1. Das Magnetfeld: Allgemeine Bemerkungen
Die
nachstehenden Ausführungen gehen nicht davon aus, das Magnetfeld damit zu
erklären, dass irgendwoher gekommene magnetische Störungen oder irgendein
undefiniertes magnetisches Anfangsfeld durch ebenso undefinierte physikalische
Wirkungen das Magnetfeld erzeugen würden. Das Magnetfeld der Erde auf ein
wesentlich kleineres Magnetfeld zurückzuführen kann keine Begründung sein.
Woher sollte auch das kleinere gekommen sein? Der Maßstab für Kleinheit ist
zudem unbestimmt, wie Klein und Groß im physikalischen Sinne überhaupt
unbestimmt sind. Deshalb wird im Folgenden das derzeitige Magnetfeld ausgehend
von einem Null-Magnetismus begründet. Die Abgrenzung in einzelne Zustände erfolgt
nur symbolisch zum besseren Verständnis der Gesamtentwicklung und beinhaltet
keine definierten Zeitabschnitte. Lage und Form wurden nach den realen
Gegebenheiten angenommen. Apropos reale Gegebenheiten: In allen
veröffentlichten Bildern aus den unterschiedlichsten Quellen ist das
Erdmagnetfeld fälschlicherweise so dargestellt, als ob es aus dem Erdinneren
käme. Der wirkliche Feldverlauf ist aber ein anderer. Außerdem wird das Feld in
der Nähe der Oberfläche von den magnetischen Materialien der Kruste beeinflusst,
was sich allerdings kaum bestimmen und darstellen lässt.
2. Das Urmagnetfeld
Um zu den wahren
Ursachen des Erdmagnetfeldes zu kommen, muss man gedanklich mit einem Zustand
der Erde beginnen, als es noch keinen Magnetismus gab. Die Erde kreiselte
zuerst ohne Magnetfeld (theoretisch) um
die Sonne und wird von ihr beschienen. Der Sonnenschein ist nicht nur Schein,
sondern eine kompliziert zusammengesetzte Strahlung, auch Solarstrahlung
genannt.
Infobox: Die Solarstrahlung setzt sich zusammen aus Röntgenstrahlung, ultravioletter Strahlung, sichtbarem Licht, infraroter Strahlung, Radiostrahlung, Korpuskularstrahlung und Sonnenwind. Der Sonnenwind ist ein Strom geladener Teilchen, der ständig von der Sonne in alle Richtungen strömt. Er besteht hauptsächlich aus der gleichen Anzahl von Protonen und Elektronen (ionisierter Wasserstoff) sowie aus 8 bis 13 % Alphateilchen (Helium-4-Atomkerne mit je zwei Protonen, ohne Elektronen).
Eigentlich
müsste der Sonnenwind zur Korpuskularstrahlung gerechnet werden, weil die
Protonen und Elektronen neben ihrer elektrischen Ladung und ihrem magnetischen
Moment auch eine bestimmte Masse aufweisen. Die Protonen sind 1.835-mal
schwerer als die Elektronen, ihre magnetischen Momente dagegen 658,5-mal
kleiner. Dieser Sonnenwind stellt mit seinen elektrischen Ladungen und
magnetischen Momenten den Hauptteil der Solarstrahlung dar. Die Mischung aus
Protonen und Elektronen, auch Plasma genannt, trifft ununterbrochen auf die
Erde – mit natürlichen Schwankungen, aber doch voller Kraft. Bis zur Erde
fliegen die Teilchen gemischt und ungestört von äußeren Einflüssen oder von
gegenseitigen Wirkungen mit durchschnittlich 500 km/s auf hauptsächlich geraden
Bahnen. In der Nähe der Erde ändern sich die Flugverhältnisse grundsätzlich.
