Extrasolare Planeten: Der schwere Weg zur richtigen Atmosphäre

astronews.com Redaktion

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Nach Ansicht der meisten Astronomen ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis tatsächlich ein erdgroßer Planet in der lebensfreundlichen Zone um einen sonnenähnlichen Stern gefunden wird. Doch ist dies dann auch zwangsläufig eine zweite Erde? Sehr wahrscheinlich nicht, meint nun ein Wissenschaftlerteam, das sich mit der Entwicklung der Atmosphären von jungen Planeten beschäftigt hat. (16. März 2012)

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Bynaus

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Das deckt sich durchaus mit meinem Eindruck in den letzten Jahren: die Bewohnbarkeit eines Planeten hängt am stärksten von seiner Atmosphäre ab. Sicher, Entfernung zum Stern und solche Dinge spielen eine Rolle, aber da gibt es grossen Spielraum, so lange nur die Atmosphäre stimmt (gilt z.B. auch für einen Planeten mit gebundener Rotation: gewisse Atmosphärenbedingungen können die Probleme, die diese Situation mit sich bringt, entschärfen). Die Erdatmosphäre ist wohl tatsächlich aussergewöhnlich dünn für die Grösse des Planeten, was widerum nur deshalb über Jahrmilliarden möglich ist, weil ein Magnetfeld die Atmosphäre vor der Erosion durch den Sonnenwind schützt. Bei Mars und Venus hingegen sehen wir die Alternativen: dünne, erodierte Lufthülle bzw. nahezu "primordiale" (ursprüngliche) dichte Atmosphäre. In ein paar Jahren schon (wenn JWST oben ist) werden wir vermutlich erste Informationen über die Atmosphären der Kepler-Planeten erhalten, und da würde eine enorme Variation erwarten - von ausgedehnten Wasserstoffhüllen bei Suberden bis hin zu Supererden ohne nenneswerte Atmosphäre.
 

ismion

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Das sehe ich genauso, Bynaus. Allerdings würde ich noch die (mögliche) Anwesenheit eines intrinsischen Magnetfeldes zu den Faktoren addieren. Ich denke, wenn die Daten ausgewertet sind in Hinsicht auf die Atmosphären, dann kommt die Frage auf, ob Magnetfelder vorhanden sind / vorhanden waren. Ist halt die Frage, ob Dynamoprozesse eingesetzt haben könnten. Aber das wird sicherlich eine schwierige Aufgabe werden, wenn gar unmöglich.
Aber numerische Modelle für solche Situationen gibt es ja zu hauf (ich denke hierbei an den Wasserverlust des Mars bzw. den Verlust seines Magnetfeldes in erster Linie). Demnach könnte man einige Wege zur Beantwortung der auftretenden Fragen beschreiten.
 

Bynaus

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Allerdings würde ich noch die (mögliche) Anwesenheit eines intrinsischen Magnetfeldes zu den Faktoren addieren.

Das Magnetfeld spielt nur dann eine Rolle, wenn da eine sehr dünne (erdähnliche) Atmosphäre ist, die vor der Erosion durch den Sonnenwind geschützt werden muss. Ich würde aber nicht grundsätzlich ausschliessen, dass auch in einer dichteren Atmosphäre (deren Erhalt kein Magnetfeld benötigt), oder in der Atmosphäre eines Planeten/Mond, der deutlich weiter von seinem Stern entfernt ist (so dass kein Schutz nötig ist), Leben möglich ist.
 

ismion

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...dass auch in einer dichteren Atmosphäre (deren Erhalt kein Magnetfeld benötigt)...
Dabei denke ich an Titan. Dichte Atmosphäre ist direkt dem Plasmastrom ausgesetzt. Die Produktion/Aufrechterhaltung einer Atmosphäre ist hier größer, als sämtliche Flucht- und Erosionsprozesse.

...oder in der Atmosphäre eines Planeten/Mond, der deutlich weiter von seinem Stern entfernt ist (so dass kein Schutz nötig ist), Leben möglich ist.

Du musst bedenken, dass Sternwinde und kosmische Strahlung immer da sind. Deswegen denke ich, dass die Atmosphäre generell eher genügend dicht sein sollte. Aber dennoch schließe ich mich deiner Meinung an, denn ich kann mir das auch vorstellen!
 

Bifröst

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Hallo zusammen,

Byanus hat dieses Thema ja schon oft angeschnitten.
Sprich die Herausbildung der dünnen Erdatmosphäre und der Schutz durch das Magnetfeld.

