Planetare Dynamos

Forschungsbericht (importiert) 2005 - Max Planck Institut für Sonnensystemforschung

Autoren
Christensen, Ulrich; Wicht, Johannes; Fränz, Markus
Abteilungen
Physik der Planeten und Kometen (Prof. Dr. Ulrich Christensen)
MPI für Sonnensystemforschung, Katlenburg-Lindau
Zusammenfassung
Fast alle Planeten in unserem Sonnensystem besitzen oder besaßen ein Magnetfeld. Die Verschiedenartigkeit der Felder lässt auf unterschiedliche dynamische Vorgänge in den Planeten schließen. Ihre Erforschung mittels Planetenmissionen und Computersimulationen ist darum ein wichtiges Werkzeug, das uns Einblicke in die inneren Vorgänge der Himmelskörper ermöglicht. Diese kurze Einführung bietet einen Einblick in die Aktivitäten am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und legt den Schwerpunkt auf Computermodelle, bei denen in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt wurden.

Das Magnetfeld der Erde

Das Magnetfeld der Erde wird seit vier Jahrhunderten mit zunehmender Präzision vermessen. Aufgrund seiner Bedeutung für die Navigation begann man recht früh, seine Richtung zu kartieren. Heute vermessen drei Forschungssatelliten das geomagnetische Feld mit nie gekannter Präzision. Im Wesentlichen entspricht es dem Feld eines leicht gegen die Rotationsachse geneigten Stabmagneten, dem klassischen Dipolfeld. Genauer betrachtet lassen sich jedoch auch Beiträge höherer Multipole identifizieren, die zu einer komplexeren Struktur führen. Wir wissen auch, dass sich das Erdmagnetfeld im Zeitraum von Jahrzehnten bis Jahrhunderten merklich verändert. Besonders auffällig ist, dass der Dipolanteil in den letzten 150 Jahren um etwa 10% schwächer geworden ist. Setzt sich dieser Trend fort, so wäre er in etwa 2000 Jahren ganz verschwunden.

Paläomagnetische Untersuchungen an magnetisierten Gesteinen erlauben es, die Kenntnis über das Erdmagnetfeld bis in die ferne geologische Vergangenheit auszudehnen. Kleine Mengen von eingelagerten ferromagnetischen Mineralien konservieren Richtung und Stärke des bei der Bildung des Gesteins herrschenden Erdmagnetfeldes. Gesteine aus verschiedenen Epochen der Erdgeschichte bilden ein weit zurück reichendes geomagnetisches Archiv. Dieses Archiv belegt, dass sich das Magnetfeld im Laufe der Erdgeschichte viele Male umgepolt hat. Umpolungen sind jedoch kurze, seltene Ereignisse. Sie dauern typischerweise nur einige tausend Jahre, während Perioden mit einer stabilen Dipolrichtung mehrere hunderttausend Jahre andauern können.

Magnetfelder anderer Planeten

Unbemannte Raumsonden haben gezeigt, dass Magnetismus ein im Planetensystem häufiges, aber kein allgemeines Phänomen ist. Unsere planetaren Nachbarn, Venus und Mars, besitzen kein globales Magnetfeld. Die starke Magnetisierung von sehr alten Teilen der Marskruste legt aber nahe, dass der Planet in seiner Frühgeschichte ein starkes inneres Magnetfeld besaß. Beim kleinen Merkur fand man unerwarteterweise ein Dipolfeld, allerdings ist die Feldstärke an der Planetenoberfläche hundert Mal schwächer als bei der Erde. Jupiters Magnetfeld hingegen ist etwa zehnmal stärker als das der Erde, die Neigung des Dipols gegen die Rotationsachse beträgt jedoch bei beiden Planeten etwa 10°. Saturns Magnetfeld wiederum ist zwar ähnlich stark wie das der Erde, Dipolachse und Rotationsachse scheinen jedoch übereinzustimmen, zudem ist das gesamte Magnetfeld fast rotationssymmetrisch. Auch die Felder von Uranus und Neptun haben eine vergleichbare Amplitude, werden aber nicht vom Dipolanteil dominiert, zudem ist der Dipol stark gegen die Rotationsachse verkippt.

Der Dynamo

Wie entsteht das Magnetfeld der Erde und der übrigen Planeten? Was bestimmt seine Stärke? Lassen sich die Eigenschaften der verschiedenen Magnetfelder im Detail verstehen? Im 20. Jahrhundert hat sich in einem langwierigen Prozess die Dynamotheorie zur Erklärung natürlicher Magnetfelder im Kosmos durchgesetzt. Im Inneren der Planeten gibt es fluide und elektrisch gut leitende Regionen. Bei der Erde und den anderen erdähnlichen Planeten ist es der flüssige Eisenkern, bei Jupiter und Saturn Wasserstoff in seiner metallischen Hochdruckform und im Inneren von Uranus und Neptun ein Gemisch aus Wasser, Ammoniak und anderen Komponenten, das bei hoher Temperatur und hohem Druck eine gute Ionenleitfähigkeit aufweist. Fließt ein solches Medium in einem bereits vorhandenen Magnetfeld, so werden durch elektromagnetische Induktion elektrische Ströme erzeugt. Wenn das mit diesen Strömen verbundene Magnetfeld gerade das zur Induktion benötigte Feld reproduziert, spricht man von einem selbsterhaltenden Dynamo. Angetrieben werden die Fließbewegungen durch Konvektion, also durch thermische oder chemische Dichteunterschiede in der Dynamoregion.