Die unterschiedlichen Ladungen werden getrennt. Während die schweren Protonen
aus einem wesentlich größeren Raum als dem Erddurchmesser von der Gravitation
der Erde eingefangen und auf der Erdoberfläche mitgenommen werden, bilden die
leichten Elektronen eine über der Erde schwebende Stauwolke auf der Sonnenseite
der Erde. Diese Konstellation entspricht der eines Elektromagneten, weil:
• die Protonen mit der Erdoberfläche als
Magnetkern rotieren (mit 454 m/s am Äquator);
• die Elektronen in Form der
Elektronenwolke mit Abstand von der Erdoberfläche (dem Magnetkern) angehäuft
sind;
• es nach Einstein
(https://www.amazon.de/Einsteins-Annus-mirabilis-Schriften-revolutionierten/dp/3499609347) gleichgültig ist,
ob sich die Elektronen in Ruhe befinden und der Kern in Bewegung ist, oder ob
sich die Elektronen um einen sich in Ruhe befindlichen Kern bewegen.
Das
bedeutet insgesamt, wenn man sich die Erde in Ruhe seiend vorstellt, dass sie
von einem Strom geladener Teilchen von Osten nach Westen mit viel mehr als 0,5
km/h umströmt wird wie von einem Ringstrom. Im Inneren dieses Stromrings
entsteht das Magnetfeld, welches vom arktischen zum antarktischen Pol gerichtet
ist. Es weist noch nicht die tatsächliche Feldstärke auf, ist aber ein
magnetisches Ausgangsfeld – nicht zu verwechseln mit dem undefinierten
Anfangsfeld im Erdkern, welches im Zusammenhang mit dem GD behauptet wird.
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© Carl Niemann: Das
Urmagnetfeld |
3. Das Folgemagnetfeld
Nachdem
nun die Erde von einem Ausgangsfeld geringer Stärke umgeben ist, treffen die
Elektronen und Protonen des Sonnenwindes auf dieses in weit den Weltraum
hinausreichende Feld. Im Gegensatz zu den allgegenwärtigen Darstellungen in
Lehrbüchern und Internetbeiträgen, verformt nicht der Sonnenwind das massefreie
Kraftfeld, sondern die in das magnetische Feld hineinfliegenden Ladungen werden
nach Lorentz bezüglich ihrer Flugrichtung abgelenkt. Die Ablenkung gilt sowohl
für die Protonen als auch die Elektronen gleichermaßen. Im Folgenden werden nur
die Elektronen betrachtet, weil die Protonen einerseits wegen ihrer geringen
magnetischen Momente weniger abgelenkt werden sowie andererseits wegen ihrer
größeren Masse näher zur Erde gravitieren. Wenn die Elektronen von der Sonne
kommend im äquatorialen Bereich auf das Erdmagnetfeld treffen, also
rechtwinklig zur Feldrichtung abgelenkt werden, bilden sie einen äquatorialen Strom
rings um die Erde. Die Elektronen, die geradewegs nördlich und südlich
(geografisch) nahe an der Erde vorbeifliegen und auf die Feldrichtung treffen,
die mit der Flugrichtung gleich ist, werden nicht abgelenkt, sondern fliegen in
Feldrichtung weiter bis in die Atmosphäre, wo sie das Polarlicht über der
nördlichen und südlichen Breite von etwa 70° verursachen. Die Elektronen, die
geradewegs nördlich und südlich (geografisch) weiter außen an der Erde
vorbeiströmen, treffen auf Feldrichtungen, die verschieden schräg und immer
schwächer werdend verlaufen. Das hat zur Folge, dass die Elektronen
spiralförmig mit wachsendem Radius in Richtung der schwächeren Feldseiten
abgelenkt werden und damit den Raum der Erde wieder verlassen. Der
übriggebliebene Ringstrom im Bereich des rechtwinkligen äußeren Magnetfeldes
hat zur Folge, dass sich ein stärkeres Magnetfeld herausbildet, eben das
Folgemagnetfeld, nach der gleichen Weise, wie bereits im vorangegangenen
Kapitel beschrieben.