Wenn erdgroße Planeten kein Magnetfeld haben, haben sie entweder keine oder eine sehr dichte Atmosphäre (wie auch geschrieben wurde).

Sollte die Dichte der Atmosphäre also grundsätzlich mit abhängig sein von der Größe eines Planeten sein.
Landen wir dann bei Monden von Gasriesen, wo mit erdähnlichen Atmosphären zu rechnen wäre?
Und kann das Magnetfeld des Gasriesen, das schwache Magnetfeld eines kleinen Mondes ausgleichen, um die Atmoshäre zu schützen oder ist dies eher kontraproduktiv?

Und eine viel grundsätzlichere Frage, welche wohl momentan kaum zu beantworten ist, sind lebensfreundliche Bedingungen wahrscheinlicher bei Gasriesen-Mond-Systemen oder bei Sonnen-Planeten-Systemen?

Ich bin mal gespannt wann wir die ersten von Gasriesen eingefangenen Planeten außerhalb von Sol finden.
 

Bynaus

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@Bifröst: Die Frage ist, wie massiv die Monde von Gasriesen wirklich werden können. Bei allen Gasriesen des Sonnensystems beträgt das Massenverhältnis zwischen dem Gasriesen und seinen Monden etwa 1:5000 - wenn das so stimmt, braucht es zumindest einen braunen Zwerg (= 5000 Erdmassen = 15.7 Jupitermassen), bis sich überhaupt erdgrosse "Monde" bilden. Einfänge dürften (dynamisch gesehen) auch nicht so einfach sein. Ich würde sicher nicht ausschliessen, dass es bewohnte oder zumindest bewohnbare Gasriesenmonde gibt - aber ich wäre sehr überrascht, wenn diese insgesamt häufiger wären als wirklich erdähnliche Umgebungen.
 

Bifröst

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@Byanus
Danke für die schnelle Antwort. Ich wollte allerdings auf einen anderen Punkt hinaus.
Zur Ausbildung einer erdatmösphäre bedarf es nicht der Größe der Erde. Das habe ich zumindest bei dir raus gelesen.
Nehmen wir mal den Mars, welcher wohl mal eine ähnlich dichte Atmosphäre hatte, diese aber aufgrund seines schwachen Magnetfeldes verloren hat.
Würde ein Mond der Größe des Mars um einen Gasriesen schwirren, könnte dessen Magnetfeld die Schutzfunktion übernehmen ohne große negative Aspekte? Dieser Gasriese müsste ja auch "nur" 3-5 mal so groß sein wie Jupi. Davon haben wir ja schon einige gefunden.

Also um es nochmal zusammen zufassen. Wenn die Erde für ihre dünne Atmosphäre zu groß ist, dann finden sich solche dünnen Atmosphären bei kleineren Objekten. Da diese kein starkes Magnetfeld zum Schutz besitzen brauchen sie einen externen Schützer und könnte eben dies ein Gasriese übernehmen?

Worauf ich hinaus will. Wenn die komplizierte Entstehung unserer Atmosphäre so entscheident ist für Leben, dann sollten wir Leben auf Objekten suchen, welche eher zu solchen Atmosphären tendieren.Und da denke ich eben an Monde um Gasriesen.
 

ismion

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@Bifröst:
Da diese kein starkes Magnetfeld zum Schutz besitzen brauchen sie einen externen Schützer und könnte eben dies ein Gasriese übernehmen?

Bedenke, dass innerhalb der Magnetosphäre eines Planeten ein Plasma strömt, was dem Sonnenwind "entspricht". ich setze hier bewusst Gänsefüßchen. Die Dynamik des Plasma mag sich unterscheiden, aber dennoch besteht eine Wechselwirkung zwischen dem Teilchenstrom und der Atmosphäre.
Was ich sagen will: Der große Beschützer könnte auch der große Vernichter sein, sofern die Abtransportraten der atmosphärischen Partikel größer sind als die Reproduktionsraten der Atmosphäre. Der Effekt ist natürlich deutlich schwächer als ein möglicher Effekt durch den supersonischen Sonnenwind, aber ich möchte dennoch darauf hinweisen.
Wenn ich nochmal Titan ansprechen darf: Titan ist sehr weit außen in der Saturnmagnetosphäre. Erhöht sich nun der Staudruck, welcher durch den schnellen Sonnenwind ausgeübt wird, auf das Magnetfeld des Saturn, so wird die Magnetopause soweit zurückgedrängt, dass der Titanorbit außerhalb des schützenden Magnetfeldes liegt! Er interagiert also direkt mit dem (geschockten) Sonnewind.
 

