Im Bereich seines Magnetfeldes übt ein Magnet Kraft auf andere Magnete aus, zum Beispiel auf eine Kompassnadel. Auch durch feine Eisenspäne lässt sich die Wirkung eines Magneten sichtbar machen: Sie ordnen sich um den Magneten an und zeigen in Richtung seiner beiden Pole. Ein linienartiges Muster entsteht, das die magnetischen Kräfte anzeigt. Die Linien dieses Magnetfeldes sind die so genannten Feldlinien.

Auch das Erdmagnetfeld besitzt solche Feldlinien. In der Nähe des Südpols treten sie aus der Erde aus, verlaufen außerhalb der Erde bis zum Nordpol und verschwinden dort wieder in der Erde. Sie sind also angeordnet, als würde sich mitten durch die Erde ein riesiger Stabmagnet ziehen.

Der Südpol dieses gedachten Stabmagneten weist in etwa zum geographischen Nordpol, sein Nordpol zum geographischen Südpol. Was zunächst verwirrend klingt, hat eine einfache Erklärung: Nord- und Südpol ziehen sich an. Darum zeigt der Nordpol der Kompassnadel zum magnetischen Südpol der Erde, der Südpol auf der Nadel zum magnetischen Nordpol.

Das Erdmagnetfeld dient aber nicht nur der Orientierung auf diesem Planeten. Es schützt uns zusammen mit der Atmosphäre auch vor Gefahren aus dem Weltraum. Eine dieser Bedrohungen ist ein geladener Teilchenstrom, den die Sonne ständig in alle Richtungen ausstößt. Dieser so genannte Sonnenwind wird vom Erdmagnetfeld abgelenkt. Wie eine Kapsel leitet das Erdmagnetfeld die geladenen Teilchen um, so dass sie an der Erde vorbeifliegen und für uns nicht mehr gefährlich sein können.

Das Geheimnis des Kompass wurde erst sehr spät gelüftet: Im Jahr 1600 gab der englische Wissenschaftler William Gilbert als erster eine vernünftige Erklärung für die Eigenschaft der Kompassnadel, sich in Nord-Süd-Richtung auszurichten: Die Erde selbst ist magnetisch. Die Kompassnadel richtet sich ganz einfach nach dem Magneten Erde. Und hilft so dem Menschen bei der Orientierung.

Mit Kompass und Karte im Gepäck kann sich also niemand verirren – vorausgesetzt man weiß, wie ihr Zusammenspiel funktioniert. Der Kompass besteht aus einer magnetisierten Stahlnadel, die in ihrer Mitte frei beweglich auf einer Spitze sitzt. Ähnlich den Zeigern einer Uhr auf dem Zifferblatt ist diese Spitze auf einer Skala mit allen vier Himmelsrichtungen angebracht. Liegt der Kompass waagrecht und ruhig, richtet sich seine Magnetnadel nach den Feldlinien des Erdmagnetfeldes aus: Sie zeigt in Nord-Süd-Richtung. Legt man unter den Kompass eine Karte und dreht sie solange bis ihre eingezeichnete Nordrichtung in die gleiche Richtung wie die Kompassnadel weist, ist die Karte eingenordet. Die Richtung des Zielortes ist jetzt leicht zu erkennen.

Eine kleine Schwierigkeit gibt es aber doch: Weil die magnetischen Pole der Erde ständig wandern, stimmen Magnetpol und geographischer Pol nicht genau überein. Das führt zu einem Winkelunterschied zwischen den beiden Polen. Diese so genannte Missweisung muss man beim Benutzen eines Kompasses beachten und nicht überall auf der Erde ist sie gleich groß. Bei uns in Deutschland ist die Missweisung relativ gering und beträgt ungefähr zwischen 1° bis 3° in Richtung Osten.