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© Carl Niemann: Das Folgemagnetfeld |
4. Das geregelte, rezente Magnetfeld – der Plasmadynamo
Die Entwicklung vom Ausgangsmagnetfeld zum Folgemagnetfeld ist durch eine deutliche Verstärkung der magnetischen Flussdichte rings um die Erde gekennzeichnet. Damit werden immer mehr Ladungen in den mittleren Breiten eingefangen und der Ringstrom verstärkt sich ständig. Andererseits verlassen auch zunehmend mehr Elektronen auf ihren spiralförmigen Bahnen über den Polen den Bereich der Erde. Die ebenfalls immer größer werdende Menge an Protonen bildet in geringerem Abstand zur Erde als die Elektronen ebenfalls einen Ringstrom. Der entgegengesetzte Ringstrom der Protonen wirkt der Gesamtmagnetisierung entgegen, allerdings nur in sehr geringem Maße, weil die magnetischen Momente der Protonen ja wesentlich geringer sind als die der Elektronen. Die Ladungen und Kräfte regeln sich schließlich auf einen stabilen Zustand ein. Mit anderen Worten: Nimmt der Sonnenwind zu, werden Magnetfeld und Gegenmagnetisierung stärker. Nimmt der Sonnenwind ab, werden Magnetfeld und Gegenmagnetisierung schwächer. Es bildet sich eine im Mittel gleichbleibende Stärke des Magnetfeldes heraus, ein sich selbst regulierendes System, durch welches die Schwankungen des Sonnenwindes in ihrer Wirkung auf die Erde gemildert werden – das sich selbst regulierende, rezente Magnetfeld der Erde.
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© Carl Niemann: Das rezente Magnetfeld- Der Plasmadynamo |
Als
erstes und hauptsächliches Detail ist der Van-Allen-Strahlungsgürtel zu nennen.
Dieser besteht aus zwei Strahlungszonen Elektronen und Protonen:
• Die innere erstreckt sich von 700 bis
6.000 km über der Erdoberfläche und besteht hauptsächlich aus Protonen.
• Die äußere erstreckt sich von 16.000
bis 58.000 km über der Erdoberfläche und enthält vorwiegend Elektronen.
Die
Strahlungszonen schwellen und schrumpfen in Abhängigkeit von der Stärke des
Sonnenwinds. Somit repräsentiert der Van-Allen-Strahlungsgürtel in deutlicher
Weise die aus dem Sonnenwind gebildeten Ringströme und beweist außerdem die
Größenverhältnisse des geregelten, rezenten Magnetfeldes.
Ein
zweites Detail wäre das sogenannte System folgender atmosphärischer Ströme:
• Birkelandströme, die den Hauptanteil
der elektrischen Ströme in der Ionosphäre bilden
• Pedersenströme, die angeblich in
Nord-Süd-Richtung fließen würden
• Hallstrom (polarer Elektrojet), der
sich im Bereich der Polarlichter in West-Ost-Richtung bewegt
Bei
diesen Strömen handelt es sich allerdings nur um modifizierte Darstellungen der
vom Erdmagnetfeld durch die Lorentzkraft um die Erde herum gelenkten Ströme
geladener Teilchen des Sonnenwindes.
Ein drittes Detail betrifft die Definition einer Plasmasphäre. Der innere Teil der Magnetosphäre wäre von einem relativ kühlen Plasma aus Elektronen und Protonen erfüllt. In Richtung Sonne läge die äußere Grenze der Plasmasphäre in einer Höhe von etwa 28.000 km, auf der Nachtseite bei etwa 50.000 km. Satellitenbeobachtungen haben gezeigt, dass sich Dichteunregelmäßigkeiten wie Wolken oder Fehlstellen bilden können und dass die Plasmasphäre nicht mit der Erde mit rotiert, sondern in Richtung Sonne gerichtet bleibt. Diese Plasmasphäre stellt nichts anderes dar als den Inhalt des Van-Allen-Strahlungsgürtels. Sie zeigt außerdem ebenfalls, dass der Sonnenwind nicht die Magnetosphäre auf der Sonnenseite staucht und auf der Nachtseite zu einem Magnetschweif auseinanderzieht, sondern dass entsprechend dem Magnetfeld die von der Erde gestauten und eingefangenen elektrisch geladenen Teilchen um die Erde herumwirbelnde Wolken bilden, eben die Plasmasphäre. An dieser Stelle bietet es sich geradezu an, den Mechanismus der Magnetfelderzeugung mit diesem Plasma des Sonnenwindes als Plasmadynamo (PD) zu benennen.
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