| Wissenschaftler sind sich noch immer nicht völlig im Klaren darüber,
woher die Wärme im Erdkern stammt. Es könnte Schmelzwärme
sein, die frei wird, wenn Eisen aus dem äußeren Kern auskristallisiert
und den festen inneren Kern vergrößert. Eine andere Quelle könnte
die Radioaktivität sein, die Hauptwärmequelle in der Erdkruste.
Die Strömungen jedenfalls sind sehr langsam und benötigen nur
einen Bruchteil der im Erdkern enthaltenen Gesamtenergie.
Man nimmt also an, daß das geschmolzene Metall zirkuliert.
Durch
die Bewegung in einem bestehenden magnetischen Feld wird ein System von
elektrischen Strömen ausgebildet, das sich im Kern verhält wie
der oben geschilderte Scheibendynamo von Faraday. Die Ströme
rufen ein magnetisches Feld hervor -- eine Verteilung von Kräften.
Die Schlüsselidee für das Problems eines selbst erregenden bzw.
sich selbst erhaltenden Dynamos ist es, Lösungen zu suchen, in denen
das resultierende magnetische Feld auch als Startfeld
dienen kann, um den Strom am Anfang zu erzeugen.
Genaugenommen ist dies nur die unterste Stufe des Problems, denn
man ist hier noch sehr frei in der Vorgabe der Bewegungen. Um das Gesamtproblem
zu lösen, benötigen wir zusätzlich Informationen über
die Wärmequellen. Diese Quellen müssen nämlich stark genug
sein, um Bewegungen zu treiben, die das Dynamoproblem lösen.
Probleme dieser Art sind nicht einfach. Sie erfordern komplizierte
Mathematik und sind noch nicht vollständig gelöst. Nur die gröbsten
Ideen für ihre Lösungen können hier skizziert werden.
Der Magnetismus der Sonne
Eine wichtige Einschränkung, aus der das Versagen von Blacketts Theorie
resultiert, ist folgende: Kein elektrisches Stromsystem, das wie ein
fester Körper rotiert, kann "Dynamoströme" hervorrufen. Selbst
wenn Teile des Stromsystems der Rotationsachse folgen und daher als ruhend
betrachtet werden können, wird die feste Rotation keine Ströme
generieren. Ein entscheidender Punkt des Faradayschen Scheibendynamos ist,
daß ein Teil des Stromkreises außerhalb des Scheibendynamos
nicht an der Rotation teilnimmt.
Die Rotation der Sonne um ihre Achse führt daher nicht zwangsläufig
zu einem magnetischen Feld. Entscheidend ist die Tatsache, daß die
Sonne eben nicht wie ein fester Ball rotiert. Ihr Äquator besitzt
eine kürzere Umlaufzeit als die höheren Breiten - etwa
25 Tage für den Äquator und 27 Tage für eine Breite von
40 Grad (weil die Erde sich in der Zwischenzeit etwas um die Sonne bewegt
erscheinen uns die Perioden wie 27 und 29 Tage). Wenn die Erde auf so eine
Weise rotieren würde, dann risse sich z.B. Florida sehr bald vom Rest
der USA los und würde in den Atlantik treiben. Eine derartige ungleiche,
die Oberfläche deformierende Bewegung kann einen Dynamo antreiben,
und im Falle der Sonne vermutet man in der Tat gerade darin die Ursache
der Sonnenfleckenaktivität.
Dynamotheorie
Bevor Mathematiker ein kompliziertes Problem angehen, versuchen sie stets
Vereinfachungen zu finden (ein Witz über den Vorschlag eines Mathematikers
zur Produktion von Milch lautet: "Gegeben sei eine kugelförmige Kuh
vom Radius R, gleichmäßig mit Milch gefüllt .... "). Doch
gerade hier hat man damit kein Glück. Bereits in einem sehr frühen
Stadium des Spiels, 1934, bewies Thomas G. Cowling in England, daß
ein selbsterhaltender Dynamo im Erdkern keine Symmetrieachse besitzen
kann.
Walter Elsasser von der University of Utah (später John Hopkins
Universität) startete in den 40er Jahren eine Frontalattacke zur Lösung
des vollständigen dreidimensionalen Dynamoproblems. Er fand keine:
die Gleichungen wurden komplizierter und komplizierter, je mehr er ins
Detail ging. Andere mußten ähnliche Erfahrungen machen. Erst
1964 veröffentlichte Stanislaw Braginsky in Rußland die ersten
gültigen Lösungen, wobei er annahm, das Feld sei fast
axialsymmetrisch und berechnete, was aus kleinen Abweichungen von dieser
Symmetrie folgte.
Die Lösung des vollständigen Problems, inklusive
des Wärmetransports, ist viel schwieriger. Wir sind nicht nur unsicher
über die Wärmequellen, sondern auch über den Einfluß
der Erdrotation, dei alle Bewegungen der Wärmekonvektion sehr stark
verändert. Diese Modifizierungen sind eine Haupteigenschaft
großräumiger Bewegungen in der Atmosphäre. Sie führen
zu den charakteristischen Strudelbewegungen von Hurrikans und Sturmsystemen.
Eugene Parker schlug 1955 einen Mechanismus vor, wie solche Strudel in
aufsteigenden Strömungen der Sonnenatmosphäre Dynamofelder hervorrufen
könnten.
Von oben gesehen sind Strudelrichtungen von Stürmen in der Atmosphäre
nördlich des Äquators immer gegen den Uhrzeigersinn und
südlich des Äquators im Uhrzeigersinn gerichtet. Eine
derartige Asymmetrie ist auch in den aufsteigenden Strömungen im Erdkern
zu erwarten. Steenbeck et al. zeigten 1966 in Deutschland, daß deswegen
ungeordnete Konvektionsmuster tatsächlich ein mittleres "Dynamofeld"
erzeugen können. Es wurde unter dem Namen "Alpha-Effekt" bekannt,
da man eine mathematische Größe verwendete, die mit dem griechischen
Buchstaben a (Alpha) bezeichnet wurde -- doch
die Einzelheiten sind bei weitem zu schwierig, als daß sie hier beschrieben
werden könnten.
Einige aktuelle Arbeiten zu numerischen Stimulationen des Geodynamos
auf Hochleistungsrechnern sind auf der Webseite von Gary Glatzmeier
und Paul Roberts hier
zu sehen.
Nächste Station: Magnetische
Polumkehr und Kontinente in Bewegung
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