Die wundersamen Magnetfelder unserer Planeten

Elektrische Rekorde der Natur Die wundersamen Magnetfelder unserer Planeten

27.04.2023 Ein Gastbeitrag von Dr. Anna-Lena Gutberlet 7 min Lesedauer

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Das Magnetfeld der Erde schützt unter anderem vor kosmischer Strahlung und verhindert, dass der Sonnenwind die Atmosphäre langsam zerstört. Aber auch andere Planeten besitzen Magnetfelder.

Magnetfeld und die elektrischen Ströme: Sie umgeben die Erde und man kann sie sich wie eine riesige Blase vorstellen, die uns vor kosmischer Strahlung und geladenen Teilchen schützt, die die Erde in den Sonnenwinden bombardieren. (Bild: ESA/ATG medialab) — Magnetfeld und die elektrischen Ströme: Sie umgeben die Erde und man kann sie sich wie eine riesige Blase vorstellen, die uns vor kosmischer Strahlung und geladenen Teilchen schützt, die die Erde in den Sonnenwinden bombardieren.
(Bild: ESA/ATG medialab)

Lange Zeit hielt man den Erdmagnetismus für einen „glücklichen Zufall der Natur“, denn für ein stabiles Magnetfeld müssen viele Faktoren zusammenspielen. Auf der Erde erzeugt der Dynamoeffekt das Magnetfeld, das uns vor kosmischer Strahlung schützt und verhindert, dass der Sonnenwind die Atmosphäre langsam zerstört.

Aber nicht nur unser Heimatplanet hat ein Magnetfeld: Alle anderen Planeten unseres Sonnensystems – mit Ausnahme der Venus – haben oder hatten ein Magnetfeld, auch unser Mond. Und so unterschiedlich die Planeten in Größe und Zusammensetzung sind, so verschieden sind auch ihre Magnetfelder und deren Entstehungsmechanismen. Der Ursprung des Magnetfeldes ist selbst bei terrestrischen Planeten unterschiedlich. Die Grundlage fast aller planetaren Magnetfelder ist jedoch der Dynamoeffekt.

Serie: Elektrische Rekorde der Natur

Elektrizität, Magnetismus und viele andere Phänomene der Physik beflügeln seit Jahrhunderten den Erfindergeist der Menschen. Besonders beeindruckend sind die Errungenschaften der Elektronik, die unsere Welt in ungeahnter Geschwindigkeit verändert. Doch wir Elektroniker sind nicht die einzigen und schon gar nicht die ersten Anwender.

Die Tier- und Pflanzenwelt nutzt die verschiedensten physikalischen Effekte und Mechanismen schon seit Millionen von Jahren für eine Vielfalt von Funktionen und erreicht dabei beeindruckende bis unglaubliche Höchstleistungen. Die beeindruckendsten Rekorde der Natur stellen wir unseren Lesern in einer eigenen Rubrik vor.

Den Schwerpunkt bildet die Elektrizität. Aber auch Mechanismen aus anderen Naturwissenschaften werden wir beleuchten, wenn sie Lebewesen besondere Fähigkeiten verleihen. Last but not least werden wir auch extreme elektrische Phänomene der Natur vorstellen, die außerhalb der Biologie eine wichtige Rolle Spielen.

Wenn Sie rekordverdächtige Beispiele und Themen kennen, die wir recherchieren könnten, oder Sie einen eigenen Beitrag schreiben möchten, sind Sie herzlich eingeladen, diese Serie zu unterstützen. Bitte wenden Sie sich dazu an Maria Beyer-Fistrich.

Dynamoeffekt durch elektrisch leitendes Material

Bild 2: Der Schalenaufbau der Erde mit innerem, festem und äußerem, flüssigem Erdkern(Bild: frei lizenziert / Pixabay) — Bild 2: Der Schalenaufbau der Erde mit innerem, festem und äußerem, flüssigem Erdkern
(Bild: frei lizenziert / Pixabay)

Elektrisch leitendes Material, das tief im Inneren eines Planeten konvektiert, erzeugt die stärksten Felder. Weitere Voraussetzung für einen Dynamoprozess ist eine ausreichend schnelle Eigenrotation des Planeten. Außerdem müssen bestimmte thermische und chemische Bedingungen im Inneren des Planeten herrschen.

Bild 3: Eine Computersimulation des Erddynamos. Neben den magnetischen Feldlinien sind die Wirbel der Konvektionsbewegung in rot und blau dargestellt. (Bild: MPI für Sonnensystemforschung) — Bild 3: Eine Computersimulation des Erddynamos. Neben den magnetischen Feldlinien sind die Wirbel der Konvektionsbewegung in rot und blau dargestellt.
(Bild: MPI für Sonnensystemforschung)

Forscher des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung konnten in Computersimulationen klären, wie der Erddynamo genau funktioniert. Die Simulationen zeigen, dass die Komplexität der Konvektionsbewegung eine entscheidende Rolle spielt.

