Der Grund, warum der Erdkern magnetisch ist, liegt darin, dass er einen geschmolzenen äußeren Kern enthält, der sich ständig bewegt. Die Bewegung des geschmolzenen äußeren Kerns erzeugt einen elektrischen Strom, der wiederum ein Magnetfeld erzeugt.
Eisen verliert seinen Magnetismus, wenn es auf einige hundert Grad erhitzt wird. Dennoch besteht der Erdkern, der ein starkes Magnetfeld erzeugt, das den Planeten zusammenhält, aus Eisen, das so heiß ist, dass es sich in einem flüssigen Zustand befindet!
Warum erzeugt das geschmolzene Eisen im Erdkern also ein Magnetfeld?
Beginnen wir damit, das Rätsel zu ergründen.
Eisen als ferromagnetisches Material
Ferromagnetische Materialien sind Substanzen, die sich stark magnetisieren, wenn sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden, und sie behalten ihre Magnetisierung auch nach dem Entfernen des Magnetfelds bei. Eisen ist ein hervorragendes Beispiel für ein ferromagnetisches Material.
Eisen ist ein ferromagnetisches Material. (Foto: Pixabay)
Um den Ferromagnetismus von Eisen in einfachen Worten zu erklären: Eisen besteht aus winzigen Partikeln, die als atomare Momente bezeichnet werden und wie Miniaturmagnete mit Nord- und Südpolen wirken (ähnlich wie normale Magnete).
Wenn ein Magnet einem Eisenobjekt nahe gebracht wird, richten sich diese Miniaturmagnete innerhalb des Objekts aus. Diese Ausrichtung verleiht dem Objekt seine magnetischen Eigenschaften, und jedes Material, das dieses Verhalten in Anwesenheit eines externen Magnetfelds zeigt, wird als ferromagnetisches Material bezeichnet.
Jedoch treten Veränderungen auf, wenn ein ferromagnetisches Material wie Eisen erhitzt wird.
Was passiert, wenn ein ferromagnetisches Material erhitzt wird?
Die Erhitzung von Eisen versorgt es mit zusätzlicher thermischer Energie. Dadurch wechseln die winzigen Magnete im Eisen zu höherenergetischen Zuständen und zeigen in entgegengesetzte Richtungen im Vergleich zu ihren benachbarten Magneten. Dadurch werden sie weniger ausgerichtet, was zu einer Verringerung ihrer kombinierten Magnetisierung führt. Dieser Prozess setzt sich fort, solange das Eisen erhitzt wird, bis es eine Temperatur erreicht, bei der es seine ferromagnetischen Eigenschaften verliert und kein Ferromagnet mehr ist.
Eisen hört bei einer Temperatur von 1043 K (ungefähr 770 Grad Celsius/1417 Grad Fahrenheit) auf, ferromagnetisch zu sein.
Diese spezifische Temperatur, bei der ein Material seine permanenten magnetischen Eigenschaften verliert, wird als Curie-Temperatur bezeichnet, und ihr Wert variiert je nach Material.
Der Erdkern besteht aus großen Mengen an Eisen. (Foto: Naeblys / Shutterstock)
Es ist also klar, dass Eisen bei mehr als 770 Grad Celsius aufhört, ein ferromagnetisches Material zu sein. Wir wissen jedoch auch, dass der Erdkern aus geschmolzenem Eisen besteht, das extrem heiß ist (fast 6000 Grad Celsius), was den Kern so heiß macht wie die Oberfläche der Sonne selbst! Darüber hinaus erzeugt der geschmolzene Eisenkern ein sehr starkes Magnetfeld, das für die Bewohnbarkeit der Erde entscheidend ist.
Aber das scheint doch widersprüchlich, oder? Wenn Eisen seine ferromagnetischen Eigenschaften bei einer relativ niedrigen Temperatur von 770 Grad Celsius verliert, wie erzeugt dann der hauptsächlich aus Eisen bestehende Erdkern ein so starkes Magnetfeld?
Was verursacht das magnetische Feld der Erde?
Wissenschaftler und Forscher haben verschiedene Erklärungen für die Entstehung des magnetischen Feldes der Erde vorgeschlagen, aber die am meisten akzeptierte ist die Dynamo-Theorie. Nach dieser Theorie fungiert der Erdkern als Dynamo und erzeugt ein selbsttragendes magnetisches Feld.
Ein Dynamo ist eine Vorrichtung, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Das Verständnis der physikalischen Bedingungen des Erdkerns hilft dabei, die Dynamo-Theorie zu begreifen.
Beachten Sie, dass der innere Kern aufgrund hoher Druckbedingungen fest ist. (Foto: Kelvinsong/Wikimedia Commons)
Der Erdkern besteht aus zwei Teilen: dem inneren Kern und dem äußeren Kern. Der äußere Kern befindet sich aufgrund hoher Temperaturen im flüssigen Zustand, während der innere Kern aufgrund extremer Druckbedingungen fest bleibt. Zusätzlich ist der äußere Kern aufgrund der Rotation und Konvektion der Erde ständig in Bewegung.
Im äußeren Kern interagiert die Bewegung des geschmolzenen Eisens (ein leitendes Material) mit einem bereits vorhandenen schwachen magnetischen Feld und erzeugt dadurch einen elektrischen Strom durch magnetische Induktion. Dieser elektrische Strom erzeugt wiederum ein magnetisches Feld, das mit der Flüssigkeitsbewegung interagiert und zu der Entstehung eines sekundären magnetischen Feldes führt.
Das sekundäre magnetische Feld stärkt das anfängliche magnetische Feld und erzeugt so einen selbsttragenden Prozess. Solange die Flüssigkeitsbewegung im äußeren Kern anhält, wird der Kern weiterhin ein magnetisches Feld erzeugen. Dieses Konzept bildet die Grundlage des Science-Fiction-Films aus dem Jahr 2003 The Core.
Einfach ausgedrückt erzeugt das geschmolzene Eisen im Kern kein magnetisches Feld direkt. Stattdessen erzeugt es einen elektrischen Strom, der einen elektromagnetischen Effekt erzeugt und letztendlich zum starken magnetischen Feld des Erdkerns führt.