Nicht nur Menschen, auch Tiere orientieren sich am Erdmagnetfeld. Viele Tierarten unternehmen im Verlauf des Jahres lange Wanderungen, zum Beispiel Zugvögel. Um den weiten Weg nach Süden zu finden, orientieren sie sich an der Landschaft, dem Stand der Sonne und bei Nacht an den Sternen. Zusätzlich besitzen sie einen eigenen Magnetsinn, der ihnen die Richtung vorgibt. Mit diesem „Kompass im Körper“ können sie auch bei schlechter Sicht den richtigen Weg finden.

Das Eis der Arktis rund um den Nordpol bedeckt im Winter einen großen Teil des Nordpolarmeers. Es erstreckt sich dann über eine Fläche von mehreren Millionen Quadratkilometern. Zum großen Teil handelt es sich dabei um eine Eisschicht, die auf dem Meer schwimmt. Außerdem bedeckt das arktische Eis die nördlichen Gebiete von Europa, Asien und Nordamerika.

Dagegen befindet sich der Südpol auf einem Kontinent, der Antarktis. Die Antarktis ist der kälteste Ort auf der Erde. Ihre Landmasse liegt fast völlig unter einem Panzer aus Eis und Schnee begraben, der bis zu 4 Kilometer dick ist. Fast drei Viertel des Süßwassers auf der Erde sind in diesem Eis gespeichert.

Menschen, Tiere und Pflanzen haben sich dem Leben im „ewigen Eis“ angepasst. Eisbären oder Rentiere schützen sich zum Beispiel mit einer Fettschicht und einem dichten Fell gegen die Kälte. Die Antarktis bewohnen nur wenige Menschen, die Arktis ist etwas stärker besiedelt. Die bekanntesten Bewohner der Arktis sind die Inuit in Nordamerika und Grönland, daneben gibt es auch die Lappen in Nordskandinavien und Naturvölker im nördlichen Sibirien. Früher lebten sie dort als Nomaden und bewegten sich mit Hundeschlitten fort. Heute benutzen sie Schneemobile und viele von ihnen leben in Städten.

In den Eiswüsten um die Pole wächst wegen der großen Kälte kaum etwas. Der Boden zwischen den Polregionen und der kalt-gemäßigten Zone ist bis in große Tiefe dauerhaft gefroren. Nach dem lateinischen Wort „permanere“ für „andauern“ nennt man diesen Untergrund daher auch Permafrost. Nur wenige Monate im Jahr taut er etwas auf. Dann können besonders abgehärtete Pflanzen wie Moose, Flechten oder Zwergsträucher darauf wachsen. Diese Region rund um die Polargebiete wird auch subpolare Tundra genannt.

Die Polarregionen sind die kältesten Gebiete der Erde. Gerade hier zeigt sich auch, dass sich die Erde aufheizt: Seit einigen Jahren beobachten Forscher, dass die Eismassen von Arktis und Antarktis schmelzen. Die Folgen dieser Erwärmung lassen sich noch nicht genau abschätzen. Klar ist aber schon jetzt, dass viele Lebensräume durch das Schmelzen der Pole bedroht sind.

Das ganz genau zu erklären, ist gar nicht so einfach – an den Details forschen Wissenschaftler bis heute. Klar ist: Das Erdmagnetfeld entsteht im Erdkern. Der besteht vor allem aus den Metallen Eisen und Nickel und ist über 5000 Grad Celsius heiß. Im äußeren Erdkern sind die Metalle geschmolzen und damit flüssig, noch weiter innen ist der Druck so hoch, dass der innere Erdkern fest ist.

Der feste innere Kern wirkt wie eine Herdplatte: Er heizt die darüberliegende Flüssigkeit auf, die erhitzte Flüssigkeit steigt auf und trifft schließlich auf eine etwas kühlere Schicht. Dort gibt sie ihre Wärme weiter und kühlt sich selber dabei etwas ab. Als Folge sinkt sie wieder nach unten. Diesen Kreislauf nennt man „Konvektionsströmung“.

