulen rotiert.
Diese Spulen stellen beim Geodynamo die schraubenförmigen Strömungen der Eisenschmelze dar. Dadurch, dass Eisen elektrisch leitend ist, sind es also außerdem elektrische Strömungen, die im Erdkern erzeugt werden. Mithilfe des Antriebs der Hitze im Erdinneren sowie der Erdrotation kann dann ein Magnetfeld um die Erde entstehen.
Bis jetzt konnte der Geodynamo noch nicht vollständig erforscht werden, Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen führen jedoch weiterhin Versuche durch, um den Antrieb der Erde komplett erklären zu können.
Feld der remanenten Magnetisierung
In Teilen der Erdkruste befinden sich sogenannte Störkörper, die durch ihre eigenen Magnetfelder zusätzlich Einfluss auf das Erdmagnetfeld nehmen. Diese sind Gesteine, die durch magnetisierte Mineralien eine magnetische Kraft besitzen und befinden sich maximal 20 Kilometer unterhalb der Erdoberfläche.
Beispiele für solche Mineralien sind Magnetit, Titanomagnetite, Magnetkies.
Am stärksten magnetische Gesteine sind Eisenerze sowie verschiedene Arten magmatischem Gesteins, wie etwa Basalt. Dabei kann es sich beispielsweise um Erzablagerungen innerhalb der Erdkruste handeln.
Mehr zu den verschiedenen Gesteinsarten findest Du in den gleichnamigen Erklärungen!
Der Begriff Magnetisierung meint grundsätzlich die Entstehung eines zusätzlichen Magnetfeldes, das sich mit dem äußeren Magnetfeld überlagert. Remanent bedeutet so viel wie "zurückbleibend". Das Feld der remanenten Magnetisierung meint also den Einfluss zurückgebliebener lokaler Magnetfelder auf das Erdmagnetfeld.
Durch das Erdmagnetfeld werden beispielsweise bestimmte Gesteine magnetisiert und erzeugen somit rückwirkend ein magnetisches Feld, das wiederum das Erdmagnetfeld beeinflusst und sich mit diesem überlagert. Die Störfelder machen vor Ort allerdings nur einen sehr geringen Prozentanteil des Gesamtfelds aus.
Elektrische Ströme der Atmosphäre
Neben dem Hauptanteil des Geodynamos sorgen zudem elektrische Ströme in Atmosphäre für das Bestehen des Erdmagnetfelds. Diese spielen sich genauer gesagt in der Iono- und Magnetosphäre ab und tragen an der Erdoberfläche circa 1-3 % zum magnetischen Gesamtfeld bei.
Als Ionosphäre wird der Teil der Atmosphäre bezeichnet, der besonders viele Ionen, also elektrisch geladene Atome, und freie Elektronen enthält. In dieser Sphäre, die sich ungefähr 100 bis 300 Kilometer von der Erdoberfläche entfernt befindet, werden zum Beispiel auch Radiowellen und Licht reflektiert.
Die Magnetosphäre ist der Bereich um einen Planeten, der von dessen Magnetfeld beeinflusst, beziehungsweise dominiert wird. Auf der Erde definiert die Magnetosphäre den Raum, in dem das Erdmagnetfeld wirkt.
Ursachen dieser elektrischen Ströme sind einerseits Winde der Ionosphäre und andererseits die Wirkung des magnetischen Plasmas des Sonnenwindes.
Unter Plasma versteht man ein ionisiertes Gasgemisch, das aus Ionen, Elektronen und weiteren neutralen Teilchen besteht. Diese befinden sich in einer ständigen Wechselwirkung zueinander sowie mit verschiedenen Energie- und Aggregatzuständen. Die Sonne besteht sogar zu drei Vierteln aus solchem Plasma.1
Erdmagnetfeld – Sonnenwind
Abgesehen von der Licht- und Wärmestrahlung, die auf der Erde wahrgenommen wird, sendet die Sonne auch noch geladene Teilchen aus, die insgesamt als Sonnenwind bezeichnet werden. Dieser herrscht jenseits der Ionosphäre und stellt trotzdem einen der größten äußeren Einflüsse auf das Erdmagnetfeld dar.
