Deklination (Geographie)

Der geographische Nordpol wird durch die Rotationsachse der Erde definiert. Er ist einer der beiden Punkte, in denen die Erdachse durch die Erdoberfläche tritt.

Der arktische Magnetpol ist definiert als jene Region der Erdoberfläche, in der das Erdmagnetfeld senkrecht in die Erde eintritt.[2] Er befindet sich – durch Lage und Gestalt des Erdmagnetfeldes bestimmt – in der kanadischen Arktis, lag im Jahr 2005 etwa 800 km vom geographischen Nordpol entfernt und ändert seine Lage jährlich um mehrere zehn Kilometer.

(Der magnetischen Polarität nach ist er ein Südpol, siehe Kompass.)

Ein zwischen dem magnetischen und dem geographischen Pol befindlicher Kompass zeigt nicht zum geographischen Pol, sondern in die entgegengesetzte Richtung zum magnetischen Pol – die Deklination beträgt in diesem rein geometrisch bedingten Extremfall 180°. In weniger polnahen Gegenden ist sie jedoch deutlich geringer.

Ein stets den örtlichen Kompassrichtungen folgender Weg läuft nicht auf den geographischen Nordpol zu. Dies ist auch dann der Fall, wenn der magnetische und geographische Pol in derselben Richtung liegen.

Es wird oft angenommen, die unterschiedliche Lage von magnetischem und geographischem Pol sei die alleinige Ursache dafür, dass ein Kompass nicht genau zum geographischen Nordpol zeigt. Dass dem nicht so ist, zeigt schon ein Blick auf eine Deklinationskarte: Der arktische magnetische Pol liegt gegenwärtig etwa auf 133° westlicher Länge.[3] Da für alle Punkte, die auf dem Meridian 133° West liegen, magnetischer und geographischer Pol in derselben Richtung liegen, müsste die Deklination nach diesem Argument also Null sein. Tatsächlich beträgt sie aber auf diesem Meridian am Äquator und in gemäßigten nördlichen Breiten (im Pazifik vor der nordamerikanischen Küste) zwischen zehn und zwanzig Grad und nimmt zum Pol hin noch erheblich zu.

Dies ist auf Unregelmäßigkeiten in der Gestalt des Erdmagnetfeldes zurückzuführen, wie sie in der nebenstehenden Abbildung erkennbar sind. Als rote Linie dargestellt ist ein magnetischer Meridian, dessen Verlauf überall der von Kompassen angezeigten Richtung folgt. Der Winkel zwischen einem magnetischen Meridian und den blau dargestellten, exakt in Nord-Süd-Richtung verlaufenden geographischen Meridianen ist die örtliche Deklination. Wie zu erkennen ist, schneidet der dargestellte magnetische Meridian den in Bildmitte verlaufenden Längengrad 133° West (blau-rot-gestrichelte Linie) unter einem Winkel von gut zehn Grad und weist damit nicht zum magnetischen Pol. In seinem weiteren Verlauf zielt er zunächst östlich am Magnetpol vorbei, um dann aber nach einer Kurve doch in ihm zu enden. Ein Reisender, der stets der von seinem Kompass angezeigten Richtung folgt, erreicht also letztlich den magnetischen Pol, aber im Allgemeinen auf einem gekrümmten Weg. Ähnliche Verhältnisse gelten auch für die übrigen Regionen des Erdmagnetfeldes.

Ein Beobachter im deutschsprachigen Raum kann feststellen, dass die örtlichen magnetischen Meridiane in eine Richtung knapp östlich des geographischen Pols zielen, so dass die Deklination hier einige Grad Ost beträgt. In ihrem weiteren Verlauf folgen die Meridiane dieser Richtung zunächst fast geradlinig und schwenken erst nach Passieren des geographischen Pols in Richtung des Magnetpols um.

Die folgenden Diagramme zeigen die Verteilung der für die Ausrichtung von Kompassen ausschlaggebenden Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes. Rot dargestellt sind magnetische Meridiane, welche überall der von Kompassen angezeigten Richtung folgen.

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  Blick auf 0° geographischer Länge
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  Blick auf 90° geographischer Länge
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  Blick auf 180° geographischer Länge
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  Blick auf −90° geographischer Länge
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  Blick auf den arktischen Magnetpol
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  Blick auf den antarktischen Magnetpol
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  Blick auf Europa

Das Magnetfeld eines Stabmagneten kann vereinfacht durch zwei als Anziehungszentren wirkende Pole beschrieben werden …

… während das Erdmagnetfeld auf kompliziertere Weise über den äußeren Erdkern verteilt erzeugt wird.

Die irrtümliche Erwartung, die Kompassnadel müsse direkt zum erdmagnetischen Pol zeigen, wird dadurch begünstigt, dass sowohl die Pole eines herkömmlichen Magneten als auch die Pole des Erdmagnetfeldes trotz ihrer sehr unterschiedlichen Definition mit demselben Begriff „Pol“ bezeichnet werden.

