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.

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.

Doch im Laufe der Zeit änderte sich das: Die schwereren Stoffe sanken nach unten zum Erdmittelpunkt – vor allem Metalle. Gesteine hingegen waren etwas leichter und stiegen nach oben, die leichtesten bis zur Erdoberfläche. Dort kühlten sie langsam ab und erstarrten.

So trennte sich das Material der Erde in die drei kugelförmigen Schichten, die wir heute kennen. Man kann sich den Aufbau der Erde vorstellen wie einen Pfirsich: Außen ein hauchdünne „Schale“ aus leichtem, festem Gestein – die Erdkruste. Sie ist im Durchschnitt nur 35 Kilometer dick.

Unter der Kruste befindet sich das „Fruchtfleisch“ – der fast 3000 Kilometer mächtige Erdmantel aus schwerem zähflüssigem Gestein. Und im Inneren der Erde liegt der Erdkern aus den Metallen Eisen und Nickel.

Der Erdkern selbst besteht zunächst aus einer etwa 2200 Kilometer dicken äußeren Schicht, dem äußeren Kern. Dort ist es über 5000 Grad Celsius heiß, deshalb ist das Metall geschmolzen und so dünnflüssig wie Quecksilber.

Ganz innen liegt der innere Kern, etwas kleiner als der Mond. Er ist mit über 6000 Grad Celsius noch etwas heißer als der äußere Kern – aber überraschenderweise fest. Das liegt daran, dass mit zunehmender Tiefe nicht nur die Temperatur steigt, sondern auch der Druck. Die äußeren Schichten, die auf dem Erdkern lasten, drücken sein Material so unvorstellbar stark zusammen, dass es sich nicht verflüssigen kann.

Egal ob Lavalampe, Wasser im Kochtopf oder Erdmantel, der Grund ist immer gleich: Wenn eine Flüssigkeit erwärmt wird, steigen warme Blasen nach oben. Das liegt daran, dass die winzigen Teilchen, aus denen sie besteht, sich bei zunehmender Temperatur immer stärker hin und her bewegen. Dafür brauchen sie mehr Platz und drängeln sich nicht mehr so eng zusammen. Im gleichen Volumen sind jetzt weniger Teilchen als in der Umgebung, es ist also leichter und steigt nach oben. Dort kühlt diese Blase wieder ab und die Teilchen brauchen weniger Platz. Das Volumenstück wird schwerer als die Umgebung, sinkt wieder ab und der Kreislauf beginnt von vorne. Wenn eine Flüssigkeit wegen eines Temperaturunterschieds im Kreis fließt, spricht man auch von Konvektion.

Bei einer Lavalampe bringt die Wärme der Lampe die Flüssigkeit in Bewegung. Im Erdinneren ist der heiße, feste innere Erdkern die Wärmequelle. Er erwärmt das darüber liegende flüssige Metall des äußeren Erdkerns. Dieses steigt nach oben und gibt seine Wärme an den Erdmantel weiter, wodurch es allmählich abkühlt. Dann sinkt es wieder nach unten, wo es sich erneut erhitzt.

Ein zweiter, ähnlicher Kreislauf findet im Erdmantel statt: Sein aufgeheiztes Gestein bewegt sich vom Kern nach oben in Richtung Erdkruste, an die es wiederum Wärme abgibt. Nachdem es sich abgekühlt hat, fließt es abwärts zum Erdkern, wo der Kreislauf erneut beginnt. Weil das Erdmantelgestein sehr zäh ist, bewegt es sich die Konvektionsströmung nur wenige Zentimeter pro Jahr – so dauert ein Kreislauf eine lange Zeit.

Durch die Gesteinsströme im Erdinneren wirken große Hitze und Druck auf die dünne Erdkruste. Nicht immer kann sie dem Stand halten: Ab und zu reißt sie an einzelnen Stellen auf und heißes Erdgestein entweicht durch Vulkane an die Erdoberfläche.

