Elf Polumkehrungen pro Million Jahre: Wie ein instabiler Erdkern mit einem urzeitlichen Artensterben zusammenhängt

Was geschehen ist: Ein Blick in die magnetische Vergangenheit der Erde

Geowissenschaftler haben eine faszinierende Entdeckung gemacht, die unser Verständnis der Erdgeschichte grundlegend erweitert. Vor etwa 261 Millionen Jahren, kurz vor dem Massenaussterben am Ende des Guadalupiums im mittleren Perm, durchlief das Erdmagnetfeld eine Phase extremer Instabilität. In einem Zeitraum von nur einer Million Jahren kehrten sich die magnetischen Pole etwa elfmal um. Diese Frequenz zählt zu den höchsten Werten, die jemals in der geologischen Historie nachgewiesen werden konnten. Bemerkenswert ist dabei die zeitliche Korrelation mit einem massiven Zusammenbruch urzeitlicher Korallen- und Schwammriffe weltweit. Während die Wissenschaft die Ursachen für solche ökologischen Kollapse meist in vulkanischen Aktivitäten oder gravierenden Klimaschwankungen an der Erdoberfläche vermutet, lenkt diese neue Studie den Fokus auf Prozesse, die sich knapp 3.000 Kilometer tief unter unseren Füßen abspielen. Die Ergebnisse, publiziert im Fachmagazin National Science Review, legen nahe, dass das Erdinnere und die Stabilität der Biosphäre auf eine Weise miteinander verknüpft sein könnten, die bisher unterschätzt wurde. Die Untersuchung bietet einen neuen Blick auf die Dynamik des Erdmagnetfelds und dessen mögliche Auswirkungen auf das Leben auf unserem Planeten.

Die Einzelheiten: Methodik und Datenlage aus dem Fengshan-Profil

Die Grundlage für diese Erkenntnisse bildet das sogenannte Fengshan-Profil nahe der südchinesischen Stadt Liuzhou. Dort lagerten sich vor Millionen von Jahren Kalksteinschichten lückenlos auf dem Boden eines flachen Meeres in Äquatornähe ab. Um die magnetische Ausrichtung dieser Gesteine zu bestimmen, nutzten die Forscher ein aufwendiges Verfahren. Eisenhaltige Minerale wie Hämatit fungierten bei der Entstehung des Gesteins wie kleine Kompassnadeln, die sich am damaligen Erdmagnetfeld ausrichteten. Da diese Signale über Jahrmillionen durch spätere Einflüsse überlagert werden konnten, erhitzten die Wissenschaftler 876 Gesteinsbohrkerne in einem magnetisch abgeschirmten Labor in Peking auf bis zu 690 Grad Celsius. Ziel war es, Störsignale zu eliminieren. Mit hochsensiblen SQUID-Magnetometern, die selbst schwächste Felder detektieren können, maßen sie die ursprüngliche Ausrichtung. Von den Proben lieferten 309 Bohrkerne verwertbare Daten. Das Team identifizierte 29 aufeinanderfolgende Gesteinsabschnitte mit wechselnder Polung, wobei allein 22 dieser Wechsel in die 1,73 Millionen Jahre unmittelbar vor dem Artensterben fielen. Diese Daten dokumentieren präzise den Übergang nach dem Kiaman-Superchron, einer Phase von etwa 50 Millionen Jahren, in der das Magnetfeld nahezu unverändert geblieben war.

Hintergrund: Der Geodynamo und die Rolle von Pangäa

Das Erdmagnetfeld entsteht durch komplexe Konvektionsströme aus geschmolzenem Eisen und Nickel im äußeren Erdkern. Dieser Prozess, oft als Geodynamo bezeichnet, ist jedoch kein isoliertes System. Die Studienautor:innen, darunter der Paläomagnetiker Wout Krijgsman von der Universität Utrecht, verorten die Ursache für das „Flackern“ des Feldes an der Grenze zwischen dem festen Erdmantel und dem flüssigen äußeren Erdkern. In der untersuchten Epoche vollzog sich die Bildung des Superkontinents Pangäa. Während sich die Landmassen neu formierten, tauchten kalte ozeanische Erdplatten tief in den Erdmantel ein. Nach einer Reise über Dutzende Millionen Jahre erreichten diese Platten den untersten Erdmantel und entzogen dem äußeren Kern lokal verstärkt Wärme. Dieser thermische Entzug destabilisierte den Geodynamo. Die daraus resultierende Instabilität des Magnetfelds führte zu den beobachteten häufigen Polumkehrungen. Dieser Prozess verdeutlicht, wie tektonische Bewegungen an der Oberfläche über gigantische Zeiträume hinweg die physikalischen Vorgänge im tiefen Erdinneren beeinflussen können, was wiederum Rückwirkungen auf die magnetische Abschirmung des Planeten hat.