eschmidb

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Hallo,

ich kann mir gut vorstellen, dass ein erdähnlicher Exoplanet auch ein ähnliches Magnetfeld besitzt. Die Rotationsdauer von etwa 24 h dürfte nicht unwahrscheinlich sein und bei erdähnlicher Größe ist ein fester Kern mit flüssiger Schale wahrscheinlich. Das macht einen Dynamoeffekt sehr wahrscheinlich. Allerdings hat Kepler noch keinen Exoplaneten um einen sonnenähnlichen Stern entdeckt, was ich nach 3 Jahren eigentlich erwartet hätte. Gut dass die Mission verlängert wird.

Gruß Ernst
 

Kosmo

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Hallo,
Die Rotationsdauer von etwa 24 h dürfte nicht unwahrscheinlich sein [...]
'Unwahrscheinlich' ist relativ. Jedoch dürfte ein System 'zweite Erde+zweiter Erdmond' deutlich seltener sein als eine zweite Erde alleine. Ohne den Mond wäre die Rotationsgeschwindigkeit der Erde drei Mal so hoch.
 

Kosmo

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Umso besser für das Magnetfeld!
Für das Magnetfeld ist das bestimmt nicht negativ zu sehen. Dafür bekommst du andere Probleme, was die Entwicklung höheren Lebens angeht: katastrophale Windgeschwindigkeiten. Damit kann höheres Leben natürlich nicht ausgeschlossen werden, aber ich bin überzeugt davon, dass unsere Erde ein Extrembeispiel für Heimeligkeit ist.
 

Bynaus

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Da ich einige Zeit offline war, komme ich erst jetzt dazu, auf einige Beiträge hier zu antworten.

Bifröst schrieb:
Zur Ausbildung einer erdatmösphäre bedarf es nicht der Größe der Erde. Das habe ich zumindest bei dir raus gelesen.

Ja. Titan hat den 1.5-fachen Atmosphärendruck an der Oberfläche, obwohl er nur zwei Prozent der Erdmasse (oder zwanzig Prozent der Marsmasse) hat. Das zeigt, dass auch kleinere Welten dichte Atmosphären haben können.

Nun ist aber das reine Vorhandensein einer Atmosphäre bestimmter Dichte an sich nicht Hinreichend für die Bewohnbarkeit einer Welt. Atmosphären sind dynamisch, sie entwickeln sich, interagieren mit der Oberfläche und der Geophysik des Planeten. Auf der Erde zumindest kommt der Plattentektonik eine wichtige Aufgbe in der Stabilisierung der Atmosphäre zu: sie entfernt CO2 daraus (durch Subduktion von Sedimenten in den Mantel) und stabilisiert die CO2-Zufuhr über längere Zeiträume (durch wiederabgabe eines Teils des in Sedimenten subzudierten CO2 über Vulkane). Auf einer deutlich kleineren Welt wird es keine Plattentektonik geben, der Stabilisierungsmechanismus fällt weg. Ich will nicht ausschliessen, dass es andere Prozesse gibt, die diese Aufgabe übernehmen können - aber dann bewegen wir uns auf unbekanntes (unbeobachtetes) Terrain, auf dem wir nur spekulieren können.

eschmidb schrieb:
ich kann mir gut vorstellen, dass ein erdähnlicher Exoplanet auch ein ähnliches Magnetfeld besitzt. Die Rotationsdauer von etwa 24 h dürfte nicht unwahrscheinlich sein und bei erdähnlicher Größe ist ein fester Kern mit flüssiger Schale wahrscheinlich.

Sicher haben auch Exoplaneten Magnetfelder (bisher haben wir allerdings noch keines beobachten/nachweisen können). Die Rotationsdauer spielt bei Magnetfeldern aber keine sehr grosse Rolle (sie ist nicht absolut unbedeutend, aber andere Effekte sind wichtiger). Merkur etwa rotiert sehr langsam, hat aber ein für seine Grösse überraschend starkes Magnetfeld. Das Magnetfeld des deutlich grösseren und schneller rotierenden Mars ist relativ gesehen deutlich schwächer.

Weiter dürfte die Rotationsdauer eines Planeten (vor der Wirkung von Gezeiteneffekten) praktisch zufällig verteilt sein. Wir leben nur zufällig in einer Periode, in der die Erde eine sehr ähnliche Rotationsdauer wie der Mars aufweist. Vor 4.5 Mrd Jahren war die Rotationsdauer der Erde aber noch rund 4 Mal kürzer als jenes des Mars (letztere hat sich in Abwesenheit eines grossen Mondes wohl kaum verändert). Die Rotationsdauer der Venus hingegen war anfänglich möglicherweise in der Gegend von 6 (heutigen) Tagen - dann nämlich lässt sich ihre Entwicklung hin zum heutigen Zustand allein mit Gezeiten erklären.
 

Bifröst

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Ja. Titan hat den 1.5-fachen Atmosphärendruck an der Oberfläche, obwohl er nur zwei Prozent der Erdmasse (oder zwanzig Prozent der Marsmasse) hat. Das zeigt, dass auch kleinere Welten dichte Atmosphären haben können.

Nun ist aber das reine Vorhandensein einer Atmosphäre bestimmter Dichte an sich nicht Hinreichend für die Bewohnbarkeit einer Welt. Atmosphären sind dynamisch, sie entwickeln sich, interagieren mit der Oberfläche und der Geophysik des Planeten. Auf der Erde zumindest kommt der Plattentektonik eine wichtige Aufgbe in der Stabilisierung der Atmosphäre zu: sie entfernt CO2 daraus (durch Subduktion von Sedimenten in den Mantel) und stabilisiert die CO2-Zufuhr über längere Zeiträume (durch wiederabgabe eines Teils des in Sedimenten subzudierten CO2 über Vulkane). Auf einer deutlich kleineren Welt wird es keine Plattentektonik geben, der Stabilisierungsmechanismus fällt weg. Ich will nicht ausschliessen, dass es andere Prozesse gibt, die diese Aufgabe übernehmen können - aber dann bewegen wir uns auf unbekanntes (unbeobachtetes) Terrain, auf dem wir nur spekulieren können.

Auch wenn es spekulativ ist, aber in diese Richtung möchte ich mal gehen.
Wenn man annimmt, dass kleinere Planeten grundsätzlich erst mal eine dünnere Atmosphäre habe, dann kann der CO2 Kreislauf auch durch Ozeane übernommen werden? Da zum in Relation zum CO2 mehr Ozean zur Verfügung steht?
Oder kann durch die Gezeitenkräfte eines Muttergasriesen eine ähnliche Plattentektonik entstehen, welche das CO2 absorbiert?

Ich gehe einfach mal davon aus, dass kleiner Welten weniger Zeit benötigen einen stabilen Zustand zu erreichen, welcher Leben ermöglichen könnte.

Die Ergebnisse von Kepler haben auf jeden Fall gezeigt, dass unser Sonnensystem und darin vermutlich inbegriffen die Erde nur eine von unzähligen Möglichkeiten ist.
 

Bynaus

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Nun, sobald Gezeitenkräfte wirken, hat man natürlich auch die gebundene Rotation und die Probleme, die sich damit ergeben. Etwa, dass der Tag/Nachtzyklus so lang wie der Umlauf um den Planeten wird. Lange T/N-Zyklen können aber die dünne Atmosphäre bzw. das Klima destabilisieren, wenn es in der Nacht so kalt wird, dass die Atmosphäre ausfriert bzw. tagsüber die Ozeane zu verdampfen beginnen.

dann kann der CO2 Kreislauf auch durch Ozeane übernommen werden

Wie stellst du dir das vor? Wasser kann helfen, CO2 in Form von Kalk zu binden. Aber dann ist es weg, gebunden, und kommt nicht mehr zurück. Ein Wasserozean könnte - genügend Ionen aus der Erosion vorausgesetzt - eine ganze CO2-Atmosphäre ausfällen. Da der Ozean umso mehr CO2 lösen kann, je kälter das Klima ist, beschleunigt sich das ganze sogar.

Oder kann durch die Gezeitenkräfte eines Muttergasriesen eine ähnliche Plattentektonik entstehen, welche das CO2 absorbiert?

Das könnte ein Weg sein, aber ich weiss nicht, ob das funktioniert. Von den durch Gezeitenkräfte geheizten Monden im Sonnensystem zeigt keiner Plattentektonik.

Ein weiteres Problem ist natürlich der Aufenthalt des Mondes in den Strahlungsgürteln des Gasriesen. Diese können die Atmosphäre auch erodieren, wesentlich schneller als der Sonnenwind. Io, Europa und Ganymed sind alle innerhalb der Strahlungsgürtel des Jupiters. Kallisto ist draussen, hat aber eine Rotationszeit von 16 Tagen und wird durch Gezeitenkräfte kaum geheizt.

Ich gehe einfach mal davon aus, dass kleiner Welten weniger Zeit benötigen einen stabilen Zustand zu erreichen, welcher Leben ermöglichen könnte.

Ich glaube nicht, dass man davon ausgehen kann.
 

ismion

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Das könnte ein Weg sein, aber ich weiss nicht, ob das funktioniert. Von den durch Gezeitenkräfte geheizten Monden im Sonnensystem zeigt keiner Plattentektonik.
Wie sieht es denn mit Io aus? Io ist der vulkanisch aktivste Mond im SoSys. Weißt Du zufällig, wie der Vulkanismus dort entstanden sein könnte? Meiner Vorstellung nach begünstigt Plattentektonik Vulkanismus, ist aber keine Voraussetzung dafür (bin kein Geologe/Geodynamiker). Ich denke dabei an sowas wie aufsteigende Magmaplumes.

Ein weiteres Problem ist natürlich der Aufenthalt des Mondes in den Strahlungsgürteln des Gasriesen. Diese können die Atmosphäre auch erodieren, wesentlich schneller als der Sonnenwind. Io, Europa und Ganymed sind alle innerhalb der Strahlungsgürtel des Jupiters. Kallisto ist draussen, hat aber eine Rotationszeit von 16 Tagen und wird durch Gezeitenkräfte kaum geheizt.
Der Sonnenwind sollte bei den drei inneren Monden (Io, Europa, Ganymed) eigentlich keine Rolle spielen, da Jupiters Magnetfeld diesen abschirmt. Verantwortlich ist also das heiße Plasma innerhalb der Magnetosphäre, welches hauptsächlich aus Ionen der Schwefelgruppe besteht, hervorgerufen durch die enorme Aktivität Ios. Ganymed besitzt zusätzlich dazu ein eigenes Magnetfeld, was seine Oberfläche (teilweise) schützt. Eine Atmosphäre bei letztgenanntem ist mir unbekannt. Vielleicht könnte es sich, falls etwas da ist, um eine Exosphäre handeln.


*EDIT*: Quote-Funktion nicht so funktioniert, wie ich dachte.
 

Bynaus

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Weißt Du zufällig, wie der Vulkanismus dort entstanden sein könnte?

Die Vulkane auf Io sind zufällig über die Oberfläche verteilt, und nicht etwa an allfälligen "Plattenrändern" konzentriert wie auf der Erde (Mittelozeanische Rücken / Subduktionszonen). Es ist deshalb naheliegend zu vermuten, dass alle Io-Vulkane von Mantel-Plumes (wie z.B. Hawaii) gespiesen werden.

Der Sonnenwind sollte bei den drei inneren Monden (Io, Europa, Ganymed) eigentlich keine Rolle spielen, da Jupiters Magnetfeld diesen abschirmt.

Ja, wenn durch meinen Satz ein anderen Eindruck entstanden ist, habe ich mich falsch ausgedrückt. Hochenergetische Partikel in einem Strahlungsgürtel eines Gasriesen können eine Atmosphäre schneller erodieren, als der Sonnenwind bei einem ungeschützten Planeten.

Ganymed besitzt zusätzlich dazu ein eigenes Magnetfeld, was seine Oberfläche (teilweise) schützt. Eine Atmosphäre bei letztgenanntem ist mir unbekannt. Vielleicht könnte es sich, falls etwas da ist, um eine Exosphäre handeln.

Ganymed und Europa (und wohl auch Kallisto) haben in der Tat sauerstoffreiche Exosphären, die von der Ionisation/Spaltung von Wassermolekülen an der Eisoberfläche gespiesen werden. Siehe z.B.: http://adsabs.harvard.edu/abs/1998Natur.394..554S

Hier: http://adsabs.harvard.edu/abs/1992Icar...95....1Z wird übrigens noch eine andere Erklärung für das Fehlen von Atmosphären um die galileischen Monde diskutiert: Impakterosion. Da Titan deutlich weiter aussen in einem zudem schwächeren Gravitationsfeld ist, kann er durch Einschläge zusätzliche leichte Gase akkretieren. Bei Ganymed und Kallisto ist die Impaktgeschwindigkeit bereits so gross, dass Impakte eher bestehende Atmosphären erodieren als neue schaffen.

Eine interessante Übersicht findet sich auch hier: http://adsabs.harvard.edu/abs/1995JGR...10016907G
 
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