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Erdmagnetismus [1]

[493] Erdmagnetismus. Die Erde hat außer der Schwerkraft noch eine zweite Richtkraft, die erdmagnetische Kraft. – Der Magnetismus wurde zuerst an den Eigenschaften des Magneteisensteins erkannt; der Magnetit wird bei längerem Liegen an der Luft stark magnetisch, in geringerem Maße zeigen aber alle Mineralien magnetische Eigenschaften.

Die magnetische Richtkraft der Erde wurde bald benutzt zur Herstellung von Wasserbussolen, von auf Stroh oder Holz in Wasser schwimmenden Magnetitstückchen; sie ermöglichte schon den Chinesen die Ausführung von Land- und Seereifen [1]. Im 12. Jahrhundert kannte man die Bussole auch im Abendlande. – Die Uebertragbarkeit des polaren Magnetismus durch Streichen führte zum Gebrauche von Eisennadeln an Stelle des Magneteisensteins, später zur Verwendung des Stahls; aus der Wasserbussole entstand nach und nach die Bussole (bussola, Büchse) und der Kompaß mit Windrose (compasso, Einteilung) und Cardanischer Aufhängung. Damit war die Möglichkeit zur Ausführung größerer Seereisen gegeben. Im Lande wurde der Kompaß auch zur Aufstellung von Sonnenuhren benutzt [2].

Auf seiner ersten Seereise 1492 erkannte Kolumbus, daß die Kompaßnadel nicht, wie man seitdem glaubte, genau nach Norden zeige, er fand die magnetische Deklination oder Mißweisung. Später wurde im Innenlande die Deklination durch den Nürnberger Kompaßmacher Georg Hartmann aufs neue gefunden; Hartmann bestimmte sie 1510 in Rom zu 6° östlich, 1536 in Nürnberg zu 11,5° östlich. Man fand bald, daß die Deklination mit der geographischen Länge sich ändere, auch erkannte man die Aenderung mit der Zeit, die säkulare Variation. Die Verwendung des Kompasses im Bergbau brachte die Beobachtung der Magnetnadel in den Bergstädten wie Freiberg und Claustal mit sich; für Freiberg fand man als Maximum der Deklination 11,5° östlich um 1540, als nächstes Minimum 18,3° weltlich für 1805 [3]. Daß die Deklination einer wiederkehrenden täglichen Schwankung unterworfen sei, ist vielleicht auch schon von Kolumbus entdeckt worden.

Während man die magnetische Deklination schon frühzeitig beobachtete und weiter verfolgte, ist die Inklination, die Neigung der magnetischen Kraftlinien – obwohl schon von Hartmann gemessen –, doch lange Zeit wenig beachtet worden. Noch viel später erst stellte man Messungen über die Stärke der magnetischen Kraft, die erdmagnetische Intensität, an.

Die Vorstellung von dem Wesen des Erdmagnetismus gewann zuerst eine wissenschaftliche Form in der Auffassung von Gilbert, der in seinem Werke De magnete, London 1600, die Erde als Magnet mit zwei Polen erklärte. Das eigentliche Studium des Erdmagnetismus, auf Grund scharfer Beobachtungsmethoden und gleichzeitiger Messung an verschiedenen Orten, wurde aber erst in einer vollumfässenden, für alle Zeiten grundlegenden Form von Karl Friedrich Gauß durchgeführt. Gauß und Weber gründeten den Magnetischen Verein, dessen Beobachtungsmaterial, zusammen mit allen übrigen erdmagnetischen Messungen, Gauß in den Stand setzte, eine vollständige Theorie des Erdmagnetismus zu entwickeln und den magnetischen Zustand der Erde mathematisch darzustellen [4], [5]. Ausgedehnte erdmagnetische Forschungen, die magnetische Messung ganzer Länder – durch Lamont in München allein die Messung eines großen Teils Europas – reihten sich an [6], [7]. – Diesem Aufschwung folgte ein Stillstand, der aber nur einige Jahrzehnte anhielt. Gegen Ende des vorigen Jahrhunderts wurde die erdmagnetische Forschung in allen Kulturstaaten mit großem und anhaltendem Eifer aufgenommen. – Mit vermehrtem und besserem Beobachtungsmaterial wurden die Gaußschen Berechnungen neu durchgeführt, die Theorie wurde weiter entwickelt [8]–[11]. – Die alten magnetischen Observatorien wurden wieder in Betrieb gesetzt, neue wurden errichtet, und es gibt jetzt auf der ganzen Erde eine Anzahl von Zentralpunkten, an denen der Verlauf der erdmagnetischen Kraft fortlaufend registriert und studiert wird; die bekanntesten und größten sind in Kew in England, Parc St. Maur bei Paris, Pawlowsk bei Petersburg und in Potsdam [12], [13]. Außer den ständigen gibt es noch temporäre magnetische Observatorien zu vorübergehender Benutzung [14]–[16] und auch feste magnetische Warten, in denen nur ein Teil des Erdmagnetismus registriert wird, z.B. die Deklination, wie in Bochum, Beuthen und Claustal. Die Observatorien sind sorgfältig aneinander angeschlossen [17], um alle Beobachtungen unter sich vergleichbar zu machen.