Alle Generatoren wie auch der Fahrraddynamo beruhen auf dem gleichen Prinzip, funktionieren aber nur wegen der zweckmäßigen Anordnung des elektrischen Leiters, etwa in Form von Spulen. Die Kerne der Planeten stellen dagegen nahezu homogen leitende Kugeln oder Kugelschalen dar. Die verschiedenen Teile des Dynamos sind sozusagen kurzgeschlossen. Ob solche homogenen Dynamos überhaupt funktionieren können war längere Zeit unklar. Erst um 1960 wurden die ersten theoretischen Beispiele für funktionierende homogene Dynamos gefunden. Weitere 35 Jahre mussten vergehen, bis die ersten realistischen Computersimulationen für den Geodynamo publiziert wurden. In den letzten zehn Jahren befindet sich die Modellierung planetarer Dynamos in einer raschen Entwicklung, zu der Arbeiten am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung einen wesentlichen Anteil geleistet haben.

Das obere Bild zeigt die Vertikalkomponente des Erdmagnetfeldes im Jahr 1990 an der Grenze des Erdkerns, berechnet aus Beobachtungen an der Oberfläche und von Satelliten aus. Strukturen mit Ausdehnungen kleiner als 3000 km werden nicht gezeigt, da sie sich nicht aus den Daten berechnen lassen. Die Beiträge höherer Multipole sind an der Kerngrenze viel stärker als auf der Erdoberfläche. Das mittlere Bild zeigt das Magnetfeld eines Dynamomodells in voller Auflösung. Es enthält zahlreiche kleinräumige Strukturen. Dasselbe Magnetfeld ist im unteren Bild so geglättet, dass seine Auflösung der des Erdmagnetfeldes im oberen Bild entspricht. In ihrer prinzipiellen Struktur ähneln sich diese beiden Bilder stark.

Die meisten numerischen Simulationen beziehen sich auf den Geodynamo, da das Erdmagnetfeld am besten bekannt ist. Verschiedene seiner Eigenschaften werden von den Modellen gut reproduziert. Abbildung 1 zeigt, dass über den dominierenden Dipolanteil hinaus viele Details denen des Erdmagnetfeldes nahe kommen. Auch die zeitlichen Variationen des geomagnetischen Feldes, von Schwankungen im Bereich von Jahrhunderten bis hin zu Umpolungen, werden von einigen Modellen überzeugend wiedergegeben.

Skalierung zum Erfolg

Die Erfolge der Simulationen sind etwas überraschend, da die Computermodelle mit einigen unrealistischen Annahmen arbeiten müssen. Beispielsweise wird eine um viele Größenordnungen zu hohe Zähigkeit angenommen, um die kleinräumigen turbulenten Wirbel in der Strömung zu unterdrücken, die sich auf den in heutigen Computern realisierbaren Modellgittern nicht darstellen lassen. Andererseits wissen wir, dass die Viskosität in den Dynamoregionen der Planeten vernachlässigbar klein ist. Kann es sein, dass manche Eigenschaften der Modelle nur durch einen glücklichen Zufall mit der Beobachtung übereinstimmen, während man anderen Aspekten vielleicht nicht trauen kann?

Um diese Frage zu klären wird am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in umfangreichen Modellserien untersucht, wie sich die charakteristischen Eigenschaften des Dynamos mit den Kontrollparametern ändern. Dabei zeigt sich, dass die Viskosität, obwohl sie viel zu groß gewählt wurde, keinen entscheidenden Einfluss auf die Magnetfelderzeugung hat. Eine wichtige Kenngröße ist der Energiebedarf eines homogenen Dynamos. Die Vielzahl der Modelle erlaubte es, hierfür ein Gesetz aufzustellen, das sich anhand des Karlsruher Dynamoexperiments verifizieren ließ (Abb. 2). Dieses Experiment arbeitet mit flüssigem Natrium, dessen Viskosität der des flüssigen Eisens im Erdkern ähnelt. Die gute Übereinstimmung des Energiebedarfs des Karlsruher Dynamos mit der Vorhersage aus den Modellen legt nahe, dass die Turbulenz in der Natriumströmung keine wesentliche Rolle spielt. Für den Geodynamo sagt das Gesetz einen Energiebedarf in Höhe von 200 – 500 GW voraus, so viel wie einige Hundert Kraftwerke erzeugen. Dies ist deutlich weniger als in früheren Abschätzungen und lässt sich mühelos aus der langsamen Abkühlung des Erdkerns gewinnen. Besondere Energiequellen sind nicht nötig.