Auch den Energieverbrauch des Erddynamos konnten die Forscher mithilfe der Simulationen abschätzen: Er liegt bei etwa 200.000 bis 500.000 Megawatt, was in etwa der Leistung von einigen hundert Großkraftwerken entspricht. Zum Vergleich: Laut Umweltbundesamt verbrauchte Deutschland im Jahr 2021 565 TW/h.

Die Magnetfelder von Erde, Mond, Merkur, Venus und Mars

Das Magnetfeld der Erde ähnelt dem Dipolfeld eines Stabmagneten, der um etwa zehn Grad zur Rotationsachse der Erde geneigt ist. Es entstand vor etwa 4,2 Mrd. Jahren und war schon damals „erstaunlich stark“, wie die Forscher berichten. Zudem vermuten die Forscher, dass das Magnetfeld des Mondes die junge Erde auch vor den stürmischen Ausbrüchen der jungen Sonne schützte.

Einem Modell zufolge waren die Magnetfelder von Erde und Mond bis vor etwa 3,5 Mrd. Jahren miteinander verbunden. Dieses frühe Erdmagnetfeld und die Kopplung der beiden Magnetfelder schützten die Atmosphäre und das Wasser unseres Planeten, als die Sonnenstürme am stärksten waren – und könnten auch für die Bewohnbarkeit von Exoplaneten von Bedeutung sein. Etwa alle 500.000 Jahre kehrt das Erdmagnetfeld seine Richtung um.

Die Tatsache, dass die letzte Umpolung bereits 780.000 Jahre zurückliegt, macht eine baldige Umpolung nicht wahrscheinlicher. Die Erde ist nicht der einzige Planet in unserem Sonnensystem mit einem Magnetfeld. Genau genommen besitzen alle Planeten außer Venus und Mars ein Magnetfeld. Aber der Reihe nach, beginnend mit dem sonnennächsten Planeten.

Magnetfeld des Merkur ähnelt dem Erdmagnetfeld

Das Magnetfeld des Merkur ist noch wenig erforscht und wurde bisher nur von der US-Sonde Messenger in den Jahren 2011 bis 2015 untersucht. Es ähnelt dem der Erde: ein klassisches Dipolfeld, das um 7 Grad gegen die Rotationsachse geneigt ist. Es entsteht vermutlich durch innere Dynamoprozesse, die durch den festen Mantel stark gedämpft werden. Die Sonnenwinde schwächen das Magnetfeld zusätzlich. Es beträgt etwa 450 nT. Genauere Ergebnisse soll die europäische Mission BepiColombo liefern, die 2018 gestartet ist. Die Merkurumlaufbahn für die Magnetfeldmessungen soll im Dezember 2025 erreicht werden.

Die Venus besitzt und besaß nach heutigem Kenntnisstand kein Magnetfeld. Auch unser anderer Nachbarplanet, der Mars, ist heute nicht mehr von einem Magnetfeld geschützt. In seiner Frühzeit besaß er jedoch ein globales Magnetfeld und war lebensfreundlich. Das haben die jüngsten Weltraummissionen bewiesen: In über 4 Mrd. Jahre alten eisenhaltigen Krustengesteinen ist die Signatur des Magnetfeldes erhalten geblieben.

Diese so genannte „remanente Magnetisierung“ ist etwa eine Größenordnung stärker als die der Erde. Der Mars verlor sein Magnetfeld etwa 500 Mio. Jahre nach seiner Entstehung. Der Grund dafür war vermutlich, dass der Zerfall radioaktiver Elemente nicht mehr genügend Wärmeenergie erzeugte, um die Konvektionsströme im flüssigen Kern anzutreiben. Das Magnetfeld betrug 220 nT.

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Stand: 08.12.2025

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Große Unterschiede der Magnetfelder bei Jupiter und Saturn

Die Gasplaneten Jupiter und Saturn bestehen hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. Ihre Magnetfelder unterscheiden sich jedoch stark. Über die Ursache dieser Unterschiede wird bisher nur spekuliert. Bei beiden Planeten verdichtet der hohe Druck im Inneren den Wasserstoff zu einem elektrischen Leiter. Die Bewegung des metallischen Wasserstoffs spielt zusammen mit der schnellen Rotationsperiode eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung des Magnetfeldes, das beim Jupiter stark ausgeprägt ist und dem der Erde ähnelt.