Zu den Aufgaben der Observatorien gehört außer der fortlaufenden Registrierung auch die absolute Messung der erdmagnetischen Elemente. Eine Gefährdung, zum Teil geradezu eine Vernichtung der erdmagnetischen Observatorien entsteht durch vagabundierende Ströme der die Erde als Rückleitung benutzenden elektrischen Kraftanlagen, Einwirkungen sind bis zu 17 km Entfernung nachgewiesen [18], [19].

Die Ergebnisse magnetischer Messungen werden für Deklination D und Inklination I in Gradmaß, für Intensität (Horizontal-, Vertikal-, Totalintensität) sowie für die Nord-, Ost- und Vertikalkomponente (Vertikalintensität) im absoluten Maßsystem C.G.S. angegeben (die Gaußsche Einheit war auf Millimeter und Milligramm bezogen und zehnmal größer). Ein Hunderttausendstel der jetzigen Einheit Γ wird mit γ bezeichnet.

Variationsinstrumente. Früher an Kokon- oder Metallfäden, jetzt meist an Quarzfäden werden Magnete aufgehängt, deren kleine Drehung durch sich mitdrehende Spiegel beobachtet wird, entweder nur gelegentlich durch Fernrohr und Skala (Gauß-Pogg.), oder fortlaufend durch photographische Registrierung. Gauß verwendete große Magnete; jetzt werden[493] nach Eschenhagen meist nur kleine genommen. Der Deklinationsmagnet hat seine Achse im magnetischen Meridian, der Faden muß in der Mittellage torsionsfrei sein. Der Magnet für Horizontalintensität H wird nach Gauß bifilar, jetzt meist an einem Faden (unifilar) aufgehängt so verdreht, daß er senkrecht zum magnetischen Meridian steht. Von dieser Gleichgewichtslage zwischen Schwerkraft und erdmagnetischer Kraft aus werden die Variationen der Horizontalintensität gemessen, unter der Voraussetzung, daß die Schwerkraft (abgesehen von vorübergehenden Störungen wie Erdbeben) gleichgroß bleibe und daß die Torsionskraft T des Fadens dieselbe sei. Der Magnet für die Vertikalintensität V wird gewöhnlich ebenfalls senkrecht zum magnetischen Meridian gebracht, aber nicht immer an Fäden aufgehängt [20], sondern meist als magnetisierter eiserner Wagebalken auf zwei Spitzen gestellt und so ausbalanciert, daß er in der Mittellage horizontal fleht, Lloydsche Wage [21]. Da die magnetische Kraft jedes Magnets mit zunehmender Temperatur abnimmt, muß die Temperatur möglichst konstant erhalten werden, für H und V womöglich mitregistriert werden. Mit jedem Variationsinstrument ist ein Spiegel fest verbunden, er gibt die Basis; an den Magnet ist der bewegliche Spiegel angebracht, er gibt die Größe der Variation. Eine Anordnung für photographische Registrierung zeigt Fig. 1. Durch den Spalt einer Lampe gehen Lichtbündel nach dem festen und dem beweglichen Spiegel der Variationsinstrumente; sie passieren dabei eine Sammellinse am Instrument und fallen in der Brennweite dieser Linse auf eine Zylinderlinse, die sie auf einer dahinter liegenden Walze mit lichtempfindlichem Papier als Lichtpunkte projiziert. Ein Uhrwerk dreht die Walze um und blendet die festen Lichtpunkte für Zeitmarken ab. Die festen Spiegel geben die Basislinien, die beweglichen Spiegel die Variationskurven; dazu kommen die Temperaturkurven für H und V (Fig. 2).

