Erdmagnetfeld vor 3,7 Milliarden Jahren in Grönland entdeckt

Gesteine, die im frühen Archaikum vor rund 3,7 Milliarden Jahren entstanden sind, ermöglichen nun den bislang ältesten Einblick in das Magnetfeld der Erde.

Damals war die Erde möglicherweise noch vollständig von Wasser bedeckt, während sich erstes Leben gerade erst zu entwickeln begann. Die neu entdeckten Spuren der planetaren Magnetosphäre zeigen, dass sie der unsichtbaren Schutzstruktur, die unseren Planeten noch heute umgibt, erstaunlich ähnlich war.

Der Fund kann Forschenden helfen, die frühe Geschichte der Erde und die Bedingungen für die Entstehung von Leben besser nachzuvollziehen. Zudem könnte die detaillierte Untersuchung dazu beitragen, frühe Signaturen des Erdmagnetfelds auch an anderen Orten der Welt zu messen. Dadurch liesse sich seine globale Form und Entwicklung über die 4,5 Milliarden Jahre währende Geschichte des Planeten rekonstruieren.

Das Magnetfeld der Erde als Schutzschild

Das Magnetfeld der Erde bildet eine gewaltige Hülle, die unseren Planeten umschliesst. Es entsteht vermutlich tief im Bereich des Erdkerns: Dort wandelt die Rotation konvektierender, elektrisch leitfähiger Flüssigkeit – der sogenannte Geodynamo – kinetische Energie in elektrische und magnetische Felder um, die weit in den Weltraum hinausreichen.

Nach Ansicht von Wissenschafterinnen und Wissenschaftern trägt dieses Magnetfeld wesentlich zur Bewohnbarkeit der Erde bei. Es bewahrt die Atmosphäre davor, durch den Sonnenwind rasch abgetragen zu werden, und lenkt schädliche Strahlung ab. Weniger klar ist jedoch, wie sich das Magnetfeld im Lauf der Erdgeschichte entwickelt hat. Wie sah es aus, als unser Planet jung war, und wie veränderte es sich über die darauf folgenden Erdzeitalter?

Hier können Gesteine besonders wertvolle Hinweise liefern. Solange sie bei ihrer Entstehung noch weich sind, richten sich darin enthaltene ferromagnetische Materialien an äusseren magnetischen Einflüssen aus – etwa am enormen Magnetfeld, das die Erde umgibt und durchdringt.

Solche geologischen Aufzeichnungen können nicht nur die Ausrichtung, sondern auch die Stärke des Magnetfelds verraten. Entscheidend ist allerdings, die passende Gesteinsart zu finden und ihre Informationen richtig deuten zu können.

Alte Gesteine aus dem Supracrustal Belt in Grönland

Jedes Ereignis und jede Kraft, die ein Gestein erhitzt, kann es verändern und frühere magnetische Informationen auslöschen oder überschreiben. Deshalb ist es so schwierig, verlässliche Zeugnisse des frühen Magnetfelds zu finden – selbst dann, wenn das Gestein nachweislich sehr alt ist.

Ein Team unter der Leitung der Geologin Claire Nichols von der University of Oxford im Vereinigten Königreich hat nun einen solchen Beleg in der abgeschiedenen Wildnis von Isua in Grönland entdeckt.

Dort weist eine Region namens Supracrustal Belt eine besondere Geologie auf: Sie liegt auf einer mächtigen Erdkrustenschicht, die sie über Milliarden Jahre vor tektonischer Aktivität und Verformung geschützt hat.

In dieser Formation befinden sich eisenreiche Gesteine. Blei-Uran-Datierungen von Zirkonkristallen aus der Formation ergaben, dass einige dieser Gesteine vor etwa 3,7 Milliarden Jahren entstanden.

Nichols und ihr Team untersuchten das Eisen in den uralten Gesteinen, um die Eigenschaften des damaligen Erdmagnetfelds zu bestimmen. Ihre Ergebnisse zeigten, dass die Magnetfeldstärke vor 3,7 Milliarden Jahren mindestens 15 Mikrotesla betrug. Das ist bemerkenswert vergleichbar mit der heutigen Stärke von etwa 30 Mikrotesla.

Ein wirksamer Geodynamo im Archaikum

Dies deutet darauf hin, dass der frühe Geodynamo ähnlich wirksam und effizient arbeitete wie heute. Die Sonne war jedoch nicht immer so wie in der Gegenwart. Auch sie war während des Archaikums noch relativ jung und deutlich aktiver, während der Sonnenwind wesentlich stärker war.

Daraus folgt, dass der vom Magnetfeld gebotene Schutz vor dem Sonnenwind im Lauf der Zeit zugenommen haben könnte. Das könnte Auswirkungen auf die Entstehung des Lebens gehabt haben: Möglicherweise konnte es erst entstehen, als der Schutz ein bestimmtes Ausmass erreicht hatte.

Die Ergebnisse könnten ausserdem helfen, die Entwicklung der Erdatmosphäre zu verstehen. Es gibt Hinweise darauf, dass während des Archaikums grosse Mengen ionisierten Xenons und Wasserstoffs verloren gingen. Da Xenon relativ schwer ist, dürfte es aus einer stark abgeschirmten Atmosphäre kaum in nennenswerten Mengen herausgelöst werden.

Eine mögliche Erklärung ist, dass ein etwas schwächeres Magnetfeld die dem Sonnenwind ausgesetzte Zone an den Polen verbreiterte. Die Untersuchung des Teams zeigt, dass dies möglich wäre, falls die Magnetfeldstärke am unteren Ende der Skala lag, die anhand der grönländischen Gesteine ermittelt wurde.

Um festzustellen, wie sich das Magnetfeld seit dem Archaikum verhielt und veränderte, wird weitere Forschung nötig sein. Eines steht inzwischen jedoch fest.

„Unabhängig von seiner genauen Stärke und Stabilität“, schreiben die Forschenden, „deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die Erde seit mindestens 3,7 Milliarden Jahren ein intrinsisches Magnetfeld 950 aufrechterhalten hat.“

Weiter so.

Die Forschungsarbeit des Teams wurde im Journal of Geophysical Research: Solid Earth veröffentlicht.