Erdmagnetischen Feldvariationen: Dynamik und Auswirkungen

Das Erdmagnetfeld durchläuft kontinuierliche Schwankungen in seiner Morphologie und Stärke. Diese ereignen sich auf unterschiedlichsten Zeitskalen von Sekunden bis hin zu Jahrmillionen. Dieses Forschungsprojekt befasst sich mit der Säkularvariation, die Veränderungen des Erdmagnetfeldes im Zeitraum von Jahren bis Jahrtausenden beschreibt. Ziel ist es die zugrunde liegenden physikalischen Vorgänge, die ihren Ursprung im Geodynamo des Erdkerns haben, sowie deren Auswirkungen besser zu verstehen. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts werden Magnetfeldvariationen durch weltweit verteilte erdmagnetische Observatorien bestimmt. Auffallend ist ein signifikanter Abfall der Magnetfeldstärke über den gesamten Beobachtungszeitraum von etwa 150 Jahren. Das Dipolmoment des Erdmagnetfeldes nahm in diesem Zeitraum um mehr als 10% ab. Auch die Richtung des Magnetfeldes änderte sich deutlich, die Deklination in Österreich um etwa 20. Um die zeitlichen Abhängigkeiten dieser Beobachtungen zu untersuchen und damit die Ursachen dieser Säkluarvariation zu hinterfragen, ist es notwenig, den Beobachtungszeitraum deutlich in die Vergangenheit hinein auszudehnen. Im Rahmen dieses Projekts werden geomagnetischen Daten gesammelt und analysiert, sowie für die Erstellung eines globalen magnetischen Feldmodells herangezogen. Magnetfeldkomponenten wurden seit dem frühen Mittelalter aus vielen Gründen bestimmt, unter anderem zur Richtungsbestimmung im Bergbau und bei der Marine, für historische Karten, zur Orientierung von Sonnenuhren und Kirchen, aber auch aus wissenschaftlichem Interesse, zum Beispiel an Klöstern, an Sternwarten und auf Expeditionen. Im Rahmen dieses Projekts werden diese direkten Beobachtungen des Magnetfeldes aus historischen Quellen gewonnen. Zudem werden die Ergebnisse mit indirekten Messungen aus archäomagnetischen und paläomagnetischen Daten erweitert. Indirekte Daten sind aus zwei Gründen unerlässlich: Zum einen ermöglichen diese Daten eine bedeutende Erweiterung der Zeitreihe in die Vergangenheit und zum anderen können nur diese Daten Information über die Feldstärke vor den 40er Jahren des 19. Jahrhunderts liefern. Die Zuverlässigkeit dieser indirekten Daten ist jedoch kontrovers debatiert und u.a. abhängig von Material und Messmethodik. Ein Vergleich von zeitgleichen direkten und indirekten Daten, vorzugsweise aus gleicher Region, ist angestrebt. Dies ermöglicht einen unabhängigen Test der Zuverlässigkeit und eine Abschätzung möglicher systematischer Fehler. Direkten und indirekten Daten werden in einer öffentlich zugänglichen Datenbank archiviert. Mithilfe einer Bayes`schen Inversionsroutine wird eine sphärisch-harmonische Beschreibung des Erdmagnetfeldes erstellt und somit ein Zusammenhang zwischen Oberflächenbeobachtungen und dem Dynamoprozess im Erdkern hergestellt. Eine zuverlässige Rekonstruktion von Feldvariationen der Vergangenheit stellt zudem eine zusätzliche Datierungsmöglichkeit für die Archäologie zur Verfügung. Des Weiteren kann der Zusammenhang zwischen Klima und Magnetfeld konstruktiv hinterfragt werden.

Die Rekonstruktion des Erdmagnetfeldes beruht auf unterschiedlichen Daten, die einerseits eine sehr variable Mess- und Altersunsicherheiten und andererseits eine sehr heterogene raumzeitliche Verteilung aufweisen. Der Hauptfokus des Projekts lag in der Aufnahme der verschiedenen Datentypen in eine gemeinsame Datenbank und einer sorgfältigen Studie der zugehörigen Unsicherheiten, welche im finalen Modellierungsansatzdementsprechend berücksichtigt wurden.Die Anfangsphase des Projektes war von der Erschließung neuer geomagnetischer Daten gekennzeichnet. Es wurden historische (direkte) geomagnetische Beobachtungen u.a. in Archiven, Klöstern und auf historischen Landkarten geortet und aufgenommen. Eine Studie zu mittelalterlichen Kirchen in Niederösterreich und Norddeutschland ergab, dass deren Achsen nicht mit Hilfe des Kompasses gegen Osten ausgerichtet wurden.Weitere geomagnetische Messwerte, die weit über den Zeitbereich der historischen Beobachtungen hinausgehen, können aus archäo- und paläomagnetischen (indirekten) Untersuchungen gewonnen werden. Es wurden archäomagnetische Messkampagnen durchgeführt, die einerseits zur Erweiterung der Datensammlung und andererseits zur archäomagnetischen Datierung genutzt wurden. Die neu akquirierten direkten und indirekten Daten sowie bereits bestehende Sammlungen wurden in der Online-Datenbank HISTMAG (http://www.conrad-observatory.at/zamg/index.php/data-en/histmag-database) zusammengefasst., welche die Grundlage für detaillierte Untersuchungen der verschiedenen Datengruppen bildete. Hier wurden vor allem systematische Abweichungen von indirekten im Bezug auf direkte Messwerte analysiert, wobei neue Methoden zur Berücksichtigung der sehr inhomogenen Datensätze entwickelt wurden. Zusätzlich zu der in der HISTMAG Datenbank eingebundenen Metainformation, erlaubt eine User-Kommentar-Funktion eine wissenschaftliche Diskussion über einzelne Datensätze die zur Qualitätsbewertung herangezogen werden kann.Aufbauend auf der Datenbank und den Qualitätsstudien der Datensätze wurde der bestehende Modellierungsansatz adaptiert. Dazu wurden unzuverlässige Daten gefiltert und die heterogene Datenverteilung, die vor allem durch einen starken Datenzuwachs in der historische Epoche gekennzeichnet ist, homogenisiert.Das fertige Modell erlaubt die Berechnungen des geomagnetischen Feldes und dazugehöriger Unsicherheit für jeden Ort auf der Erdoberfläche über die letzten 3000 Jahre. Zusätzlich können damit Studien zum Feldverhalten an der Kern-Mantel-Grenze sowie spezielle Feldmerkmale (e.g., so genannte Jerks) durchgeführt werden.Neben generellen Aussagen über die zeitliche und räumliche Entwicklung des Erdmagnetfeldes, kann das Modell wie bereits bei einer archäologischen Studie angewandt zur archäomagnetischen Datierung herangezogen werden. Ein weiteres Anwendungsbeispiel stellt die mögliche Verbindung von starken Feldschwankungen und klimatischen Variationen dar.