Über die Entstehung des Hauptmagnetfeldes gibt es verschiedene Theorien, wovon die sogenannte Dynamotheorie heute allgemein als zutreffend anerkannt ist. Der durch sie beschriebene Mechanismus eines magnetohydrodynamischen Dynamos wird auch als Geodynamo (oder genauer: als Geodynamo-Modell) der Magnetohydrodynamik bezeichnet.
Vereinfachte Illustration des Geodynamo-Mechanismus: Durch den Wärmefluss aus dem inneren Kern wird das flüssige Metall im äußeren Erdkern in Bewegung gesetzt (Konvektion) und durch die Corioliskraft zu schraubenförmiger Rotation gebracht. Die Wechselwirkung des sich bewegenden leitfähigen Materials mit dem Erdmagnetfeld erzeugt elektrische Ströme (Induktion), die wiederum eigene Magnetfelder erzeugen, die das Erdmagnetfeld aufrechterhalten. Somit ist der Prozess selbsterhaltend, sofern ausreichend Energie für die Konvektion zur Verfügung steht.[1]Anmerkung zur Begriffsbildung:
Die Bezeichnung Dynamotheorie lehnt sich an den Begriff Dynamoelektrisches Prinzip an, ein von Werner von Siemens und anderen erfundenes Prinzip einer speziellen Bauweise für einen technischen Gleichstromgenerator. Dabei wird das für die Stromerzeugung erforderliche Magnetfeld – mittels einer entsprechenden Schaltungsanordnung – durch den erzeugten Strom oder einen Teil davon durch positive Rückkopplung selbst erzeugt. In der Tatsache, dass es sowohl beim Dynamoelektrischen Prinzip als auch bei der Entstehung des Erdmagnetfeldes eine positive Rückkopplung gibt, erschöpft sich die wesentliche Parallele zwischen beiden schon. Im Erdinneren gibt es keine Strukturen, die mit denen eines technischen Gleichstromgenerators oder Dynamos vergleichbar wären. Es handelt sich dort um einen magnetohydrodynamischen Dynamo.
Die Dynamotheorie geht von dem als gesichert geltenden Aufbau des Erdinneren aus, insbesondere davon, dass eine große Menge einer elektrisch leitenden Flüssigkeit vorhanden ist. Diese Bedingung erfüllt der flüssige äußere Erdkern, der stark eisenhaltig ist und den inneren festen Kern aus nahezu reinem Eisen umschließt. Der Erdkern ist sehr heiß, einige Schätzungen liegen bei 5000 °C. Er ist also in etwa so heiß wie die Sonnenoberfläche. Eisen oder Nickel sind auch bei den hohen Drücken im Erdkern nicht (ferro-)magnetisierbar, weil die Temperatur weit über deren Curie-Temperaturen liegt. Damit sind diese Materialien dort nicht selbst ferromagnetisch, sondern fungieren nur als elektrische Leiter.
Des Weiteren geht die Dynamotheorie davon aus, dass Bewegungen der Materie im Erdkern stattfinden, in erster Linie die Konvektion. Das sind Strömungen flüssigen Materials, das von weiter innen liegenden heißeren Bereichen des Erdkerns zu weiter außen liegenden, weniger heißen Bereichen aufsteigt und nach Abkühlung wieder in heißere Bereiche absinkt. Diese Konvektionsströme werden infolge der Rotationsbewegung der Erde durch die Corioliskraft abgelenkt und auf Schraubenbahnen gezwungen. Bezüglich der Corioliskraft gibt es Parallelen zur Ablenkung von Luftmassen der Erdatmosphäre, wo sie die Rotation der Hoch- und Tiefdruckgebiete und der Wirbelstürme verursacht.
Chaotische Störung des Erdmagnetfeldes: Das Außenfeld lässt sich nicht mehr als Dipolfeld beschreiben.
Die Dynamotheorie beschreibt eine Stromerzeugung durch diese schraubenförmige Bewegung von elektrisch leitfähiger Materie. Diese haben wegen ihrer Bewegung in einem anfangs vorhandenen sehr schwachen Magnetfeld einen Induktionsstrom erzeugt, der sich durch positive Rückkopplung verstärkte, bis durch einen Begrenzungseffekt ein mehr oder weniger stabiler Zustand erreicht wurde. Es handelt sich sozusagen um einen selbsterregten Dynamo.
P. H. Roberts und G. A. Glatzmaier geben für die Bewegungen im flüssigen Kern eine Geschwindigkeit von wenigen Millimetern pro Sekunde an,[2] was etwa 100 km/Jahr entspricht.
Durch die turbulenten Strömungsverhältnisse im äußeren Erdkern sind tatsächliche Modellierungen durch Computersimulationen weit dynamischer als das hier beschriebene Modell.[3] Die komplexeren Modellierungen erlauben es aber, ein gutes Abbild der Wirklichkeit zu erzeugen – einschließlich der im Laufe der Erdgeschichte immer wieder auftretenden Umpolungen des Erdmagnetfeldes, wie sie beispielsweise am Mittelatlantischen Rücken ablesbar sind. Auch Laborexperimente mit flüssigem, strömendem Metall sind im Einklang mit der Dynamotheorie.
Zu dem Temperaturgefälle, das eine hinreichende Konvektion bewirkte, könnte die Ausfällungmagnesiumhaltiger Mineralien aus dem flüssigen frühen Erdkern beigetragen haben; das Magnesium könnte bei der angenommenen Kollision der Protoerde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren mit einem Himmelskörper von der Größe des Mars in den Kern gelangt sein.[4][5]
Neben der Konvektion findet im Erdkern auch eine Superrotation des festen inneren Erdkerns gegenüber seiner Umgebung statt. Es werden in der Literatur sehr unterschiedliche Beträge zwischen 0,02° und 2° pro Jahr angegeben.[6] Auch die Richtung – zurzeit rotiert der innere Kern schneller als der Mantel – soll nicht immer gleich gewesen sein. Jeweils in entgegengesetzter Richtung bewegen sich an der Erdoberfläche paläomagnetisch registrierte Unregelmäßigkeiten des Feldes. Die Modelle des Geodynamos liefern das für diese Bewegungen nötige Drehmoment zwischen dem inneren Erdkern und den äußersten Schichten des äußeren Erdkerns.[7]
↑Joseph G. O’Rourke, David J. Stevenson: Powering Earth’s dynamo with magnesium precipitation from the core. In: Nature. 529, 2016, S. 387, doi:10.1038/nature16495.
