Standort: science.ORF.at / Meldung: "Als die Erde mit der Sonne "kämpfte""

Künstlerische Darstellung einer größeren Aurora borealis vor 3,5 Milliarden Jahren

Als die Erde mit der Sonne "kämpfte"

Die Erde ist von einem Magnetfeld umgeben, das sie vor Sonnenwinden schützt. Das war aber nicht immer so, zeigt eine neue Studie. Ihr zufolge war das Feld vor 3,5 Milliarden Jahren nur halb so stark wie heute. Und die hochenergetischen Teilchen der noch jungen und sehr aktiven Sonne bedrohten damals die Atmosphäre unseres Planeten.

Erdmagnetfeld 05.03.2010

Schützender Mantel

Solarwinde können einem Planeten Wasser entziehen und ihn seiner Atmosphäre berauben, in der Folge wäre er der tödlichen kosmischen Strahlung ausgeliefert. Davor schützen kann ihn aber seine Magnetosphäre. Laut den Forschern rund um John Tarduno von der University of Rochester besaß etwa auch der Mars in seinen frühen Jahren eine solche. Erst als diese verloren ging, zerstörte das kosmische Bombardement die Atmosphäre. So wurde aus dem Planeten ein unwirtlicher und unbewohnbarer Ort.

Auch auf der Erde gäbe es ohne diesen schützenden Mantel kein Leben, es hätte sich gar nicht erst entwickeln können. Unser Heimatplanet hat dank seiner Magnetosphäre sowohl seine Atmosphäre als auch ausreichend Wasser behalten. Über deren Stärke und Beschaffenheit in den frühen Jahren weiß man jedoch recht wenig. Sie zu rekonstruieren ist nämlich nicht ganz einfach.

Suche nach dem Körnchen "Wahrheit"

Die Studie in "Science": "Geodynamo, Solar Wind, and Magentopause 3.4 to 3.5 Billion Years Ago" (sobald online)von John A. Tarduno et al.

Forscher haben nun Gesteinsproben aus Südafrika analysiert, die mehr als drei Milliarden Jahre alt sind. Es handelt sich um ein spezielles magmatisches Gestein namens Dazit. Dieses enthält nur wenige Millimeter kleine Quarzkristalle, die wiederum winzige, nur einige Nanometer große magnetische Einschlüsse in sich tragen.

Fundstelle von magmatischen Gestein

J. Tarduno

Hier haben die Forscher ihre seltenen Gesteinsproben gefunden.

Darin befindet sich laut den Forschern eine detaillierte Aufzeichnung des frühzeitlichen Magnetfelds. Während das noch flüssige Magma sich langsam zum Stein abkühlte, hat es sozusagen die Stärke des Erdmagnetfelds "eingefroren". Der Haken daran: Die Steine haben natürlich Milliarden Jahre geologischer Aktivität er- und durchlebt. Eine zwischenzeitliche Wiedererwärmung könnte also die ursprüngliche Magnetisierung verändert haben.

Um derartige Falschbelege zu reduzieren, haben die Forscher nur bestimmte Proben des ohnehin schon raren Gesteins ausgewählt: besonders gut erhaltene 3,5 Milliarden Jahre Exemplare von Feldspat- und Quarzkörnern.

Deutlich schwächere Magnetisierung

Ein weiteres Problem: Theoretisch könnten auch Sonnenwinde das magnetische Feld im Inneren des Gesteins induziert haben. Messungen schließen diese Möglichkeit aber aus. Dafür verwendeten die Forscher einen speziellen superempfindlichen Sensor, einen sogenannten SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Damit lassen sich selbst sehr schwache magnetische Felder messen.

Die Messungen zeigen, dass die Magnetisierung des Gesteins in jedem Fall viel zu stark ist, als dass sie durch die Interaktion der Sonnenwinde mit der Atmosphäre entstanden sein könnte. Die gemessene Stärke entspricht ungefähr 50 Prozent des heutigen Erdmagnetfelds.

Von der Sonne "verweht"

Das ist laut den Wissenschaftlern aber nur eine Teilantwort. "Denn die Variation in der Stärke des Magnetfelds ist nichts Ungewöhnliches, auch in den letzten 300 Millionen Jahren gab es vergleichbare Schwankungen", so John Tarduno gegenüber science.ORF.at. Um wirklich nachzuvollziehen, was sich damals in unserer Atmosphäre abspielte, war zusätzlich eine Rekonstruktion der damaligen Sonnenaktivität notwendig.

Diese versuchte einer der Ko-Autoren, der Astronom und Physiker Eric Mamajek anhand ihrer Röntgenstrahlung zu ermitteln. Sie sei ein genaueres Maß für die Strahlung eines Stern als dessen Helligkeit (die übrigens vor 3,5 Mrd. Jahren ein Viertel geringer als heute war).

"Wir schätzen, dass die Sonnenwinde damals um einige Größenordnungen stärker gewesen sein müssen", so Mamajek. Dieser Umstand hat die Lage für unseren jungen Planeten noch weiter dramatisiert: Vermutlich war die Grenze des Erdmagnetfelds, wo die solaren Wind sozusagen abgewehrt werden, nur halb so weit von der Erde entfernt wie heute.

"Das bedeutet, dass die hochenergetischen Teilchen der Sonne viel öfter die Erde erreicht haben und flüchtige Moleküle wie etwa Wasserstoff 'verweht' wurden", so Tarduno. Möglicherweise gebe es heute aus diesem Grund weniger Wasser auf der Erde als damals.

Nordlichter bis New York

Die Forscher vermuten, dass es auch viel mehr Polarlichter gegeben haben muss. Diese entstehen in der Nähe der Pole, dort, wo auch das Erdmagnetfeld einen seiner zwei Pole hat. Wenn die geladenen Teilchen der Sonnenwinde in diesem Bereich auf die Atmosphäre treffen, zeichnen die freigesetzten Photonen beeindruckende sich wandelnde Lichtmuster in den polaren Himmel.

Zu den Zeiten der schwächeren Magnetosphäre ist laut den Forschern das Gebiet, in welchem Sonnenwinde der Erdoberfläche so nahe kommen, wahrscheinlich drei Mal so groß gewesen. "In einer normalen Nacht vor 3,5 Milliarden Jahren konnte man die Aurora borealis vielleicht sogar noch im Raum des heutigen New York sehen", so Tarduno.

Eva Obermüller, science.ORF.at

Mehr zum Thema: