Strömungsumkehr im äußeren Erdkern unter dem Pazifik

Unter dem Pazifik hat sich tief im Erdinneren eine Strömung gedreht – und niemand weiß bislang genau, warum. Rund 2900 Kilometer unter der Erdoberfläche, an der Oberseite des flüssigen äußeren Erdkerns, bewegte sich das Metall bis etwa 2010 schwach nach Westen. Danach setzte sich eine ostwärts gerichtete Strömung durch, die sich verstärkte. Seit etwa 2020 nimmt ihre Stärke offenbar wieder ab.

Forschende um Frederik Dahl Madsen von der University of Edinburgh haben diese Entwicklung für den Zeitraum von 1997 bis 2025 rekonstruiert. Direkt beobachten lässt sich die Strömung nicht. Sie wird mathematisch aus zeitlichen Veränderungen des Erdmagnetfelds abgeleitet. Dafür nutzten die Forschenden Daten magnetischer Bodenobservatorien sowie der Satelliten Ørsted, CHAMP und CryoSat-2. Auch die drei ESA-Swarm-Satelliten, die seit 2013 das Magnetfeld vermessen, lieferten wichtige Messreihen.

Ein Blick in einen unsichtbaren Dynamo

Der äußere Erdkern ist etwa 2200 Kilometer dick und besteht überwiegend aus flüssigem Eisen. Zusammen mit der Erdrotation erzeugen die Bewegungen dieses elektrisch leitfähigen Metalls den Geodynamo – und damit rund 95 Prozent des Hauptfeldes des Erdmagnetfelds. Wärmefluss aus dem festen inneren Kern setzt das flüssige Metall in Bewegung; die Corioliskraft lenkt Konvektionsströme schraubenförmig ab. Elektrische Ströme entstehen, erzeugen Magnetfelder und halten den Dynamo aufrecht. Temperaturen von bis zu etwa 5000 °C herrschen dort, Eisen und Nickel sind deshalb nicht ferromagnetisch, sondern elektrische Leiter.

Die Messdaten sind allerdings ein ziemliches Puzzle. In sie fließen auch Beiträge der Erdkruste, der Ozeane, der Ionosphäre und der Magnetosphäre ein. Der vermutete Kernanteil muss rechnerisch von diesen Einflüssen getrennt werden. Das großräumige Strömungsmuster des äußeren Kerns blieb zwischen 1997 und 2025 relativ stabil. Gerade deshalb fällt die regionale Veränderung unter dem äquatorialen Pazifik so deutlich auf.

Modelle schätzen die Strömungsgeschwindigkeit im flüssigen Kern auf wenige Millimeter pro Sekunde, also ungefähr 100 Kilometer pro Jahr. Viel klingt das nicht. Tief unten, über Jahrzehnte betrachtet, reicht es offenbar trotzdem für messbare Veränderungen des Magnetfelds.

Das Erdmagnetfeld durchdringt und umgibt unseren Planeten und schützt die Oberfläche vor geladenen Teilchen des Sonnenwinds. Die Magnetosphäre wird auf der Tagseite vom Sonnenwind zusammengestaucht und auf der Nachtseite zu einem langen Schweif gezogen. Sie schützt außerdem Atmosphäre und Hydrosphäre vor Erosion. Magnetische Stürme können schnelle Feldschwankungen, Polarlichter und Störungen des Funkverkehrs auslösen.

Jerk, Tageslänge und ein langsamer innerer Kern

Um 2010 veränderten sich auch andere Signale aus dem Erdinneren. Eine Schwankung der Tageslänge mit etwa sechsjähriger Periode wurde gestört; später tauchte das Signal mit veränderter Phase wieder auf. Seismische Untersuchungen deuten zudem auf eine veränderte Rotation des festen inneren Erdkerns hin.

Eine 2026 veröffentlichte Studie zu Erdbebenserien von 1982 bis 2024 kommt zu einem vorsichtigen Bild: In den 1980er-Jahren rotierte der innere Kern vermutlich etwas schneller als der Mantel. Um 2000 verringerte sich dieser Unterschied deutlich. Seit etwa 2010 könnte der innere Kern sogar langsamer als der Mantel rotieren. Im inneren Erdkern gibt es zusätzlich eine Superrotation gegenüber der Umgebung; veröffentlichte Werte reichen von 0,02° bis 2° pro Jahr.

Im Pazifik wurden außerdem geomagnetische Jerks beobachtet. Dabei verändert sich die Änderungsrate bestimmter Magnetfeldkomponenten, unter anderem 2017, 2020 und 2024. Um 2020 erreichte die ostwärts gerichtete Strömung laut den Modellen ungefähr ihre größte Stärke. Ein Zusammenhang zwischen der Strömungsumkehr, den Veränderungen der Tageslänge und der Rotation des inneren Kerns ist möglich, aber nicht belegt.

