Vor 42.000 Jahren fand die letzte vollständige Umpolung des Erdmagnetfeldes statt, das sogenannte Laschamps-Ereignis. Radiokarbon-Analysen der Überreste von Kauri-Bäumen aus Neuseeland ermöglichen nun erstmals eine genaue zeitliche Einordnung und Analyse dieses Ereignisses und der damit verbundenen Effekte, sowie die Kalibrierung geologischer Archive wie Sediment- und Eisbohrkerne aus dieser Zeit. Darauf basierende Simulationen ergeben, dass die starke Reduktion des Magnetfeldes erhebliche Auswirkungen in der Erdatmosphäre hatte. Das zeigt ein internationales Team um Chris Turney von der Australischen University of New South Wales, unter Beteiligung von Norbert Nowaczyk vom Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam und Florian Adolphi vom Alfred-Wegener-Institut in einer Studie, die jetzt im Fachmagazin Science erscheint.
Das Erdmagnetfeld unterliegt permanenten Schwankungen und gelegentlich kommt es sogar zu Umpolungen. Deren Ursachen, Verlauf und Auswirkungen sind bislang nicht vollständig geklärt. Forschende haben nun das sogenannte Laschamps-Ereignis näher untersucht. Es bezeichnet die letzte vollständige Umpolung des Erdmagnetfeldes vor rund 42.000 Jahren. Dabei änderte das Magnetfeld nicht nur seine Richtung, es verlor über einen Zeitraum von mehreren Hundert Jahren auch dramatisch an Stärke.
Vor etwa 42.000 Jahren wanderte der magnetische Nordpol Richtung Süden. Innerhalb dieses rund 500 Jahre dauernden Prozesses schwächte sich das Magnetfeld auf sechs bis null Prozent ab. Während einer Zeitspanne von rund 500 Jahren blieben die Pole vertauscht, mit einer Feldstärke, die unterhalb von 28 Prozent des heutigen Wertes variierte, um sich danach im Laufe von rund 250 Jahren wieder umzukehren.
Diese genaue zeitliche Einordnung ist jetzt möglich durch die Verknüpfung verschiedener Datensätze. Zum einen nutzten die Forschenden Ergebnisse über das Erdmagnetfeld aus Sediment-Bohrkernen des Schwarzen Meeres von Norbert Nowaczyk und Team aus dem Jahr 2013, die über zeitgleich dokumentierte Klimavariation mit Grönländischen Eisbohrkernen abgeglichen wurden.
Zum zweiten wurde die genaue Analyse und Datierung der Ereignisse überhaupt erst möglich durch die Radiokarbon(14C)-Analyse eines sub-fossilen Kauri-Baumes, der in der fraglichen Zeit für rund 1700 Jahre in den Wetlands von Ngawha im Norden Neuseelands wuchs und anschließend in den Sümpfen sehr gut konserviert wurde.
Über diesen Fund ungefähr aus der Zeit von vor 40.000 Jahren hatte Chris Turney vor einigen Jahren bei einem Besuch am Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam (GFZ) berichtet. „Als Geomagnetiker hatte ich gleich eine Verknüpfung mit dem Laschamps-Ereignis im Kopf und 14C-Analysen vorgeschlagen, die bis dato an Bäumen aus dieser Zeit noch nicht gemacht worden waren“, sagt Nowaczyk, der am GFZ das Labor für Paläo- und Gesteinsmagnetik leitet.
Der Hintergrund: Mit dem Schwinden des Magnetfelds geht der Erde ein wichtiger Schutzschild vor kosmischer Strahlung zumindest teilweise verloren. Das spiegelt sich auch in erhöhten Anteilen des radioaktiven Kohlenstoff-Isotops 14C in den Bäumen wider. Denn es wird dann in der Erdatmosphäre beim Bombardement von Stickstoff durch hochenergetische, elektrisch geladene kosmische Partikel verstärkt gebildet.
„Die sub-fossilen Kauri-Bäume sind ein spannendes Archiv der Atmosphärenzusammensetzung“, sagt Florian Adolphi, Paläoklimatologe am Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI). Diese Bäume können mehrere tausend Jahre alt werden und zeichnen während ihres Wachstums jährliche Variationen des atmosphärischen Radiokarbongehalts auf, welche das Forschungsteam präzise gemessen hat.