Im äußeren Erdkern gibt es also Strömungen aus Eisen – einem leitfähigen Material. Das kann man sich fast wie einen Draht vorstellen, der sich bewegt. Und von einem Draht, der sich in einem Magnetfeld bewegt, weiß man, dass darin eine Spannung erzeugt („induziert“) wird. Diese Spannung bringt wiederum elektrischen Strom zum Fließen und der erzeugt wieder ein Magnetfeld.

Während sich die Eisenmassen im Erdkern bewegen, dreht sich auch die Erde um ihre eigene Achse. Das bewirkt, dass diese Flüssigkeitsströme zusätzlich verdreht werden. Bei der richtigen Kombination aus Strömungsbewegung und Erdrotation kann das dazu führen, dass das erzeugte Magnetfeld so ausgerichtet ist, dass es das ursprüngliche Magnetfeld unterstützt und verstärkt. Und dieses verstärkte Magnetfeld induziert eine stärkere Spannung, die einen stärkeren elektrischen Strom fließen lässt, der das Magnetfeld noch weiter verstärkt. Auf diese Weise kann sich das Magnetfeld schließlich selbst stabil halten.

Am Anfang muss also ein kleines Magnetfeld zufällig vorhanden gewesen sein. Angetrieben durch Erdrotation und Erdwärme hat dieser Mechanismus dazu geführt, dass sich dieses selber immer weiter verstärkt hat. So stark, dass sich nach und nach im gesamten Erdkern ein Magnetfeld mit einer einheitlichen Richtung durchgesetzt hat. Dieses können wir dann auf der Oberfläche als „Erdmagnetfeld“ messen.

Es kann auch aber passieren, dass sich die Strömungsverhältnisse im Kern ein bisschen ändern. Dann funktioniert dieser Mechanismus, bei dem sich das Magnetfeld selbst erhält, nicht mehr so gut. Als Folge kann das Erdmagnetfeld insgesamt schwächer werden – und es ist sogar möglich, dass plötzlich in einem Teil des Erdkerns die entgegengesetzte Richtung die Oberhand gewinnt und sich diese nach und nach im ganzen Erdkern durchsetzt. Am Ende hat sich das Erdmagnetfeld komplett umgedreht: Aus Nordpol wurde Südpol und umgekehrt. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass eine solche „Polumkehr“ in der Vergangenheit schon oft stattgefunden hat, im Durchschnitt etwa alle 250.000 Jahre.

Die magnetischen Pole sind also auf Wanderschaft. Aber nicht nur das: Im Lauf der Geschichte hat sich das Erdmagnetfeld schon mehrfach komplett umgepolt. Durchschnittlich alle 250.000 Jahre ist das geschehen. Die letzte Umpolung liegt schon etwa 780.000 Jahre zurück. Ist eine erneute Polumkehr also „überfällig“? Seit einigen Jahren messen Experten, dass das Erdmagnetfeld schwächer wird. Diese Beobachtung sehen sie als Zeichen dafür, dass sich das Magnetfeld der Erde tatsächlich langsam umkehrt: Irgendwann wird der magnetische Südpol in der Antarktis liegen, der magnetische Nordpol in der Arktis. Wissenschaftler vermuten, dass es bis zu einer vollständigen Umpolung noch etwa 2000 Jahre dauern wird.

Der Beweis dafür, dass sich das Erdmagnetfeld schon mehrfach umgepolt hat, ist im Gestein verewigt. Gut sichtbar ist das vor allem an den mittelozeanischen Rücken, also an den Stellen, an denen der Ozeanboden wächst: Hier tritt ständig glutheißer Gesteinsbrei aus, der auch Eisen enthält. Solange dieser Gesteinsbrei flüssig ist, richten sich seine Eisenbestandteile nach dem aktuellen Erdmagnetfeld aus. Wenn das Gestein abkühlt und erstarrt, bleibt diese Ausrichtung auf Dauer darin „eingefroren“. Weil bekannt ist, wie stark die Ozeanböden wachsen, lässt sich anhand der magnetischen Ausrichtung dieses Gesteins ungefähr ausrechnen, wann und wie oft sich das Magnetfeld der Erde schon umgepolt hat.