Sonnenwind, auch bekannt als Solarwind, ist ein von der Sonne ausgehender Plasma- beziehungsweise Teilchenwind, der aus Protonen und Elektronen besteht. Neben der elektromagnetischen Strahlung stellt er einen wesentlichen Bestandteil der kosmischen Strahlung dar.
In der äußersten und heißesten Sonnenschicht erhitzen die Teilchen so stark, dass sie es schaffen, die Gravitation der Sonne zu überwinden. Mit Geschwindigkeiten von 400 bis 800 Kilometer pro Sekunde schießen dann hauptsächlich positiv und negativ geladenen Partikel ins All hinaus, unter anderem auch auf die Erde zu.
Das Magnetfeld der Erde wirkt hier als Schutzschild, das die elektrisch geladenen Teilchen der Sonne, den Solarwind, ablenkt. Ohne dieses Schutzschild wäre die Erde so extremer Strahlung ausgesetzt, dass gar kein Leben auf dem Planeten möglich wäre.
Das magnetische Feld der Erde wird aber auch durch den starken Einfluss des Sonnenwindes geformt.
Der Sonnenwind ist auch Auslöser der Polarlichter, die man im Norden beobachten kann. Indem Sonnenwindteilchen an den Polen in die Erdatmosphäre eintreten, reagieren sie mit der Atmosphäre und lösen dabei das Naturschauspiel aus. Das passiert, wenn das Plasma des Solarwindes das Magnetfeld der Erde so stark verformt, dass geladene Teilchen zur Erde hin beschleunigt werden.
Du möchtest noch genauer erfahren, wie Polarlichter entstehen? In unserer Erklärung zu den
Aurora Borealis findest Du alle Informationen dazu!
Magnetische und Geographische Pole
Zu Beginn der Erklärung hast Du bereits erfahren, dass die Erde zwei Nord- und Südpole besitzt. Am geographischen Nordpol befindet sich der magnetische Südpol und am geographischen Südpol der magnetische Nordpol.
Die Kompassnadel richtet ihren Norden also zum Nordpol aus, wo der magnetische Südpol liegt. Ein Kompass zeigt nämlich immer die Richtung des Erdmagnetfelds an.
Allerdings fallen die Magnetpole der Erde nicht genau mit geographischen Polen zusammen. Es ergibt sich ein Winkel, die Deklination, zwischen der Kompassnadelrichtung und der Richtung zum geographischen Nordpol. Das liegt daran, dass der magnetische Südpol kein fixer Punkt ist, sondern gewissermaßen wandert.
Das Magnetfeld der Erde steht unter ständigem Einfluss, wie etwa durch die stetige Bewegung des Erdkerns oder des Sonnenwindes. Genauso wie diese äußeren Einflüsse ändert sich auch das Magnetfeld dementsprechend immer wieder.
Demzufolge zeigt auch die Kompassnadel nie genau in Richtung Norden, da er nicht ganz mit dem magnetischen Südpol übereinstimmt. Diese Missweisung in der Kartographie wird als Nadelabweichung bezeichnet. Sie zeigt die horizontale Richtung des Erdmagnetfelds gegenüber der Richtung des geographischen Nordpols.
Lange war nicht klar, warum die Kompassnadel überhaupt nach Norden zeigt. Forschende vermuteten zuerst, es müsse sich um eine Insel im Norden handeln, die aus magnetischem Erz besteht und deshalb starke Anziehung mit sich bringt. Erst der Physiker William Gilbert stellte im 16. Jahrhundert erstmals die Theorie auf, dass die Ursache im Erdinneren liegen muss.
Erdmagnetfeld – Umpolung
Jetzt hast Du bereits gelesen, dass das Magnetfeld kein statisches Gebilde ist, sondern ständig variiert. Dabei ändert am Erdmagnetfeld sowohl die Stärke, die immer geringer wird, als auch die Pole, die sich verschieben.