Offen bleibt auch, was die Strömung künftig macht. Handelt es sich um eine einmalige Schwankung, einen wiederkehrenden Zyklus oder um einen länger anhaltenden neuen Zustand? Die weitere Entwicklung der Ostströmung soll darüber Aufschluss geben. Zusätzliche Daten sollen die Swarm-Satelliten und ihre Nachfolger liefern.

Wärmefluss als möglicher Auslöser

Diskutiert werden zwei große Ursachenbereiche: Prozesse in tieferen Regionen des Erdkerns und ein ungleichmäßiger Wärmefluss an der Grenze zwischen Erdkern und Erdmantel. Unterschiede in diesem Wärmefluss können die Strömungen im äußeren Kern beeinflussen. Eine 2026 veröffentlichte Modellstudie kam zu dem Ergebnis, dass der Wärmefluss unter bestimmten Mantelstrukturen lokal sogar seine Richtung wechseln könnte – sodass Wärme vom Mantel zum Kern gelangt. Ob dieser Mechanismus die regionale Strömungsumkehr ausgelöst hat, ist ungeklärt.

Die Dynamotheorie gilt als anerkannte Erklärung für das Hauptmagnetfeld. Computersimulationen können Umpolungen reproduzieren, Laborexperimente mit flüssigem Metall bestätigen die Theorie grundsätzlich. Trotzdem bleibt die genaue Modellierung schwierig: Dreidimensionale Turbulenzen lassen sich nicht vollständig abbilden, und die räumliche Auflösung ist begrenzt.

Das Magnetfeld besteht nicht nur aus dem Hauptfeld. Etwa 1 bis 3 Prozent entfallen auf das Außenfeld, das durch elektrische Ströme in Ionosphäre und Magnetosphäre entsteht. Dazu tragen unter anderem Winde in der Ionosphäre mit Tages- und Jahresgang sowie das magnetisierte Plasma des Sonnenwinds bei. Störfelder entstehen durch remanente Magnetisierung in Teilen der oberen Erdkruste, etwa in Erzlagerstätten; lokal können sie mehrere Prozent des Gesamtfeldes ausmachen.

Über Zehntausende Jahre ähnelt das Hauptfeld an der Erdoberfläche einem leicht gegen die Erdachse geneigten magnetischen Dipol. Derzeit lässt es sich dort zu etwa 90 Prozent durch ein Dipolfeld beschreiben. 2015 war die Achse des geomagnetischen Dipols um etwa 9,6° gegen die Erdachse geneigt. Die geomagnetischen und geografischen Pole fallen nicht genau zusammen. Der Dipol entspricht näherungsweise einem gekippten Stabmagneten, der etwa 450 Kilometer vom Erdmittelpunkt in Richtung 140° östlicher Länge verschoben ist.

Nach IGRF-11 von 2010 betrug das Dipolmoment etwa 7,746 · 10²⁴ nT m³; die jährliche Veränderung lag bei ungefähr −0,006 · 10²⁴ nT m³. Im Erdmantel steigt die Flussdichte mit zunehmender Tiefe stark an, zugleich werden nicht-dipolförmige Feldanteile wichtiger. Genauere Beschreibungen liefern Multipolmodelle wie das International Geomagnetic Reference Field, kurz IGRF, das auf Kugelflächenfunktionen und Gauß-Koeffizienten basiert.

Keine bevorstehende Polumkehr

Die Beobachtung unter dem Pazifik bedeutet nicht, dass nun eine magnetische Polumkehr bevorsteht. Die Strömungsänderung betrifft nur eine Region des äußeren Kerns. Eine geomagnetische Polumkehr verändert die Struktur des gesamten Magnetfelds und läuft über wesentlich längere Zeiträume.

Geomagnetische Exkursionen und Polsprünge treten auf Zeitskalen von Jahrhunderten bis Jahrtausenden auf. Das Hauptfeld bleibt meist längere Zeit relativ stabil, schwankt aber in seiner Stärke und polt sich wiederholt um. Vollständige Polumkehrungen ereigneten sich durchschnittlich etwa alle 250.000 Jahre. Die letzte fand vor etwa 780.000 Jahren statt und heißt Brunhes-Matuyama-Umkehr; die erste bekannte Polumkehr ereignete sich vor etwa 3,25 Milliarden Jahren.

Kürzere und häufigere Feldzusammenbrüche mit anschließender Rückkehr zur ursprünglichen Richtung werden geomagnetische Exkursionen genannt. Für die Zeit vor 10.000 bis 78.000 Jahren sind unter anderem das Laschamp-Ereignis und die Mono-Lake-Exkursion belegt. Eine Abschwächung und der Wiederaufbau des Feldes dauern mehrere tausend Jahre; während der eigentlichen Umkehr können mehrere schwache Pole entstehen. Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Brunhes-Matuyama-Umkehr in weniger als 100 Jahren ablief.

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