Die Variationen des Erdmagnetismus zeigen verschiedene Perioden [22]–[29]. Unmittelbar erkennt man den täglichen Gang (Fig. 3). Als Amplitude bezeichnet man den Unterschied zwischen dem größten und kleinsten Wert eines Elementes in einem Tag. Aus dem Mittel stündlicher Werte von 1890–1900 hat sich für Potsdam [22] ergeben (a = ante merid., p = post merid.):

Der normale tägliche Gang ist vielfach gestört. Die glatte Registrierkurve zeigt Unregelmäßigkeiten, von kleinen Schwankungen – Elementarwellen – an und größeren Ausbiegungen bis zu den stärksten Zacken und Spitzen, deren Abweichung mehrere Grade betragen kann – magnetisches Ungewitter [30]–[32]. Je nach der Größe, Dauer und Häufigkeit der Störungen gibt man den täglichen Variationskurven nach Eschenhagen [12] den Charakter 1 (ruhige Kurven mit nur vereinzelten kleinen Ausbuchtungen) bis Charakter 5 (völlige Entstellung des normalen Verlaufs, Fig. 4). Die Ursachen der magnetischen Störungen sind noch wenig erkannt, Polarlicht gibt stets eine starke Störung; auch zeigt die Häufigkeit der erdmagnetischen Störungen, der Sonnenflecken und der Polarlichter eine auffallend übereinstimmende elfjährige Periode [1], [33]. Gegen Mittag kommen die wenigsten, am späten Nachmittag die meisten erdmagnetischen[494] Störungen vor [22]; manche Störungen scheinen zur selben Weltzeit einzutreten, manche rasch fortschreitenden Wirbeln anzugehören. Gewitter scheinen keinen Einfluß auszuüben, wenngleich die Magnetnadel durch einen nahe niedergehenden Blitzstrahl einen Stoß erhalten kann. Dagegen sind Sonnenfinsternisse [34], [35] und Erdbeben [36]–[41] von Einwirkung, auch vulkanische Ausbrüche.

Die erdmagnetischen Elemente zeigen eine fortschreitende Veränderung ihrer Größe, die säkulare Variation, als Folge einer Verschiebung des permanenten magnetischen Feldes um die Erde [77], [78]. Für die Deklination sind die Umkehrpunkte etwa 1540 und 1805 (für Freiberg und Claustal) beobachtet (s. oben), auch ist die Abnahme der Säkularvariation festgestellt; sonst hat man noch keinen Einblick, insbesondere sind die Vorausberechnungen für längere Zeit verfrüht. Gegenwärtig gilt für Potsdam (genähert für Deutschland) [42] als jährliche Veränderung:

Absolute Messung der erdmagnetischen Elemente [6], [12], [43]-[48]. Mittels eines Magnettheodolits mißt man die Deklination in zwei Lagen des Magnets, so daß die Schiefe des Magnetspiegels herausfällt. Der Deklinationsmagnet hängt dabei an einem Faden oder er schwingt mittels eines Achat- oder Saphirhütchens auf einer Stahlpinne [49]. Gewöhnlich stellt man das mittels eines Prismas gut beleuchtete Fadenkreuz des Theodolitfernrohrs auf sein Spiegelbild ein (Autokollimation), also in die Richtung der Normale des Magnetspiegels. Durch Verbindung mit gegebenen Richtungen (durch Triangulierung) oder einem direkt abgeleiteten Azimute (mit einem Gestirn, Sonne) erhält man den augenblicklichen magnetischen Meridian und mit Berücksichtigung der Variationen den mittleren magnetischen Meridian des Beobachtungsortes für den gewählten Zeitpunkt.