• Die Pole eines einfachen Magneten wie beispielsweise eines Stabmagneten sind gedachte Punkte innerhalb des Magneten, die so gewählt wurden, dass das äußere Magnetfeld sich in möglichst guter Näherung durch gedachte Feldlinien beschreiben lässt, die von dem einen Pol als Feldquelle ausgehen und in den anderen als Feldsenke eintauchen. (Derartige einzelne Pole existieren nicht wirklich, aber sie können zur genäherten mathematischen Beschreibung des Feldes verwendet werden.) Das Feld solcher Magnete ist im Wesentlichen durch die Lage und die Stärke dieser Pole bestimmt.[5]

• Die Pole des Erdmagnetfeldes hingegen sind definiert als jene Orte an der Erdoberfläche, an denen das Magnetfeld senkrecht steht.[Anm. 1] Sie haben mit der Erzeugung und der Gestalt des Erdmagnetfeldes nicht direkt zu tun – sie sind eine Folge der Gestalt des Feldes, welches nicht an der Oberfläche, sondern in einer ausgedehnten Region des äußeren Erdkerns erzeugt wird.[6]

Das äußere Erdmagnetfeld kann man sich näherungsweise durch einen Stabmagneten im Erdinneren erzeugt denken. Soll dieses Ersatzfeld möglichst gut mit dem wirklichen Feld übereinstimmen, so müsste dieser gedachte Stabmagnet im Erdmittelpunkt sehr kurz sein. Seine Pole lägen tausende von Kilometern unterhalb der Pole des Erdmagnetfeldes, welche definitionsgemäß an der Oberfläche liegen.[5] Diese Betrachtung unterstreicht, dass die Pole des Erdmagnetfeldes keine Anziehungszentren wie die Pole eines Stabmagneten sind; sie sind lediglich jene Stellen an der Oberfläche, an denen das Magnetfeld zufällig senkrecht steht.[5] Wie dieses Ersatzbild bereits andeutet, verlaufen auch die realen Feldlinien des Erdmagnetfeldes keineswegs vom antarktischen zum arktischen Magnetpol. Sie entspringen vielmehr tief im Erdinneren der Südhalbkugel, treten an allen Orten südlich des magnetischen Äquators aus der Erdoberfläche aus, um über die Nordhalbkugel verteilt wieder in die Erdoberfläche einzutreten und weit ins Erdinnere abzutauchen (siehe auch → Inklination und → magnetischer Meridian).

Die Ausrichtung eines Kompasses wird daher nicht durch die Magnetpole kontrolliert, sondern ausschließlich durch die Richtung des örtlichen Magnetfelds. Die Richtung des örtlichen Magnetfelds an der Erdoberfläche wiederum ist durch die ungleichmäßige Verteilung der Feldquellen im Erdinneren bestimmt und nicht durch die Lage der Pole. Obwohl also die Kompassnadel wegen der dipolähnlichen Gestalt des Gesamtfeldes generell in eine nördliche Richtung zeigt, weicht über große Teile der Erdoberfläche die örtliche Richtung Feldlinien des Erdmagnetfeldes von der Richtung zum arktischen Magnetpol ab.

Deklinations-Weltkarte von Leonhard Euler aus dem Jahr 1753

Eine erste Beobachtung der Deklination wurde vermutlich um das Jahr 720 von dem chinesischen Astronomen Yi Xing vorgenommen. Aus den Jahren 720 bis 1280 lassen sich den chinesischen Quellen mindestens neun Bestimmungen der Deklination entnehmen. Europäische Quellen legen nahe, dass die Deklination in Europa seit den frühen 1400ern grundsätzlich bekannt war. Die erste europäische Messung der Deklination ist vermutlich eine von Georg Hartmann um 1510 in Rom durchgeführte Beobachtung.[7]

Gerhard Mercator schloss 1546 aus Beobachtungen der Deklination, dass der Punkt, zu welchem die Magnetnadel zeigt, sich nicht am Himmel befindet (also nicht mit dem Polarstern identisch ist, wie teilweise vermutet), sondern auf der Erde liegt. William Gilbert beschrieb 1600 die Erde selbst als einen großen Magneten, dessen Pole die Enden der Magnetnadeln anziehen.[7]

Portugiesische Seefahrer entwickelten Methoden, die Deklination auch auf See bestimmen und so den Kompass zur Ortsbestimmung nutzen zu können. João de Castro beispielsweise ermittelte zwischen 1538 und 1541 auf seinen Reisen nach Ostindien, entlang der indischen Westküste und im Roten Meer insgesamt 43 Deklinationswerte – der erste Versuch, die Deklination weltweit zu kartieren. Edmond Halleys zwei Schiffsreisen durch den Nord- und Südatlantik 1698–1700 waren die ersten Seefahrten, die zu rein wissenschaftlichen Zwecken unternommen wurden und resultierten 1702 in einer ersten Deklinationskarte für den Atlantik (Halleysche Linien).[7]

