Grundlagen

Heute ist allgemein bekannt, dass die Erde ein Magnetfeld besitzt. Im Gegensatz zu manchen Tieren, wie zum Beispiel Zugvögeln, hat der Mensch jedoch, soweit bekannt, kein Sinnesorgan, um ein Magnetfeld direkt wahrzunehmen. Er kann es nur mit Hilfe von Messgeräten nachweisen. Ein solches Messgerät stellt beispielsweise der magnetische Kompass dar, den schon die Chinesen vor über 1000 Jahren benutzten und der auch für die europäische Seefahrt im Mittelalter unentbehrlich war. Woher das Erdmagnetfeld stammt und wie es entsteht, war jedoch lange Zeit nicht bekannt. Erst William Gilbert (1544–1603), ein englischer Arzt und Naturphilosoph, konnte in seinem Werk „De magnete“ aus dem Jahre 1600 eine plausible Erklärung für die Ursachen des Magnetfeldes geben. Er stellte fest, dass die Erde selbst die Ursache für das Magnetfeld ist und dass man die Erde als einzigen großen Magneten ansehen könne.
Vereinfacht kann man das Erdmagnetfeld erklären, indem man sich einen Stabmagneten im Inneren der Erde vorstellt, dessen Südpol am geographischen Nordpol und umgekehrt dessen Nordpol am geographischen Südpol liegt. Dabei ist der Stabmagnet etwa 11,5° gegen die Rotationsachse der Erde geneigt, was die Abweichung des geographischen Pols vom magnetischen Pol erklärt.

Mit diesem einfachen und weit verbreiteten Modell kann jedoch nicht erklärt werden, weshalb sich die Kompassnadel in der Praxis auch gegen die Horizontale neigt. Für die Erklärung dieses Phänomens, das auch Inklination genannt wird, bedarf es eines genaueren Modells. Hierzu stellt man sich wieder einen Stabmagnet im Inneren der Erde vor, der diesmal allerdings viel kleiner ist und sich auf den Erdkern beschränkt.

Nun treten die Magnetfeldlinien nicht nur an den Polen, sondern überall auf der Erdoberfläche aus. Demnach ist das Erdmagnetfeld nicht parallel zur Erdoberfläche ausgerichtet, woraus sich die horizontale Neigung der Kompassnadel ergibt.
Diese Beobachtungen erfordern nun die Angabe von drei Grundkomponenten, um das Magnetfeld an einem bestimmten Ort vollständig zu beschreiben.

Alle weiteren Größen lassen sich daraus berechnen:

• Die magnetische Nord-Süd-Richtung, sowie die zugehörige Feldstärke (B_hor, H).
• Die Stärke und Richtung des Gesamtfeldes (B_ges, F).
• Der Deklinationswinkel, also die Abweichung des magnetischen Nordpols vom geographischen Nordpol (D).

Neben der Wärmestrahlung, die für das Leben auf der Erde von enormer Bedeutung ist, gibt die Sonne auch noch eine Reihe weiterer Strahlungsarten ab, welche unterschiedliche Einflüsse auf die Erde haben. Hier seien zum Beispiel die Ultraviolettstrahlung und die Röntgenstrahlung genannt, bei denen es sich jeweils um eine Form der elektromagnetischen Strahlung handelt. Hinzu kommen unter anderem energiereiche Teilchen, die als Sonnenwind bezeichnet werden. Die Erscheinungen, die diese Strahlungen auf der Erde und anderen Planeten auslösen, werden allgemein als Weltraumwetter bezeichnet. Genauer soll hier auf den Sonnenwind eingegangen werden, da dieser direkten Einfluss auf das Magnetfeld der Erde ausübt.
Beim Sonnenwind handelt es sich um einen Strom elektrisch geladener Teilchen, welcher auch als Plasma bezeichnet und von der Sonnenkorona ausgesendet wird. Dieses Plasma verlässt die Sonne normalerweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 400 km/s und braucht somit für die 150 Millionen Kilometer zwischen Sonne und Erde ungefähr vier Tage. Dieser Sonnenwind umströmt die vom Magnetfeld gebildete Magnetosphäre der Erde.
Der Teilchenstrom von der Sonne ist jedoch keineswegs gleichmäßig, sondern unterliegt starken Schwankungen. So gibt es Zeiten reger Sonnenaktivität, in denen es zu regelrechten Explosionen in der Sonnenatmosphäre, so genannten koronalen Massenauswürfen, kommen kann. In einem Zyklus von elf Jahren nimmt diese Sonnenaktivität zu und ab. Dabei erhöht sich die Teilchengeschwindigkeit und Teilchendichte um einige Größenordnungen und die geometrische Struktur der Magnetosphäre wird verändert.
Polarlichter, auch Aurora genannt, sind flackernde, schwebende Leuchterscheinungen am Himmel, welche durch die Wechselwirkung der Teilchen des Sonnenwindes mit den oberen Atmosphärenschichten entstehen und vor allem in der Nähe der Pole auftreten, da die elektrisch geladenen Teilchen durch das Erdmagnetfeld dorthin geführt werden.
Besonders in Zeiten starker Sonnenaktivität ist die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Polarlichtern, auch in unseren Breiten, gegeben. Der Erscheinung von Polarlichtern gehen starke Schwankungen im Erdmagnetfeld voraus. Aus diesem Grund ist es besonders für Astronomen und Fotografen interessant, das Erdmagnetfeld kontinuierlich zu beobachten, um damit eine Vorhersage für eventuell auftretende Polarlichter treffen zu können.
Ein weiteres interessantes Phänomen bei starker Sonnenaktivität und der damit verbundenen Interaktion mit dem Erdmagnetfeld ist die Möglichkeit der Herstellung sog. Aurora Verbindungen. Aurora-Verbindungen sind Funkverbindungen, die durch Reflexion an einer Aurora ermöglicht werden. Dabei werden Richtantennen auf eine Polarlichtzone gerichtet. Die Ionisationszentren in diesen Zonen reflektieren elektromagnetische Wellen. So können Verbindungen über eine Entfernung von über 2.000 km hergestellt werden. Wegen der starken Störungen ist jedoch fast nur telegrafischer Verkehr möglich. Solche Aurora-Bedingungen können, wie auch Polarlichter, durch eine Vermessung des Erdmagnetfeldes vorausgesagt werden.