Stellen Sie sich vor, Sie schauen auf einen Kompass und stellen fest, dass die Welt auf dem Kopf steht: Der rote Teil der Nadel, der früher nach Norden zeigte, schwingt jetzt in die entgegengesetzte Richtung.
Was wie ein Szenario aus einem schlechten Science-Fiction-Film aus den 1960er Jahren klingt, ist nicht nur ein reales Phänomen, sondern wird zwangsläufig passieren. Geophysiker wissen seit langem, dass das Erdmagnetfeld, das als wichtiger Schutzschild gegen schädliche Sonnenstrahlung fungiert, im Laufe seiner Geschichte viele Male umgekippt ist – zuletzt vor 780.000 Jahren – und einige Wissenschaftler glauben, dass ein weiterer Umschwung überfällig ist.
Jetzt hat eine Forschungskooperation unter der Leitung eines Mathematikers der University of Arizona eine Studie veröffentlicht, die mit hoher Sicherheit Vorhersagen über das Magnetfeld trifft. Unter Verwendung aller verfügbaren paläomagnetischen Daten (die in den letzten 2 Millionen Jahren in Gesteinen aufgezeichnet wurden) erstellte das Team einen mathematischen Rahmen, der alle Umkehrungen während dieser Zeitspanne genau vorhersagte und daher realistische Vorhersagen für die Zukunft ermöglichte.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Physics of Earth and Planetary Interiors veröffentlicht .
„Unsere Technik ist insofern einzigartig, als sie vereinfachte numerische Modelle und ausgefeilte Techniken zur Kombination von Modellen und Daten nutzt“, sagt Matthias Morzfeld , Assistenzprofessor am Fachbereich Mathematik der UA und Hauptautor der Studie. „Nach unseren Berechnungen ist eine Umkehr für die nächsten 4.000 Jahre nicht zu befürchten.“
Da es durch eine sehr komplizierte Strömung von flüssigem Metall im Planetenkern erzeugt wird, ist das Erdmagnetfeld viel komplizierter als das aus Lehrbüchern bekannte Bild: ein Nordpol und ein Südpol, zwischen denen unsichtbare Feldlinien verlaufen. Tatsächlich gibt es noch weitere Polkomponenten, allerdings sind diese viel schwächer als die beiden Pole, die den meisten von uns bekannt sind.
„Wir wissen, dass Umkehrungen passieren“, sagt Morzfeld, „aber das Problem ist, dass niemand weiß, welche Bedingungen zu einem solchen Ereignis führen und was während der Umkehrung passiert.“ Verschwindet das Feld beispielsweise vollständig oder verändert es seine Form?“
Aktuellen – und konkurrierenden – Theorien zufolge steht ein Wechsel des Erdfeldes unmittelbar bevor, wenn es unter einen bestimmten Schwellenwert abschwächt oder seine Stärke schnell abnimmt. Da das aktuelle Feld stark ist, aber dennoch schnell abklingt, werten einige Wissenschaftler dies als Hinweis darauf, dass eine Umkehr bevorsteht, während andere behaupten, dass das Feld zu stark ist, um umzuschalten.
Morzfelds Team wollte herausfinden, welche Theorie wahrscheinlicher ist, indem es vereinfachte mathematische Modelle mit geophysikalischen Daten kombinierte, die durch die Untersuchung der Magnetisierung von Gesteinen gesammelt wurden.
„Wir haben detaillierte Daten aus den letzten Jahrzehnten und Messungen von Schiffen aus den letzten Jahrhunderten, aber wenn wir darüber hinausgehen, können wir uns nur Gesteine ansehen“, sagt Morzfeld. „Die Magnetisierung von Gesteinen sagt uns etwas über das Feld, daher verfügen wir über Daten aus zwei Millionen Jahren, die uns Aufschluss über die Stärke des Feldes und seine Konfiguration geben.“
Anstatt zu versuchen, die extrem komplexen Prozesse zu berechnen, die dem Erdmagnetfeld zugrunde liegen, verwendeten Morzfeld und seine Co-Autoren Modelle, die einfach genug waren, um auf einem Laptop-Computer ausgeführt zu werden, und fütterten sie mit Daten der letzten zwei Millionen Jahre, also sieben.
Da eine realistische mathematische Beschreibung der Prozesse des Flusses flüssiger Metalle, die das Magnetfeld antreiben, Millionen von Gleichungen erfordern würde, kann kein Computer eine getreue Darstellung dieser Prozesse über Millionen von Jahren berechnen. Aber um nützlich zu sein, müssen mathematische Modelle möglicherweise nicht so kompliziert sein.
