Die Erde hat ein eigenes Magnetfeld. Der ganze Planet kann wie ein grosser Stabmagnet modelliert werden.

Magnetischer Südpol und Nordpol beim Erdmagnetfeld
Magnetfeldlinien des Erdmagnetfelds: Der magnetische Südpol ist im Norden, etwas versetzt zum geografischen Nordpol
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Unsere Kompassnadeln sind kleine Permanentmagnete. Der Nordpol der Nadel zeigt immer zum Norden hin. Allerdings ist im Norden der magnetische Südpol, der den Nordpol der Kompassnadel anzieht. Die Bezeichnung “Nordpol” ist historisch bedingt und bezieht sich nun halt auf den Pol der Kompassnadel und nicht auf den magnetischen Pol, der im Norden liegt.

Die Erde hat ein eigenes Magnetfeld. Der magnetische Südpol liegt im Norden und zieht die Nordpole der Kompassnadel an, so dass sie gegen Norden zeigen. Genauso werden die Südpole der Kompassnadeln vom magnetischen Nordpol (im Süden) angezogen.

Die beiden magnetischen Pole weichen in ihrer Bezeichnung von den geografischen Polen ab. Ausserdem liegen die magnetischen Pole nicht genau über den geografischen Polen, sondern weichen mit hunderten von Kilometern davon ab.

Veränderungen des Erdmagnetfelds

Das Magnetfeld der Erde ist alles andere als ein starrer Permanentmagnet, denn im Verlauf der Erdgeschichte hat sich die Richtung des Erdmagnetfelds immer wieder verändert. Modellrechnungen besagen, dass das Magnetfeld der Erde ca. alle 250’000 Jahre seine Richtung komplett umkehrt. Die letzte Umpolung liegt nun aber auch schon gegen 780’000 Jahre zurück. Wann die nächste Umpolung stattfindet ist nicht vorhersagbar.

Die genaue Lage des magnetischen Südpols hat sich seit rund 400 Jahren immer wieder verändert. Momentan ist der magnetische Südpol vergleichsweise nahe am geografischen Nordpol der Erde, der durch die Eigenrotation der Erde definiert ist. Die kleine Abweichung des magnetischen Pols vom geografischen Pol (auch Deklination genannt) stellt für die meisten Breiten kein Problem dar. Im hohen Norden muss sie aber berücksichtigt werden. Für ihre Navigation müssen die Piloten von Kleinflugzeugen z.B. in Kanada und Alaska diese Abweichung berücksichtigen.

Stärke des Erdmagnetfelds

Das Magnetfeld der Erde ist am stärksten in der Nähe der beiden magnetischen Pole. Am Äquator ist das Erdmagnetfeld am schwächsten.

Aus Symmetriegründen verlaufen die Feldlinien am Äquator praktisch parallel zur Erdachse und somit zur Erdoberfläche. In Polnähe fallen sie praktisch senkrecht in den Pol ein oder kommen aus ihm heraus.

An der Erdoberfläche unterscheiden wir deshalb die horizontale Richtung des Magnetfelds (die wir mit dem Kompass anzeigen) und die vertikale Richtung, d.h. den Anteil, der zur Erde zeigt (oder aus ihr heraus). Beide Anteile können mit dem Satz des Pythagoras zur Gesamtstärke des Magnetfelds verrechnet werden:

\[ B = \sqrt{B_{\text{hor.}}^2 + B_{\text{vert.}}^2} \]

Stärke des Erdmagnetfelds

Nord- und Südpol: ca. $60 \mu\text{T}$ (fast ausschliesslich vertikal)

Äquator: ca. $30 \mu\text{T}$ (fast ausschliesslich horizontal)

Europa: ca. $48 \mu\text{T}$ (etwa $20 \mu\text{T}$ horizontal und ca. $44 \mu\text{T}$ vertikal)

Schutz vor kosmischer Strahlung und Sonnenwind

Das Erdmagnetfeld ist für das Leben auf der Erde essentiell. Es schützt uns vor geladenen Teilchen aus dem All, v.a. von freien Elektronen und Protonen aus dem Sonnenwind.

Die freien Ladungen treten in das Magnetfeld der Erde ein und werden durch die Lorentzkraft abgelenkt. Diese Ablenkungen bringen sie auf spiralförmige Bahnen zu den magnetischen Polen. Die meisten dieser Teilchen werden durch die Lorenztkräfte von der Erde abgedrängt, so dass sie nicht auf die Erde auftreffen.

In der Nähe der magnetischen Pole treffen die abgelenkten Teilchen auf ihren Spiralbahnen auf die Erdatmosphäre. Durch die Kollisionen werden die Atome und Moleküle der Atmosphäre angeregt und emittieren Farben, die wir im hohen Norden als Polarlichter (Aurora Borealis) beobachten können.

Erdmagnetfeld als Schutz der Erde vor Sonnenwind
Erdmagnetfeld als Schutz der Erde vor Sonnenwind
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Mars und Venus haben kein Magnetfeld und damit keinen Schutz vor kosmischer Strahlung, wie wir auf der Erde. Merkur hat nur ein sehr schwaches Magnetfeld. Es konnte festgestellt werden, dass Mars einmal ein Magnetfeld hatte. Die Bewegungen durch Konvektion des geschmolzenen Gesteins unter der erstarrten Kruste sind auf der Erde aktiver, als etwa auf dem Mars oder der Venus, womit die Erde ihr Magnetfeld aufbaut. Auch die Gasplaneten Jupiter und Saturn haben ein Magnetfeld. Dieses wird durch Konvektionsbewegungen der Gase unter sehr hohem Druck erzeugt.

Das Erdmagnetfeld bildet ein Schutzschild vor freien geladenen Teilchen, die im Sonnenwind enthalten sind oder die durch kosmische Strahlung auf die Erde auftreffen würden. Die Lorentzkraft bewirkt, dass diese freien Teilchen ablenkt werden. In der Nähe der Pole kollidieren abgelenkte Teilchen mit der Erdatmosphäre und erzeugen die Polarlichter.

Aufgabensammlung

  • Stromkabel (0139)