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Die Studie gibt neue Einblicke in den wirbelnden Fluss von Eisen 2800 Kilometer unter der Oberfläche des Planeten und wie er die Bewegung des Magnetfeldes während der letzten hunderttausend Jahre beeinflusst hat.

Unser Magnetfeld wird durch einen konvektiven Fluss von geschmolzenem Metall erzeugt und aufrechterhalten, der den äußeren Erdkern bildet. Die Bewegung des flüssigen Eisens erzeugt die elektrischen Ströme, die das Feld antreiben, das nicht nur dabei hilft, Navigationssysteme zu leiten, sondern uns auch vor schädlicher extraterrestrischer Strahlung zu schützen und unsere Atmosphäre aufrechtzuerhalten.

Das Magnetfeld verändert sich ständig. Satelliten bieten nun neue Möglichkeiten, seine aktuellen Verschiebungen zu messen und zu verfolgen, aber das Feld existierte schon lange vor der Erfindung der von Menschen gemachten Aufzeichnungsgeräte. Um die Entwicklung des Feldes durch die geologische Zeit zurück zu erfassen, analysieren Wissenschaftler die Magnetfelder, die von Sedimenten, Lavaströmen und vom Menschen geschaffenen Artefakten aufgezeichnet wurden. Die genaue Verfolgung des Signals des Erdkernfeldes ist eine große Herausforderung, und so werden die durch diese Art der Analyse geschätzten Raten der Feldveränderung immer noch diskutiert.

Nun haben Dr. Chris Davies, außerordentlicher Professor in Leeds, und Professor Catherine Constable von der Scripps Institution of Oceanography, UC San Diego, in Kalifornien einen anderen Ansatz gewählt. Sie kombinierten Computersimulationen des Feldentstehungsprozesses mit einer kürzlich veröffentlichten Rekonstruktion der zeitlichen Variationen des Erdmagnetfeldes über die letzten 100.000 Jahre

Ihre Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, zeigt, dass die Richtungsänderungen des Erdmagnetfeldes Raten erreichten, die bis zu zehnmal größer sind als die schnellsten derzeit berichteten Variationen von bis zu einem Grad pro Jahr.

Sie zeigen, dass diese schnellen Veränderungen mit einer lokalen Abschwächung des Magnetfeldes verbunden sind. Das bedeutet, dass diese Änderungen im Allgemeinen zu Zeiten aufgetreten sind, in denen sich das Feld umgepolt hat oder während geomagnetischer Exkursionen, wenn sich die Dipolachse – entsprechend den Feldlinien, die von einem Magnetpol ausgehen und am anderen konvergieren – weit von den Positionen des geografischen Nord- und Südpols entfernt hat.

Das deutlichste Beispiel in ihrer Studie ist eine scharfe Richtungsänderung des geomagnetischen Feldes von etwa 2,5 Grad pro Jahr vor 39.000 Jahren. Diese Verschiebung ging mit einer lokal schwachen Feldstärke einher, in einer räumlich begrenzten Region vor der Westküste Mittelamerikas, und folgte auf die globale Laschamp-Exkursion – eine kurze Umkehrung des Erdmagnetfeldes vor etwa 41.000 Jahren.

Ähnliche Ereignisse werden in Computersimulationen des Feldes identifiziert, die viel mehr Details ihres physikalischen Ursprungs enthüllen können als die begrenzte paläomagnetische Rekonstruktion.

Ihre detaillierte Analyse zeigt, dass die schnellsten Richtungsänderungen mit der Bewegung von umgekehrten Flussflecken über die Oberfläche des flüssigen Kerns verbunden sind. Diese Flecken sind in niedrigeren Breitengraden stärker ausgeprägt, was darauf hindeutet, dass sich die zukünftige Suche nach schnellen Richtungsänderungen auf diese Gebiete konzentrieren sollte.

Dr. Davies von der School of Earth and Environment sagte: „Wir haben nur ein sehr unvollständiges Wissen über unser Magnetfeld vor 400 Jahren. Da diese schnellen Veränderungen einige der extremeren Verhaltensweisen des flüssigen Kerns darstellen, könnten sie wichtige Informationen über das Verhalten des tiefen Erdinneren liefern.“

Professor Constable sagte: „Zu verstehen, ob Computersimulationen des Magnetfelds das physikalische Verhalten des Erdmagnetfelds, wie es aus geologischen Aufzeichnungen abgeleitet wird, genau widerspiegeln, kann eine große Herausforderung sein.“

„Aber in diesem Fall konnten wir eine ausgezeichnete Übereinstimmung sowohl bei den Änderungsraten als auch bei der allgemeinen Lage der extremsten Ereignisse über eine Reihe von Computersimulationen hinweg zeigen. Die weitere Untersuchung der sich entwickelnden Dynamik in diesen Simulationen bietet eine nützliche Strategie, um zu dokumentieren, wie solche schnellen Veränderungen auftreten und ob sie auch in Zeiten stabiler magnetischer Polarität, wie wir sie heute erleben, vorkommen.“