Die Beteiligten: Internationale Forschungskooperation

An dieser umfassenden Studie war ein internationales Team aus renommierten Institutionen beteiligt. Die Leitung lag bei den Geophysikern Min Zhang und Yongxin Pan vom Institut für Geologie und Geophysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking. Ebenfalls maßgeblich beteiligt war der Geowissenschaftler Shu-zhong Shen von der Universität Nanjing. Als weiterer Experte wirkte der Paläomagnetiker Wout Krijgsman von der niederländischen Universität Utrecht mit. Zudem flossen Erkenntnisse des Meteorologen Pavle Arsenović von der Universität für Bodenkultur Wien in die wissenschaftliche Einordnung ein. Seine Modellstudien aus dem Jahr 2024, veröffentlicht in den Proceedings of the National Academy of Sciences, bilden eine wichtige theoretische Basis für das Verständnis der atmosphärischen Folgen eines schwachen Magnetfelds. Die Zusammenarbeit dieser Experten ermöglichte es, geologische Felddaten mit physikalischen Modellrechnungen zu verknüpfen, um die komplexen Zusammenhänge zwischen dem Erdinneren und der Atmosphäre während des Perms zu beleuchten.

Einordnung: Die Bedeutung für die Biosphäre

Einzuordnen ist das so: Wenn das Erdmagnetfeld während häufiger Umpolungen an Stärke verliert, schwächt sich die Magnetosphäre ab. Diese Schutzhülle bewahrt die Erde normalerweise vor geladenen Sonnenwindpartikeln und kosmischer Strahlung. Den Berichten zufolge dringen bei einem schwachen Feld signifikant mehr energiereiche Teilchen in die obere Atmosphäre ein. Dort führen sie zur Bildung von Stickoxiden, welche die schützende Ozonschicht abbauen können. Eine erhöhte UV-B-Strahlung wäre die Folge, was laut wissenschaftlichen Analysen das Erbgut von Lebewesen, etwa durch Schädigung von Pollenkörnern, beeinträchtigen kann. Die Forscher betonen jedoch, dass die zeitliche Übereinstimmung zwischen dem instabilen Magnetfeld und dem Kollaps der Meeresökosysteme vor 261 Millionen Jahren zwar auffällig ist, aber keinen direkten Kausalbeweis darstellt. Es bleibt ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Faktoren, bei dem das Magnetfeld lediglich ein Puzzleteil in einem größeren ökologischen Stressszenario gewesen sein könnte, das durch weitere geologische und atmosphärische Prozesse verschärft wurde.

Offene Fragen: Grenzen der aktuellen Forschung

Trotz der präzisen Daten aus dem südchinesischen Kalkstein gibt es erhebliche Lücken im Verständnis der damaligen Vorgänge. Die Studienautor:innen halten ausdrücklich fest, dass die Kausalität zwischen den Polumkehrungen und dem Artensterben unbewiesen bleibt. Ein wesentlicher Punkt ist das Fehlen belastbarer Messreihen zur tatsächlichen damaligen Feldstärke, der sogenannten Paläointensität. Die Forscher weisen darauf hin, dass die hohe Frequenz der Polumkehrungen zwar gut belegt ist, die Stärke des Feldes jedoch bisher nicht ausreichend quantifiziert werden konnte. Zudem bilden aktuelle Computersimulationen des Erdkerns die physikalischen Bedingungen in 3.000 Kilometern Tiefe nur mit starken Vereinfachungen ab. Diese Modelle reagieren zudem sehr empfindlich auf die gewählten Parameter, was die Interpretation der Ergebnisse erschwert. Es bleibt somit offen, ob das instabile Magnetfeld das Ökosystem tatsächlich signifikant schwächte oder ob es sich lediglich um ein zeitgleiches, aber unabhängiges Phänomen handelte, das neben den massiven vulkanischen Aktivitäten der Emeishan-Flutbasalte auftrat.

Wie es weitergeht: Künftige Forschungsansätze

Die Wissenschaftler sind sich einig, dass weitere Untersuchungen notwendig sind, um die offenen Fragen zu klären. Zukünftige geochemische Analysen sollen dazu beitragen, die historische Feldstärke des Erdmagnetfelds präziser zu bestimmen. Zudem ist eine Verfeinerung der Computersimulationen geplant, um die physikalischen Bedingungen an der Kern-Mantel-Grenze realistischer abzubilden. Die Forscher streben danach, die komplexen Wechselwirkungen zwischen dem Geodynamo, den tektonischen Prozessen der Kontinentaldrift und der Stabilität der Ozonschicht besser zu verstehen. Ob und inwieweit das Magnetfeld als zusätzlicher Stressfaktor für die damaligen Ökosysteme fungierte, soll durch diese genaueren Messungen und verbesserten Modelle in den kommenden Jahren weiter erforscht werden. Die Studie bildet somit einen Ausgangspunkt für eine vertiefte Debatte über die geologischen Ursachen von Massenaussterben und die Rolle des Erdinneren für die Lebensbedingungen an der Oberfläche.