Das Karlsruher Dynamoexperiment. Flüssiges Natrium wird durch ein System von Stahlröhren gepumpt. Die elektrische Leitfähigkeit der zylinderförmigen Anordnung ist nahezu homogen. Bei hoher Pumpleistung entsteht ein selbsterhaltendes Magnetfeld, das um ein vielfaches stärker ist als das Erdmagnetfeld.

Was bestimmt die Stärke des erzeugten Magnetfeldes? Das ist eine der Schlüsselfragen der Dynamotheorie. Bisher wurde meist angenommen, dass das Magnetfeld gerade so stark wird, dass sich die elektromagnetische Kraft und die rotationsbedingte Corioliskraft die Waage halten. Unsere Modellergebnisse bestätigen dies nicht. Vielmehr legen sie nahe, dass der zur Verfügung stehende Energiefluss die magnetische Feldstärke kontrolliert. Wenn man diese Regel auf die Planeten Erde und Jupiter anwendet, bei denen sich die Energieflüsse abschätzen lassen, ergeben sich plausible Feldstärken im Inneren der jeweiligen Dynamoregion. Beim Jupiter liegt sie um einen Faktor acht höher als bei der Erde in Übereinstimmung mit der etwa zehn Mal höheren Feldstärke an der Oberfläche jenes Planeten.

Saturn ist anders

Für den Saturn ist die Übereinstimmung weniger gut. Die nahezu achsensymmetrische Struktur des Magnetfeldes, die unlängst von der Cassini-Mission bestätigt wurde, lässt vermuten, dass hier ein anderer Typ von Dynamo am Werke sein könnte, denn ein so einfaches Feld ist untypisch für konvektionsgetriebene Dynamos. Unsere Simulationen zeigen, dass differentielle Rotation hier die Antwort sein könnte. Abbildung 3 zeigt das Magnetfeld, das entsteht, wenn man die innere Begrenzung der Dynamoregion schneller rotieren lässt als die äußere. Wie das Feld des Saturns ist es sehr achsensymmetrisch und einfach strukturiert. Während im Computermodell die unterschiedlichen Rotationsraten einfach vorgegeben werden, ist nicht völlig klar, welcher Effekt differentielle Rotation in Saturn verursachen könnte. Ein möglicher Kandidat ist ein Heliumregen, der Drehimpuls aus der oberen Atmosphäre in tiefere Regionen transportiert. Differentielle Rotation ist auch der Mechanismus, der die im Bau befindlichen Dynamoexperimente der nächsten Generation antreiben soll. Die Simulation dieser Experimente war das primäre Ziel unserer Rechnungen, das Modell für den Saturndynamo ergab sich gewissermaßen als Nebenprodukt.

Magnetische Feldlinien in einem Dynamomodell, in dem die Strömung durch differentielle Rotation zwischen der inneren Begrenzung und der äußeren Begrenzung getrieben wird (von letzterer werden nur die Polkappen dargestellt). Die Magnetfeldlinien entweichen aus der Dynamoregion hauptsächlich in zwei eng begrenzten magnetischen Flussbündeln an den Polen. Das Magnetfeld im Außenraum ist dadurch sehr stark achsensymmetrisch, so wie es im Fall des Planeten Saturn beobachtet wird.

Das Magnetfeld als Schutzschild

Wir sind noch ein gutes Stück von dem Ziel entfernt, die vielfältigen Erscheinungsformen des planetaren Magnetismus qualitativ und quantitativ vollständig erklären zu können. Numerische Simulationen spielen inzwischen aber eine entscheidende Rolle auf dem Weg dorthin. Die planetaren Magnetfelder haben eine wichtige Funktion – sie halten die energiereiche Partikelstrahlung des Sonnenwindes ab, welche unter anderem eine Gefahr für technische Systeme darstellt. In Gebieten wie dem Südatlantik, wo das Erdmagnetfeld relativ schwach ist und seine Stärke langsam weiter abnimmt, sind Satelliten bei heftigen Eruptionen auf der Sonne einer stark erhöhten Strahlenbelastung ausgesetzt. Da der Marsdynamo vor langer Zeit aufgehört hat zu arbeiten, kann der Sonnenwind ungehindert auf die Atmosphäre des Planeten prallen und Bestandteile der oberen Atmosphäre erodieren. Dies belegen Messungen von Partikelsensoren auf der Mars- Express-Mission, die mit Beteiligung des MPS gebaut wurden (Abb. 4). Ein Magnetfeld kann also entscheidend für die langfristige Entwicklung von Planetenatmosphären und somit für das Entstehen lebensfreundlicher Umweltbedingungen sein.

Einfach geladene Sauerstoff-Ionen im Mars-nahen Weltraum beobachtet vom Aspera-3-Experiment auf dem europäischen Mars-Express-Satelliten. Gezeigt werden mittlere Zählraten von O+-Ionen in Abhängigkeit von Sonnenrichtung (oben) und Abstand von Mars. Die Hilfslinien bezeichnen die Bugstoßwelle des Sonnenwindes und die Grenzschicht der Ionosphäre (Ionopause) des Mars. Der Abfluss von atmosphärischen Ionen erfolgt im Schatten des Mars und entlang der Ionopause.
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