Veränderung der Deklination 1590 bis 1990 (Isogonenkarten)

Der Hauptteil des Erdmagnetfeldes wird durch Konvektionsströmungen im Erdkern erzeugt. Diese Vorgänge unterliegen sehr, sehr langsamen Veränderungen, welche auch langsame Änderungen der Deklination nach sich ziehen, die so genannten säkularen Änderungen. Diese spielen sich auf Zeitskalen von einigen Jahren bis zu einigen Millionen Jahren ab. Sie äußern sich in Europa gegenwärtig hauptsächlich in einer langsamen Westdrift der Isogonen um mehr als 20 km pro Jahr.[8] Die dadurch bedingte Veränderung der Deklination lässt sich nur für einige wenige Jahre näherungsweise vorhersagen.

Für München betrug die Deklination um 1841 fast 17° West und nimmt seither kontinuierlich östlichere Werte an.[9] Sie erreichte Ende der 1980er Jahre 0°, betrug 2014 gut 3° Ost, 2021 rund 4° Ost und nimmt jährlich um 9,7 Bogenminuten zu.[10]

Geringere Anteile des Erdmagnetfeldes stammen aus der Magnetosphäre und der elektrisch leitfähigen E-Schicht der Ionosphäre.[11] Diese Anteile unterliegen rascheren Änderungen, auf Zeitskalen von Sekundenbruchteilen bis zu einigen Jahren. Sowohl Magnetosphäre als auch Ionosphäre stehen insbesondere in Wechselwirkung mit dem Sonnenwind. Dessen Einfluss schwankt wegen der Erdrotation im Tagesrhythmus und führt unter anderem zu einem leichten Tagesgang der Deklination.

An magnetisch ruhigen Tagen (Sq-Variation) folgt die tägliche Schwankung einem im Einzelfall nicht exakt vorhersagbaren, im Mittel jedoch typischen Muster. Die Stärke der Schwankung hängt ab von der Tageszeit, der Jahreszeit, der geographischen (genauer: magnetischen) Breite und anderen Faktoren. In nördlichen Breiten nimmt die Deklination typischerweise gegen acht oder neun Uhr vormittags Ortszeit ein östliches Maximum an, dem gegen 13 oder 14 Uhr ein westlicher Extremstand folgt. Es schließt sich nachmittags und nachts eine langsame östliche Drift an, bis am nächsten Vormittag wieder ein östliches Maximum erreicht wird. In südlichen Breiten liegt das westliche Maximum am Vormittag und das östliche am Nachmittag. Die Stärke der Schwankung ist im Sommer größer als im Winter und in der Nähe eines magnetischen Pols größer als am Äquator. In Deutschland beträgt die typische tägliche Schwankung im Winter etwa vier Bogenminuten, an heißen Sommertagen etwa acht bis zehn Bogenminuten.[12][13]

Während eines magnetischen Sturms kann die Deklination in Polnähe um 30° und mehr schwanken, in gemäßigten Breiten bis zu etwa 2°.[14]

Änderung der magnetischen Deklination von 1600 bis 1858, auf einer Karte von 1891

Die Veränderlichkeit des Erdmagnetfeldes wurde erstmals von Henry Gellibrand festgestellt, welcher im Juni 1634 die Deklination in London um mehr als 7° kleiner fand als William Borough sie im Oktober 1580 gemessen hatte. Die Untersuchungen von Edmond Halley (darunter die auf zwei Schiffsreisen 1698–1700 gewonnenen magnetischen Messungen) deuteten eine Westdrift des Erdmagnetfeldes an. Dem Londoner Uhrmacher George Graham gelang 1722 mit einer auf 2′ ablesbaren Magnetnadel die Entdeckung beständiger täglicher Richtungsänderungen des Erdmagnetfeldes, die an einem Tag, manchmal innerhalb weniger Stunden, 30′ überschreiten konnten. Er unterschied als erster zwischen ruhigen und gestörten Tagen. Im Jahre 1741 stellten Olav Peter Hiorter und Anders Celsius in Uppsala einen Zusammenhang zwischen magnetischen Stürmen und Polarlichtern fest, als sie Änderungen der Deklination von 4° innerhalb von 4 Minuten beobachteten.[11]

John Canton wies 1759 in London nach, dass die mittlere Bewegung der Nadel an ruhigen Tagen im Sommer größer war (über 13′) als im Winter (weniger als 7′), womit erstmals eine Veränderlichkeit mit jährlicher Periode identifiziert worden war (Cassini zeigte 1782 in Paris, dass es sich nicht um einen bloßen Temperatureinfluss handelte). Die organisierte wissenschaftliche Untersuchung des Erdmagnetfeldes begann im frühen 19. Jahrhundert mit den Arbeiten von Humboldt in Berlin, Arago in Paris, sowie Gauß und Weber (den Gründern des Magnetischen Vereins) in Göttingen.[11]