In unserer Erklärung aus dem Fach Physik kannst Du genaueres über die Feldstärke sowie die Feldlinien eines Magnetfeldes herausfinden. Schau dort auf jeden Fall vorbei, wenn Du mehr zum Thema Magnetismus erfahren möchtest!
Laut der European Space Agency hat sich alleine die Feldstärke in den letzten 150 Jahren um 10 % verringert.2 In 1600 Jahren müsste das Magnetfeld bei bleibender Zerfallsrate theoretisch verschwunden sein. In einzelnen Regionen, unter anderem dem Südatlantik, schwächt die Stärke sogar noch mehr ab.
Seit fast 180 Jahren schiebt sich der nördliche Pol immer weiter in Richtung Nordwesten, seit 2000 teilweise mit bis zu 65 Kilometern im Jahr. 2
Wenn sich die magnetischen Pole immer weiter verschieben, kann es zu einer Umpolung dieser kommen.
Umpolungen des Magnetfeldes haben sich laut Forschenden im Laufe der Erdgeschichte bereits immer wieder ereignet. In den vergangenen 40 Millionen Jahren soll das circa 70 Mal passiert sein.
Das bedeutet, der magnetische Nord- und Südpol haben im Laufe der Erdgeschichte schon einige Male ihre Plätze gewechselt. Die letzte Umpolung fand laut wissenschaftlichen Ergebnissen vor 780.000 Jahren statt.2
Die Ursache solcher Polsprünge lässt sich wieder im Inneren der Erde – im Erdkern – finden. Hier rollen sich die Erdmagnetfeldlinien auf. Das kannst Du Dir wie bei einem Wollknäuel vorstellen. Nach einiger Zeit kann es aber passieren, dass sich dieses Gespann wieder vollkommen auflöst und neu bildet. Das Erdmagnetfeld richtet sich dann also neu aus. Wenn das passiert, verschwindet das Magnetfeld der Erde fast komplett und kann im Anschluss umgekehrte Pole aufweisen. Ein solcher Prozess dauert allerdings mehrere hundert Jahre.
Noch ist ungeklärt, welcher Mechanismus genau für diesen Umpolungsprozess sorgt und es kann noch nicht gesagt werden, wie sich das Magnetfeld abschwächen wird oder was für Folgen eine Umpolung auf das Leben auf der Erde hat.
Erdmagnetfeld – Das Wichtigste
- Erdmagnetismus, auch Geomagnetismus, bezeichnet das Wirken eines Magnetfeldes auf die Erde
- Das Magnetfeld der Erde entsteht hauptsächlich aus den drei Komponenten:
- Geodynamo
- Feld der remanenten Magnetisierung
- elektrische Ströme in der Iono- und Magnetosphäre
- Der Geodynamo stellt den Hauptantrieb des Erdmagnetfelds dar und befindet sich im äußeren Erdkern.
- Sonnenwind ist ein von der Sonne ausgehender Plasma- beziehungsweise Teilchenwind, der aus Protonen und Elektronen besteht
- Man unterscheidet zwischen geographischen und magnetischen Polen: Am geographischen Nordpol befindet sich der magnetische Südpol und am geographischen Südpol der magnetische Nordpol
- Das Erdmagnetfeld befindet sich im stetigen Wandel: durch die laufende Verschiebung der magnetischen Pole kann es langfristig zu einer Umpolung dieser kommen
Nachweise
- simplyscience.ch: Was ist eigentlich Plasma? (02.09.2022)
- esa.int: Umpolung des Magnetfeldes. (02.09.2022)
- esa.int: Das Erdmagnetfeld: Ein riesiger Dynamo. (31.08.2022)
- Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (n.A.). ZAMG Erdmagnetismus. zamg.ac.at. (02.09.2022)
Schule 
Studium 
Ausbildung 
Karteikarten Erstelle und finde die besten Karteikarten.
Notizen Erstelle Notizen schneller als je zuvor.
Lernsets Alles was du brauchst an einem Ort.
Lernpläne Wöchentliche Ziele, Lern-Reminder, und mehr.
Spaced Repetition Nachhaltiger lernen.
AI powered learning Mithilfe unserer KI zum Lernerfolg
Blog 
