Jährliche bis dekadische Änderungen des Erdmagnetfeldes in einer Region, die vom Atlantik bis in den Indischen Ozean reicht, weisen einen engen Zusammenhang mit Variationen der Erdschwere in diesem Bereich auf. Daraus kann gefolgert werden, dass sich Prozesse im äußeren Erdkern in Schweredaten widerspiegeln. Dieses Resultat präsentiert eine deutsch-französische Gruppe von Geophysikern in der neuesten Ausgabe von PNAS (Proceedings of the National Academy of Science of the United States).

Das Hauptfeld der Erdmagnetfelds wird durch Strömungen von elektrisch geladenem, flüssigen Eisen im äußeren Erdkern erzeugt. Dieses Erdmagnetfeld schützt uns vor der kosmischen Partikelstrahlung. Daher ist es zum Verständnis des irdischen Schutzschildes wichtig, die Vorgänge im äußeren Erdkern zu kennen. Ein Schlüssel dazu sind Messungen des Erdmagnetfeldes selbst. Einen zweiten, unabhängigen Zugang könnte die Messung winziger Änderungen in der Erdanziehungskraft darstellen, die dadurch entstehen, dass mit dem Strömungsfluss im Erdkern Massenverlagerungen einhergehen. Der Nachweis eines solchen Zusammenhanges von Fluktuationen der Erdanziehung und Magnetfeld ist der Wissenschaftlergruppe nun erstmals gelungen.

Dazu benutzten sie Magnetfeld-Messdaten des GFZ-Satelliten CHAMP und hochpräzise Messwerte des Erdschwerefeldes, die von der GRACE-Mission stammen, an der das GFZ ebenfalls federführend beteiligt ist. "Das Hauptproblem war die Trennung der einzelnen Anteile der Schweredaten aus dem Gesamtsignal", erläutert Vincent Lesur vom Deutschen GeroForschungsZentrum GFZ, der an der Studie beteiligt ist. "Ein Satellit misst nur die gesamte Erdanziehung, die aus den Massenanteilen von Erdkörper, Wasser und Eis auf der Erdoberfläche und der Luft zusammensetzt." Um die Massenumlagerungen durch Strömungen im äußeren Erdkern zu bestimmen, muss der dadurch bestimmte Anteil an der Gesamtgravitation herausgefiltert werden. "Ähnlich muss aus dem Gesamt-Magnetfeldsignal, das der Satellit misst, der Anteil der magnetischen Erdkruste und der aus Ionosphäre und Magnetosphäre herausgefiltert werde, um die kleineren Veränderungen im äußeren Erdkern zu erfassen", erklärt Vincent Lesur weiter. Mit den Messungen aus den GFZ-Satellitenmissionen CHAMP und GRACE lag ein Datensatz vor, der das erstmals ermöglicht.

Bei der Untersuchung konzentrierte sich das Team auf ein Gebiet zwischen Atlantischem und Indischen Ozean, denn hier waren die ermittelten Strömungsflüsse am größten. Extrem schnelle Änderungen (sog. magnetic jerks) konnten im Jahr 2007 an der Erdoberfläche beobachtet werden. Diese sind ein Indiz für plötzliche Änderungen von Massenflüssen im oberen äußeren Erdkern und sind wichtig für das Verständnis der Magneto-Hydrodynamik im Erdkern. Mithilfe der Satellitendaten ergab sich erstmals ein klares Signal von Erdschweredaten aus dem Erdkern.

Damit ergeben sich Folgen für die bisherigen Modellvorstellungen. Bisher ging man beispielsweise davon aus, dass Dichteunterschiede im flüssigen Eisen des Erdkerns sich nicht groß genug sind, um ein messbares Signal im Erdschwerefeld zu erzeugen. Mit den jetzt ermittelten Massenflüssen im oberen äußeren Erdkern ergibt sich ein neuer Zugang zur Hydrodynamik des Erdkerns.

"Recent changes of the Earth's core derived from satellite observations of magnetic and gravity fields", Mioara Mandea, Isabelle Panet, Vincent Lesur, Olivier de Viron, Michel Diament, and Jean-Louis Le Mouël, PNAS 2012; doi:10.1073/pnas.1207346109

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