„Durch die Verwendung niedrigdimensionaler Modelle, bei denen es sich im Grunde um vereinfachte Zeichnungen dessen handelt, was im Inneren des Planeten geschieht, können wir hochentwickelte, aktuelle Algorithmen anwenden, um die Modelle mit geophysikalischen Daten zu kombinieren“, sagt Morzfeld. „Dadurch können Benutzer die Anforderungen des Modells an die Berechnung ein wenig reduzieren und mehr Rechenressourcen für die Integration mit den Daten aufwenden.“
Anschließend stellte das Team die Modelle mithilfe einer Technik namens Hindcasting auf die Probe.
„Wir verwenden die Daten aus der geophysikalischen Aufzeichnung, um das Modell zu kalibrieren, und verwenden die Daten dann nicht mehr“, erklärt Morzfeld. „Als nächstes wählen wir einen beliebigen Zeitpunkt in der Vergangenheit aus und treffen eine Vorhersage. Und wenn wir feststellen, dass unser Modell genau vorhersagt, was in der Vergangenheit passiert ist, können wir davon ausgehen, dass es auch die Zukunft mit einiger Sicherheit vorhersagen wird.“
Von mehreren getesteten Modellen erwies sich eines als besonders einfach und leistungsstark und konnte alle Magnetfeldumkehrereignisse der letzten 2 Millionen Jahre erfolgreich vorhersagen. Das Modell verwendet drei Gleichungen: eine, die das Dipolfeld beschreibt, eine, die ein Nicht-Dipolfeld beschreibt, und eine dritte, die die Auswirkungen der Strömung im Kern darstellt.
„Wenn ich Ihnen sagen würde, dass innerhalb der nächsten 2 Milliarden Jahre eine Umkehr stattfinden wird, wäre das nicht sehr aussagekräftig, und wenn ich Ihnen sagen würde, dass es morgen eine Umkehr geben wird, wäre das auch nicht sehr aussagekräftig“, sagte Morzfeld erklärt. „Wir versuchen, mit diesen einfachen Modellen ein sinnvolles Zeitintervall zu finden, über das wir Vorhersagen treffen können, und das hat sich als etwa 4.000 Jahre herausgestellt.“
Interessanterweise fanden die Forscher keine Belege für die Existenz eines vorgeschlagenen „Point of no Return“, einer Schwelle der Feldstärke, die als Auslöser für die Feldumkehr fungiert. Mit Hilfe ihrer Modelle fanden sie jedoch zuverlässige Schwellenwerte in Bezug auf berechnete Wahrscheinlichkeiten.
„Die Modelle und unsere mathematischen Rahmenbedingungen ermöglichen es uns, Wahrscheinlichkeiten für Ereignisse wie „Eine Umkehr findet innerhalb von 4.000 Jahren statt“ zu berechnen. Wir haben herausgefunden, dass es sehr wahrscheinlich zu einer Umkehr kommt, wenn unsere berechneten Wahrscheinlichkeiten einen Schwellenwert überschreiten.“
Im Durchschnitt hat die Erde alle 250.000 Jahre eine Umkehr ihres Magnetfelds erlebt, obwohl die Zeiträume dazwischen stark variieren. Was sollten die Menschen also erwarten, wenn es endlich passiert?
„Das Feld würde sehr schwach werden“, erklärt Morzfeld, „aber niemand weiß, was als nächstes passieren würde.“ Es ist möglich, dass das Feld einfach seine Form ändert und von der Dipol- in die Quadrupolkonfiguration übergeht. Es ist auch möglich, dass das Feld vollständig zusammenbricht, und das wäre ziemlich schlimm, weil es den Planeten dem Sonnenwind aussetzen würde, was unter anderem Auswirkungen auf Satelliten hätte. Andererseits kam es zu Feldumkehrungen und das Leben auf der Erde hat überlebt.“
Die Studie wurde in Zusammenarbeit mit Alexandre Fournier und Gauthier Hulot am Institut de Physique du Globe de Paris durchgeführt und teilweise durch einen „International Research Development Grant“ der UA Global Initiatives und durch die National Science Foundation finanziert.
Morzfeld sagt, dass das Projekt nur aufgrund der Zusammenarbeit zwischen den Disziplinen möglich war, bei der ein angewandter Mathematiker und zwei Geophysiker zusammenkamen. Nachdem er seine Mitarbeiter auf einer Konferenz getroffen hatte, besuchte er sie in Paris, um mit der Arbeit an diesem Projekt zu beginnen.
„Sie machten mich mit den Modellen bekannt, und ich stellte ihnen Methoden vor, die die Modelle mit Daten kombinieren“, sagt er. „Gemeinsam haben wir ein Framework und eine Reihe von Tests entwickelt, mit denen wir beurteilen können, wie gut diese Modelle Vorhersagen treffen. Es wäre nicht machbar gewesen, wenn einer von uns im Team gefehlt hätte.“
