Das ist die Transkription einer Folge meines Sternengeschichten-Podcasts. Die Folge gibt es auch als MP3-Download und YouTube-Video. Und den ganzen Podcast findet ihr auch bei Spotify.
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Sternengeschichten Folge 392: Polsprung und Bakterien
Polsprung! Das klingt gefährlich! Und dieser Begriff wird leider auch immer wieder von Pseudowissenschaftlern und anderen Panikmachern verwendet, um anderen Menschen Angst einzujagen. Die Realität ist aber nicht nur nicht katastrophal sondern auch enorm faszinierend. Deswegen geht es in dieser Folge der Sternengeschichten um die Wissenschaft des Polsprunges. Es geht um die Eigenschaften von Planeten, es geht um versteinerte Magnetfelder und um winzige Bakterien die uns die Vergangenheit der Erde verraten.
Fangen wir damit an, was da eigentlich springt beim Polsprung. Die Erde hat zwei unterschiedliche Pole. Beziehungsweise eigentlich vier. Da sind einmal der Nordpol und der Süpdol. Also der nördlichste und der südlichste Punkt unseres Planeten. Die Erde dreht sich einmal in 24 Stunden um ihre Achse. Die Punkte an denen diese gedachte Rotationsachse die Oberfläche der Erde durchstößt sind Nord- und Südpol. Die springen nicht. Die bleiben dort, wo sie sind. Oft wird von den schon erwähnten Pseudowissenschaftlern angedeutet, ein “Polsprung” würde bedeuten, dass die Erde quasi “umkippt”. Das kann nicht passieren. Also rein theoretisch schon; Planeten können “umkippen”. Aber nicht einfach so – einen kompletten Planeten umzudrehen braucht enorm viel Energie. Der einzige Prozess bei dem so etwas stattfinden kann ist die Kollision mit einem anderen Himmelskörper der annähernd so groß wie die Erde selbst ist. Die restlichen Planeten des Sonnensystems sind aber alle ausreichend weit von uns entfernt und kommen uns auch nicht nahe. Umkippen wird die Erde also nicht und der Polsprung hat auch nichts mit dem Nord- und Südpol unseres Planeten zu tun.
Es geht um die zweite Art von Pol die wir haben: Die magnetischen Pole. Die Erde hat ein Magnetfeld und dieses Magnetfeld hat Pole, die auch “Nordpol” und “Südpol” genannt werden. Das hat jeder schon mal erlebt – nimmt man zwei Magnete, dann ziehen die sich entweder gegenseitig an oder, wenn man sie anders herum hält, stoßen sich ab. In simplen Darstellungen sieht man oft die Erde in der schematisch ein großer stabförmiger Magnet steckt. Am einen Ende des Magneten ist ein magnetischer Nordpol, am anderen ein magnetischer Südpol und die Linien des Magnetfeldes der Erde laufen von einem Pol zu anderen. So einfach ist es aber nicht mit dem Magnetfeld. Es steckt nicht wirklich ein großer Magnet im Inneren der Erde, wie wir später noch erfahren werden. Aber in erster Näherung kann man sich das durchaus so vorstellen. Die Magnetfeldlinien der Erde laufen tatsächlich von Nord nach Süd, zumindest grob. Es gibt einen Punkt auf der nördlichen Halbkugel der Erde, aus dem die Linien senkrecht austreten, sich dann in die Horizontale biegen, entlang der Erdoberfläche nach Süden laufen und dort wieder senkrecht in die Erdoberfläche eintreten. Und zur Sicherheit sage ich dazu: Die Feldlinien des Magnetfeldes sind keine echten Linien. Man kann da nicht wirklich irgendwelche Linien sehen die aus der Erde kommen. Aber wenn wir die Stärke und Richtung des Magnetfeldes an verschiedenen Orten der Erdoberfläche messen und die Werte entsprechend aufzeichnen, dann kriegen wir genau solche Linien. Und der Punkt auf der nördlichen Halbkugel, aus dem die Magnetfeldlinien senkrecht austreten, ist der Punkt, den man den “arktischen Magnetpol” nennt; der Punkt auf der Südhalbkugel wo sie wieder eintreten (oder austreten, je nachdem wie rum man das ganze betrachtet) ist der “antarktische Magnetpol”.
