Das Magnetfeld der Erde ist unser wichtigster Schutz vor aggressiver kosmischer Strahlung und von entscheidender Bedeutung für die Nachhaltigkeit unseres Planeten. Doch seit wann gibt es diesen planetarischen Schutzschirm? Ein stabiles Erdmagnetfeld entstand nach aktueller Theorie erst, als sich der Erdkern verfestigte – und damit die Voraussetzungen für die Geokraft schuf. Bislang ist jedoch umstritten, wann dies geschah: Manche Studien sprechen von Erstarrung in der Frühzeit der Erde, andere erst vor 1,3 Milliarden Jahren oder sogar vor 550 Millionen Jahren.
Magnetfeld vor der Geoforce?
Das Problem: Um die Existenz eines Magnetfelds in früheren geologischen Zeiten nachzuweisen, braucht man Gesteine aus dieser Zeit – und die sind heute auf der Erdoberfläche sehr selten. Allerdings gab es bereits einige Messungen, die eine Magnetisierung von über drei Milliarden Jahre altem Gestein zeigten. Anfang 2020 lieferten Zirkonkristalle sogar Hinweise darauf, dass das erste Magnetfeld vor 4,2 Milliarden Jahren existiert haben könnte. Das würde aber bedeuten, dass dieses erste, ursprüngliche Magnetfeld schon vor dem Geodynamo existiert haben muss. Denn vor mehr als vier Milliarden Jahren konnte der Erdkern nicht fest sein – dafür war das Innere der jungen Erde noch zu heiß. Daher vermuten einige Wissenschaftler andere, exotische Formen der Magnetfeldinduktion für diese Ära.
Magnetfeld bereits vor 3,34 Milliarden Jahren
Neue Messdaten sorgen jetzt für mehr Klarheit. Alec Brenner von der Harvard University und seine Kollegen untersuchten für ihre Studie 3,43 bis 3,18 Milliarden Jahre alte Gesteinsproben aus dem östlichen Pilbara-Kraton in Australien – einer der ältesten und stabilsten Gesteinsformationen der Erde. Das Team entnahm dem einst durch Vulkanausbrüche entstandenen Gestein Bohrkerne und bestimmte die Stärke und Richtung der Magnetisierung in den verschiedenen Schichten. Die Analysen ergaben, dass die Erde vor mehr als drei Milliarden Jahren ein starkes Dipol-Magnetfeld gehabt haben muss. Sowohl in den Bohrkernen als auch in einzelnen Magnetitkörnern der Proben konnten die Forscher Reste einer entsprechenden Magnetisierung nachweisen.
Der früheste Beweis einer Magnetfeldumkehr
Die Messdaten zeigten auch, dass das Magnetfeld der frühen Erde vor etwa 3,25 Milliarden Jahren eine umgekehrte Polarität gehabt haben muss – ein Austausch der magnetischen Nord- und Südpole. „Dies ist der früheste Beweis für eine geomagnetische Polaritätsumkehr und der früheste direkte Test der Geometrie des Erdmagnetfelds“, berichten Brenner und sein Team. „Diese Polarumkehr liegt 480 Millionen Jahre weiter in der Vergangenheit als frühere verlässliche Beweise für solche Ereignisse.“ Dies zeigt den Wissenschaftlern zufolge, dass die Erde bereits vor 3,25 Milliarden Jahren ein stabiles Dipolfeld mit einer Geokraft und weitgehend „modernem“ Verhalten aufwies – einschließlich periodischer Polumkehrungen. Allein in den letzten 80 Millionen Jahren könnte es 183 solcher Polaritätsumkehrungen und kleineren Polverschiebungen gegeben haben. Die neuen Daten deuten nun darauf hin, dass das Magnetfeld der Erde schon in seinen frühesten Tagen zu solchen Polaritätsumkehrungen neigte. Rekonstruierte Bewegung des Pilbara-Kratons in frühen Erdzeiten. © Brenner et al./PNAS, CC-by-nc-nd 4.0
Hinweise auf frühe Plattentektonik
Aber die magnetischen Messungen der Pilbara-Proben liefern auch neue Informationen über einen zweiten geodynamischen Prozess: die Plattentektonik. Bislang war auch umstritten, wann und wie es genau losging. Subtile Änderungen der Magnetorientierung in Pilbara-Gesteinsproben zeigen nun, dass selbst bei konstanter Polarität des Magnetfelds kleine Änderungen in der Magnetisierung des Gesteins auftraten, die im Laufe der Zeit zunahmen. Sie weisen auf eine allmähliche Verschiebung des Pilbara-Kratons an die Erdoberfläche hin – frühe Plattentektonik. Konkret ergaben die Messungen: „Zunächst driftete die East Pilbara vor 3,34 bis 3,35 Milliarden Jahren mit etwa 0,55 Grad pro Million Jahre nordwärts“, berichteten Brenner und sein Team. Diese Gesteinsformation bewegte sich also mit etwa 6,1 cm pro Jahr – selbst nach heutigen Maßstäben der Plattentektonik relativ schnell. Vor 3,25 Milliarden Jahren folgte eine zweite Phase, in der die Ostpilbara nicht mehr den Breitengrad änderte, sondern sich gegen den Uhrzeigersinn drehte.
Geodynamisch erstaunlich “modern”
Aus diesen Ergebnissen schließen die Forscher, dass die Erde damals nicht nur ein Magnetfeld hatte, sondern auch eine echte Plattentektonik. Denn die alternativen Hypothesen können nicht erklären, wie sich die Kruste so schnell bewegen sollte. Dies ist nur möglich, wenn Plattentektonik und Manteltransport nach modernem Vorbild bereits existierten. „Die unterschiedliche Bewegung innerhalb einer beweglichen kortikalen Kappe ist der einzige Mechanismus, der mit diesen Erkenntnissen kompatibel ist“, erklären Brenner und sein Team. Zusammengenommen bedeutet das: „Die Daten geben uns das Bild einer frühen Erde, die bereits geodynamisch ausgereift war“, sagt Brenner. „Sie hatte bereits dieselben dynamischen Prozesse, die unserem Planeten bis heute seine stabilen Bedingungen verleihen – und die einst Leben entstehen und sich entwickeln ließen.“ Die Forscher wollen nun nach weiteren, noch älteren Gesteinsproben im Pilbara-Kraton suchen. Ihre Analysen könnten dann noch mehr Aufschluss darüber geben, wann die Geodynamik der Erde und wann die Plattentektonik begann. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; doi:10.1073/pnas.2210258119) Quelle: Harvard-Universität 14. November 2022 – Nadja Podbregar