Die Inklination erhält man durch ein Nadelinklinatorium, das man in den magnetischen Meridian stellt; entweder durch Aufsetzen auf den Magnettheodolit oder dadurch, daß man erst die Lage aufsucht, in der die Nadel senkrecht steht (Ebene senkrecht zum magnetischen Meridian, also Vertikalinklination allein wirkend), und dann um 90° dreht. Umsetzen der Nadel und des Inklinatoriums. Ummagnetisieren der Nadel [50]. – Eine schärfere Messung der Inklination erlaubt der Erdinduktor. Wenn man eine Spule dreht, so induziert das erdmagnetische Feld einen Strom; fällt die Drehachse mit der Kraftlinie zusammen, so wird der Strom null, das Galvanometer gibt keinen Ausschlag; die Neigung der Drehachse ist dann die Inklination.

Die Horizontalintensität erhält man, zusammen mit dem magnetischen Moment M des Ablenkungsmagnets, aus Ablenkungen M/H und aus Schwingungen M · H [6]. In der Höhe des Deklinationsmagnets, senkrecht zum Fernrohr, sind an der Alhidade zwei diametral stehende Ablenkungsschienen angebracht, in die der Ablenkungsmagnet eingelegt wird. Man dreht nun die Alhidade so lange, bis der Deklinationsmagnet senkrecht zum Ablenkungsmagnet steht, um den Ablenkungswinkel zu erhalten. Sinusmethode statt der früher üblichen Tangensmethode. Umsetzen des Magnets auf die andre Schiene, umlegen. Scharfe Bestimmung der Magnettemperatur, wegen Abnahme des Moments mit steigender Temperatur. Wegen unbekannter Poldistanz beobachtet man in zwei Entfernungen [6], [50].

Die Schwingungsdauer des Ablenkungsmagnets (für Reihen von 100 Schwingungen) beobachtet man in einem hölzernen Schwingungskästchen, auf den Theodolit aufsetzbar, mit Benutzung eines Chronometers. Berücksichtigung der Fadentorsion [79].

Für die Messung der Intensität, auch der Intensitätsvariationen muß außer der Magnettemperatur auch der Temperaturkoeffizient des Ablenkungs-(und Variations-) magnets bekannt sein. Man bestimmt diesen Koeffizienten an einem Ort von bekannter Intensität (magnetisches Observatorium) bei hohen und niederen Temperaturen, zusammen mit einer von der Magnetisierung der Stäbe unabhängigen Instrumentenkonstanten C [6], [12], auch der Konstanten für relative Messungen. Die Induktion der Ablenkungsmagnete ist mit in Rechnung zu ziehen. Alle Messungen sind mit den Variationen der Basisstation auf einen gemeinsamen Basisstand zurückzuführen, auch sind die Aenderungen der Basiswerte der Variationsinstrumente in kurzen Zeitabschnitten durch absolute Messungen zu bestimmen (Aenderung der Lage der festen Spiegel) [46]. Wenn die Horizontalintensität zu klein wird – also in der Nähe der erdmagnetischen Pole, von denen der eine in etwa 70° nördl. Breite und 100° westl. Länge v. Gr., der andre noch unbestimmt in der südlichen Polarzone liegt [80] –, mißt man besser die Totalintensität durch Ablenkungen am Inklinatorium, doch wird dann der Schwere wegen die Genauigkeit der andern Elemente nicht erreicht.

Für magnetische Landesaufnahmen verlangt man eine Genauigkeit von V in Deklination und Inklination, 5–10 γ in Horizontalintensität. Die andern Elemente werden aus diesen dreien berechnet. Man stellt magnetische Karten her mit Linien gleicher Deklination, Inklination und Intensität: Isogonen, Isoklinen, Isodynamen.