Ein Großteil der Hitze stammt noch aus den Kindertagen der Erde, als sich Staub und Gesteinsbrocken zu einem Planeten verdichteten. Das Wort „verdichten“ klingt allerdings etwas zu harmlos: In Wirklichkeit muss man sich das vorstellen, wie viele große Meteoriteneinschläge – jeder Einschlag eine gigantische Explosion, die den jungen Planeten aufheizte und das Material schmolz.

Seitdem ist es etwas ruhiger geworden und die Erde kühlt sich wieder ab. Das tut sie allerdings äußerst langsam, die Hitze im Erdinneren kann nur sehr langsam in das Weltall entweichen. Heiße Magmaströme im zähen Erdmantel transportieren die Wärme nach oben. Dort bleibt sie unter der starren Erdkruste wie unter einem Deckel eingeschlossen. Nur langsam gibt das Krustengestein die Wärme ins Weltall ab.

Außerdem wird im Inneren der Erde immer noch Wärme nachproduziert. Das liegt daran, dass die Erde in ihrem Kern eine Menge radioaktiver Stoffe wie beispielsweise Uran besitzt. Seit der Entstehung unseres Planeten zerfallen sie und geben dabei über einen sehr lange Zeitraum Wärme ab. Dieser „Brennstoff“ reicht noch für viele Milliarden 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.

Sie ist benannt nach dem französischen Wissenschaftler Gaspard Gustave de Coriolis, der sie im Jahr 1835 als erster mathematisch untersuchte. Ursache für die Corioliskraft ist die Drehung der Erde um die eigene Achse: Am Äquator dreht sich die Erde mit 1670 Kilometern pro Stunde nach Osten, in Richtung der Pole nimmt die Geschwindigkeit immer weiter ab. Strömen Luftmassen vom Äquator zum Nordpol, nehmen sie den Schwung nach Osten mit und bewegen sich dann schneller als die Erdoberfläche. Von der Erdoberfläche aus betrachtet, sieht es so aus, dass sie von ihrem Nordkurs nach Osten – also nach rechts – abgelenkt werden. Umkehrt werden Luftmassen, die vom Pol zum Äquator strömen, von der Erdoberfläche überholt, werden also auf ihrem Südkurs nach Westen – ebenfalls nach rechts – abgelenkt.

Auf dem Weg zum Südpol sind die Richtungen umgekehrt: Luftmassen auf dem Weg zum Pol werden von ihrem Südkurs nach Osten, also nach links abgelenkt – ebenso wie die Luftmassen auf Nordkurs Richtung Äquator, die nach Westen abgelenkt werden. So führt also die Corioliskraft auf der Nordhalbkugel zu einer Rechtsablenkung, auf der Südhalbkugel zu einer Linksablenkung, und zwar um so stärker, je näher man den Polen kommt.

Auf diese Weise beeinflusst die Corioliskraft das globale Windsystem, die großen Luftströmungen auf der Erde. Damit hat sie einen großen Einfluss auf das Wetter: In unseren Breiten zum Beispiel strömt die Luft Richtung Nordpol und wird daher nach Osten abgelenkt. Bei uns kommt der Wind also meistens aus Westen, vom Atlantik her und bringt deshalb eher feuchte Luft mit gemäßigten Temperaturen. Auch die Jetstreams verdanken ihre Richtung der Corioliskraft.

Sogar tropische Wirbelstürme mit einigen 100 Kilometern Durchmesser entstehen mit Hilfe der Corioliskraft. Denn durch sie beginnt sich feuchtheiße Luft zu drehen bis sie zum zerstörerischen Wirbel heranwächst. Die Corioliskraft wirkt sich aber nicht nur auf große Luftmassen aus, sie lenkt auch Meeresströmungen ab. So ist es zu erklären, dass der warme Golfstrom auf dem Weg nach Norden nach rechts driftet und große Teile Nordeuropas beheizt.