Man nennt diese magnetischen Pole übrigens deswegen nicht “magnetischer Nord- oder Südpol”, um Verwirrung zu vermeiden. Die Richtung des Pols kann man ja bekanntermaßen mit einem Kompass bestimmen. Eine magnetische Nadel richtet sich im Magnetfeld der Erde so aus, dass ihre beide Enden zu den beiden Polen zeigen. Da der arktische Magnetpol ebenso wie der geografische Nordpol im Norden der Erde liegt, kann man so leicht herausfinden, wo Norden ist und wo Süden. Entsprechend den physikalischen Konventionen ist der arktische Magnetpol aber ein magnetischer Südpol. Der magnetische Südpol des Erdmagnetfeldes liegt also im Norden, der magnetische Nordpol im Süden in der Antarktis, dort wo der geografische Südpol ist. Und um nicht mit Nord- und Südpol durcheinander zu kommen, spricht man eben vom arktischen und antarktischen Magnetpol.
Ich habe bis jetzt noch nicht gesagt, WO genau arktischer und antarktischer Magnetpol zu finden sind. Das ist auch nicht so einfach, denn im Gegensatz zu den geografischen Polen die immer an der gleichen Stelle sind, können die magnetischen Pole wandern. Der arktische Magnetpol war im 19 Jahrhundert auf der Boothia-Halbinsel in Kanada; bei einer geografischen Breite von 70 Grad Nord; also ungefähr so weit entfernt vom geografischen Nordpol wie die nördlichsten Regionen von Schweden und Norwegen. Zwischen arktischen Magnetpol und geografischen Nordpol war also eine große Distanz, fast 2000 Kilometer! Dort ist er aber heute nicht mehr zu finden, er ist weiter gewandert, in Richtung Norden mit einer Geschwindigkeit von circa 15 Kilometer pro Jahr. In den letzten 30 Jahren ist die Reise schneller geworden; der arktische Magnetpol legt nun mehr als 50 Kilometer pro Jahr zurück. Und auch der antarktische Magnetpol wandert durch die Gegend.
Der Kartograf Gerhard Mercator dachte im 16. Jahrhundert noch, dass es am Nordpol riesige Berge aus Eisen gibt, die das Magnetfeld erzeugen. Das glaubt heute niemand mehr…
Das wirft Fragen auf: Warum bewegt sich der magentische Pol? Wo will er hin? Und was hat das alles mit dem Polsprung zu tun? Dazu müssen wir nochmal in das Innere der Erde schauen. Einen riesigen Stabmagneten werden wir dort – wie schon gesagt – nicht finden. Aber einen Kern aus flüssigem Metall, wie ich schon in Folge 143 genauer erklärt habe. Im Inneren unseres Planeten finden wir gewaltige Ströme aus flüssigem Eisen die, und auf die Details will ich jetzt nicht eingehen, das würde zu kompliziert, für das Magnetfeld verantwortlich sind. Die Bewegung des elektrisch leitfähigen Metalls erzeugt das Magnetfeld. Das Eisen im Inneren der Erde strömt aber nicht gleichmäßig. Da unten geht es ziemlich chaotisch zu und auch das Magnetfeld ist daher nicht für alle Zeiten fixiert. Es reagiert auf die Bewegungen im Erdinneren und deswegen wandern auch die magnetischen Pole.
Und manchmal wird aus der Wanderung auch ein Sprung. Dann kippt zwar die Erde nicht um, aber das Magnetfeld tauscht die Pole. Aus dem magnetischen Südpol wird ein magnetischer Nordpol und umgekehrt. “Sprung” ist aber eigentlich der falsche Begriff dafür. Darunter stellen wir uns etwas vor, das schnell abläuft; von heute auf morgen. Das passiert aber nicht, “schnell” ist der Prozess nur aus Sicht der Geophysik die an sehr lange Zeiträume gewöhnt ist. Bevor ein Polsprung stattfindet, wird das Magnetfeld der Erde erst mal immer schwächer und schwächer. Irgendwann ist es so schwach, dass es keine zwei ausgezeichneten magnetischen Pole mehr gibt. Das Bild des Stabmagneten im Erdinneren ist dann komplett falsch, es sieht dann eher so aus als wären überall in der Erde jede Menge Magnete verteilt und es kann dann auch mehr als nur einen magnetischen Nord- und Südpol geben. Die Feldlinien des Erdmagnetfeldes laufen dann auch nicht mehr schön ordentlich von Nord nach Süd, sondern wild kreuz und quer. In dieser Phase ist das Erdmagnetfeld enorm schwach bzw. fast gar nicht mehr vorhanden. Danach baut es sich aber wieder auf, diesmal mit umgekehrter Polung. Die wilden Feldlinien ordnen sich wieder und wir kriegen ein neues Magnetfeld bei dem dort ein magnetischer Nordpol ist wo früher ein Südpol war und umgekehrt.