Relative magnetische Messungen. Wenn man in kurzen Zeitabschnitten an eine Basisstation anschließt, kann man die Aenderung in der Magnetisierung der Magnete und die Lageänderung von Instrumententeilen als proportional mit der Zeit verlaufend annehmen und auf Zwischenpunkten relative Messungen ausführen: man kann dann die Deklination in einer Lage, die Inklination ohne Ummagnetisieren, vor allem aber die Horizontalintensität entweder nur aus Ablenkungen oder nur aus Schwingungen bestimmen [43], [46]. Relative Messung der Deklination kommt meist bei Orientierungsmessungen vor [52]–[54]. – Die Stationen der magnetischen Landesaufnahmen sind weit voneinander entfernt (Vereinigte Staaten von Nordamerika 70 km, Norddeutschland 40 km, Württemberg 20 km). Dazwischen finden die Einzelmessungen statt,[495] zur Verfolgung regionaler Störungsgebiete mit Stationen von wenigen Kilometern Entfernung [55]–[57] und weitergehend von lokalen Störungsgebieten mit Messungspunkten in oft nur wenigen Metern Entfernung. Es handelt sich hier um die Bestimmung der Hörenden Kräfte nach Richtung und Größe zur Vermeidung von Abirrungen bei der Schiffahrt [55] oder falscher Orientierung im Bergwerk [58], oder um das Studium geologischer Verhältnisse in der Erdrinde [56]–[64] im besonderen zur Aufsuchung magnetischer Lagerstätten. Man stellt Pläne der magnetischen Störungskräfte her, zeichnet die Linien gleichgroßer Abweichungen vom normalen Verlaufe ein, dazu die Linien größter positiver und größter negativer Abweichung; die ersteren heißen magnetische Kammlinien, die letzteren magnetische Tallinien. Geologische Verwerfungen allein scheinen nicht selbständige Ursachen magnetischer Störungen zu sein, wohl aber die Spaltenfüllungen; es scheint also der Gebirgsmagnetismus, nicht die vermutete Ablenkung des Erdstroms durch Spalten die Ursache der Störung im erdmagnetischen Felde zu sein [57], [58]. Bei großen und rasch wechselnden Störungen hat man nicht sehr genau, dafür aber rasch zu messen. Ein sehr handliches Instrument ist das Magnetometer von Thalén-Tiberg [65]–[67], [52]. Das Wesentliche ist ein zum Kippen eingerichteter Kompaß. Zunächst erfolgt bei horizontal gestelltem Kompaß die relative Messung der Deklination und der Horizontalintensität durch Ablenkung; dann wird in der Ebene senkrecht zum magnetischen Meridian der Kompaß vertikal gestellt, die Deklinationsnadel ist jetzt Inklinationsnadel. Durch einseitige Belastung steht die Nadel aber nicht vertikal, sondern im normalen Felde horizontal, ihr Neigungswinkel im Störungsgebiete gibt die Vertikalintensität. Zur ersten Begehung eines stark gestörten Gebietes bedient man sich auch wohl des schwedischen Kompasses, einer einfachen Büchse mit horizontal und zugleich vertikal beweglicher Magnetnadel [52]. Zur Messung der Intensität allein verwendet man auch Lokalvariometer [68], [69]. – Je nach der Genauigkeit der Messung muß man sich mehr oder weniger von zufälligen Störungen fernhalten, also nicht ganz eisenfreie Kleidung, die Einwirkung elektrischer Ströme, die Nähe von Eisen, Leitungsröhren, Backsteinmauern, sodann nicht eisenfreie Lampen und strahlende Wärme vermeiden.

Die Aufgabe der erdmagnetischen Observatorien liegt im internationalen erdmagnetischen Dienst und der Lösung internationaler Aufgaben [8], [70]–[76]; die Aufgabe der Technik ist es, die erdmagnetischen Störungsgebiete zur praktisch-geologischen Klärung und Ausbeute zu durchforschen.

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Haußmann.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.