Das Magnetfeld des Saturn ist dagegen sehr schwach. Als größter Planet besitzt Jupiter erwartungsgemäß auch das stärkste Magnetfeld aller Planeten des Sonnensystems. So beträgt es 400 µT an der Oberfläche und 1.040 bis 1.400 µT an den Polen. Es ist 20-mal größer als das der Erde. Seine Magnetosphäre ist 1.000-mal größer als die der Erde und das zweitgrößte messbare Objekt im Sonnensystem. Die Magnetosphähre ist der Raumbereich um ein astronomisches Objekt, in dem geladene Teilchen von seinem Magnetfeld beeinflusst werden. Sein Dipolmoment beträgt 1,55 x 10²⁰ Tm³.

Saturn ist kleiner und kälter als Jupiter. Bei den tieferen Temperaturen entstehen durch verschiedene Prozesse Schichtungen verschiedener Gasgemische. Diese Schichten unterdrücken die Konvektion in den leitenden Schichten. Der obere Teil der Dynamoregion ist außerdem recht passiv und filtert die komplizierten Anteile des Magnetfeldes heraus. Saturns äquatoriales Feld beträgt etwa 20 µT und ist etwas schwächer als das der Erde mit 30 µT.

Die Einzigartigkeit bei Saturn liegt in der Ausrichtung der magnetischen Achse: Sie scheint exakt mit seiner Rotationsachse übereinzustimmen. Bei allen anderen Planeten sind die beiden Achsen zueinander geneigt.

Die Magnetfelder der Riesenplaneten aus Eis

Die Magnetfelder und ihre Ursache von Uranus und Neptun unterscheiden sich deutlich von allen anderen planetaren Magnetfeldern unseres Sonnensystems. Die Gründe dafür sind vermutlich ein sehr hoher Druck sowie eine besondere Form von sogenanntem „heißem Eis“. Uranus und Neptun sind von einer Wolkenhülle aus Wasserstoff und Helium umgeben. Darunter befindet sich Wasser in Form von Eis mit Spuren von Methan und Ammoniak. Druck und Temperatur nehmen nach innen hin stark zu und verdichten das Eis. Je nach Stärke des Drucks bilden sich aus dem Wasser verschiedene Varianten exotischer Wasserkristallstrukturen bis hin zu superionischem Eis – hier zerfallen die Wassermoleküle in ihre Bestandteile Sauerstoff- und Wasserstoffionen.

Die Forscher vermuten, dass sich die Wasserstoffionen durch die stationären Sauerstoffionen bewegen können und so als bewegte Ladung das Magnetfeld erzeugen. Der Druck im Inneren von Neptun und Uranus beträgt 50 Gigapascal bei etwa 6.500 K und sollte groß genug sein, um ein solches superionisches Eis zu erzeugen. Dies würde auch den Verlauf der Feldlinien erklären: Sie verlaufen nicht parallel und symmetrisch zur Rotationsachse des Planeten, sondern sind verdreht. Das ist ein weiterer Hinweis darauf, dass nicht die Rotationsbewegung des geschmolzenen Planetenkerns, sondern die Konvektion im superionischen Eismantel des Planeten für die Entstehung des Magnetfeldes verantwortlich ist.

Die außergewähnlichen Magnetfelder von Uranus und Neptun

Das Magnetfeld des Uranus ist außergewöhnlich und hat die Form eines Quadrupols. Eines der beiden Polpaare ist gegenüber der Rotationsachse um fast 60 Grad geneigt. Sein Zentrum ist um ein Drittel des Planetenradius nach Süden verschoben. Es wird wahrscheinlich durch die Bewegung von ionisiertem Wasser in geringer Tiefe erzeugt. Das mittlere Feld an der Oberfläche beträgt 23 µT, das Dipolmoment ist 50 mal stärker als das der Erde.

Neptun ist der äußerste Planet unseres Sonnensystems und noch wenig erforscht. Voyager 2 war bisher die einzige Raumsonde, die am 25. August 1989 an ihm vorbeigeflogen ist. Neptun besitzt nur eine dünne Schicht leitenden metallischen Materials. Außerdem besitzt er ein schwaches Quadrupolfeld. Das äquatoriale Feld beträgt 1,4 µT, das Dipolmoment 2,2 x 10¹⁷ Tm³. Die Rotationsachse des Neptun ist gegenüber der Bahnebene um 28 Grad geneigt. Das Magnetfeld ist um weitere 47 Grad gegen die Rotationsachse geneigt. Zudem verläuft das Zentrum des Magnetfeldes nicht durch das Zentrum des Planeten. Das deutet darauf hin, dass das Magnetfeld in den äußeren Schichten erzeugt wird. Das legt die Vermutung nahe, dass sich das Magnetfeld in einer Phase der Umpolung befindet.