Beim Polsprung wird das Magnetfeld chaotisch (Bild: NASA, gemeinfrei
Wie lange so ein Polsprung dauert ist unklar. Aber auf jeden Fall Jahrhunderte, wenn nicht Jahrtausende. Was wir definitiv wissen ist, dass so etwas in der Vergangenheit der Erde schon oft stattgefunden hat. Im Schnitt polt sich das Erdmagnetfeld alle 250.000 Jahre um. Womit wir bei den fossilen Magnetfelder und den Bakterien angelangt wären. Es klingt zwar seltsam, aber wir können herausfinden, wie das Magnetfeld der Erde in der Vergangenheit ausgesehen hat. Dazu braucht man altes Gestein. Das war irgendwann aber mal jung, zum Beispiel weil es als Lava aus dem Erdinneren gekommen ist. Bestimmte Gesteine enthalten kleine magnetische Eisenteilchen. Die richten sich entlang des Erdmagnetfeldes aus, solange sie noch können. Wenn die Lava dann aber zu Gestein erstarrt, können sie ihre Position nicht mehr ändern. Egal was das Erdmagnetfeld danach macht: Die kleinen Partikel im Gestein behalten ihre Richtung bei und wenn wir sie entsprechend analysieren und das Alter des Gesteins bestimmen können wir herausfinden, wie das Magnetfeld früher ausgesehen hat. Bei der Orientierung im Magnetfeld der Vergangenheit können uns aber auch Bakterien helfen. Manche von ihnen enthalten ebenfalls kleinste Kristalle die Eisen enthalten. Damit können die Bakterien Magnetfelder spüren was sie nutzen, um sich zu orientieren und sich in die Richtung zu bewegen, wo sie die besten Nährstoffe finden. Das sind meist die tieferen Schichten von Gewässern und wenn die Bakterien dort irgendwann sterben, lagern sich die Magnetpartikel in ihrem Inneren dort ab – ausgerichtet entlang des Magnetfeldes das zu diesem Zeitpunkt geherrscht hat. Die Sedimentschichten am Boden der Gewässer versteinern im Laufe der Zeit und wieder haben wir in diesem Gestein jede Menge winzige Kompassnadeln die uns zeigen, was wir wissen wollen.
Aus der Untersuchung des Magnetfeldes der Vergangenheit – diese Phänomen wird übrigens “Paläomagnetismus” genannt – wissen wir also, wann und wie oft die magnetischen Pole getauscht worden sind. Und die Frage die jetzt noch bleibt lautet natürlich: Ist das gefährlich für uns? Eher nicht. Was man ja auch schon daran sieht, dass so etwas ein paar Mal alle Million Jahre vorkommt; das Leben auf der Erde aber schon tausend mal länger existiert, nämlich seit ein paar Milliarden Jahren. Natürlich ist das Magnetfeld wichtig für uns. Es schützt uns vor der für Lebewesen gefährlichen kosmischen Strahlung aus dem Weltall. Aber erstens verschwindet das Magnetfeld bei einem Polsprung nicht komplett. Und zweitens schützt uns auch die Atmosphäre der Erde vor der kosmischen Strahlung. Die Strahlenbelastung steigt zwar während eines Polsprungs; es ist nicht unwahrscheinlich dass es da zu einer erhöhten Mutationsrate bei den Lebewesen kommt. Aber aussterben werden wir dadurch nicht. Tragisch wäre es nur, wenn das Magnetfeld komplett und dauerhaft verschwinden würde. Aber ein Polsprung ist ja nur eine kurze Phase; danach kriegen wir unser Magnetfeld wieder zurück.
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