„Diese Daten verbessern die Kalibrierungskurve für Radiokarbondatierung und erlauben somit eine genauere Datierung verschiedenster Klimaarchive und Fossilien. Außerdem ermöglichen sie einen direkten Vergleich zu Eisbohrkernen: Dort gemessene Beryllium-Isotope zeigen ähnliche Schwankungen wie das Radiokarbon in den Bäumen, da die Produktion beider Isotope in der Erdatmosphäre von der Intensität der kosmischen Strahlung abhängen, welche auf die Erde trifft“, erläutert der Koautor der Studie. Er nutzt diesen Effekt, um Bäume und Eisbohrkerne mit hoher Präzision zu synchronisieren und die Unsicherheit des Vergleichs beider Archive von mehreren tausend Jahren auf etwa 100 Jahre zu reduzieren.
Um weitere Auswirkungen des schwachen Erdmagnetfeldes auf die Atmosphäre und damit auch auf das globale Klima zu untersuchen, haben die Forschenden Modellierungen der Atmosphärenchemie durchgeführt. Dabei stellten sie unter anderem einen Rückgang des Ozons fest. „Ungefilterte Strahlung aus dem Weltraum zerriss Luftpartikel in der Erdatmosphäre, trennte Elektronen ab und emittierte Licht – ein Prozess, der Ionisierung genannt wird“, erläutert Turney. „Die ionisierte Luft 'brutzelte' die Ozonschicht.“ Das löste eine Welle von Veränderungen in der Atmosphäre aus. Dazu gehörten auch vermehrt schillernde Lichtspiele, die wir als Polarlichter kennen, und die damals nicht nur in Polnähe, sondern über den ganzen Globus zu beobachten gewesen sein dürften.
Weitere Analysen der Auswirkungen des schwachen Magnetfeldes in dieser Richtung seien angesichts aktueller Entwicklungen wichtig, sagt Nowaczyk. Denn das Erdmagnetfeld schwächelt bereits seit rund 2000 Jahren wieder. Verglichen mit den ersten direkten Messungen vor 170 Jahren wurde eine Abschwächung um neun Prozent festgestellt, im Bereich des Südatlantiks sogar um dreißig Prozent. Ob sich damit für die kommenden ein- bis zweitausend Jahre wieder eine Polumkehr ankündigt, ist zwar umstritten. Unsere heutige, sehr auf Elektronik basierende Gesellschaft würde ein Zusammenbrechen des natürlichen Strahlenschutzschildes allerdings vor große Herausforderungen stellen.
Auf Basis dieser neuen Möglichkeiten zur zeitlichen Einordnung der Ereignisse vor 42.000 Jahren stellen die Hauptautoren der Studie noch weiterreichende Hypothesen über die Auswirkungen der Erdmagnetfeld-Umkehr auf – etwa hinsichtlich des Aussterbens der Neandertaler oder des Einsetzens von Höhlenmalereien. Dass hier kausale Zusammenhänge bestehen, hält Nowaczyk nicht für ausgeschlossen, aber eher für unwahrscheinlich.
Originalstudie: Alan Cooper; Chris S. M. Turney; Jonathan Palmer; Alan Hogg; Matt McGlone; Janet Wilmshurst; Andrew M. Lorrey; Timothy J. Heaton; James M. Russell; Ken McCracken; Julien G. Anet; Eugene Rozanov; Marina Friedel; Ivo Suter; Thomas Peter; Raimund Muscheler; Florian Adolphi; Anthony Dosseto; J. Tyler Faith; Pavla Fenwick; Christopher J. Fogwill; Konrad Hughen; Matthew Lipson; Jiabo Liu; Norbert Nowaczyk; Eleanor Rainsley; Christopher Bronk Ramsey; Paolo Sebastianelli; Yassine Souilmi; Janelle Stevenson; Zoe Thomas; Raymond Tobler; Roland Zech: A global environmental crisis 42,000 years ago. Science (2021), DOI: 10.1126/science.abb8677
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Priv.-Doz. Dr. Norbert Nowaczyk
Leiter des Labors für Paläo- und Gesteinsmagnetik
Sektion Klimadynamik und Landschaftsentwicklung
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Dr. Florian Adolphi
Division Geosciences | Marine Geochemistry
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