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SUPER-ERDEN
Wenn die Erde verdampfen würde
von Stefan Deiters
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6. August 2012

Amerikanische Astronomen haben sich mit einer auf den ersten Blick ungewöhnlichen Fragestellung beschäftigt: Was würde man eigentlich beobachten können, wenn die Erdoberfläche verdampfen würde? Die Wissenschaftler hoffen dadurch mehr über die Zusammensetzung von extrasolaren Super-Erden zu erfahren, die in recht geringem Abstand um ihren Zentralstern kreisen.

CoRoT-7b

Durch das "Verdampfen" der Erde im Computer wollen Astronomen mehr über heiße Super-Erden wie CoRoT-7b erfahren. Bild: ESO/L. Calcada

"Wir Wissenschaftler sind nicht damit zufrieden, einfach nur über das Verdampfen der Erde zu reden", so Bruce Fegley, Professor für Erd- und Planetenwissenschaften an der Washington University in St. Louis. "Wir wollen genau verstehen, wie es wäre, wenn das passiert." Dazu hat Fegley zusammen mit seiner Kollegin Katharina Lodders und der Doktorandin Laura Schaefer dieses Szenario am Computer nachgestellt - ein Szenario, das man sonst eigentlich nur aus Science-Fiction-Geschichten und nicht aus der seriösen Wissenschaft kennt.

Das Projekt hat allerdings einen durchaus ernsten Hintergrund: Die Wissenschaftler wollen nämlich versuchen, durch ihre Simulationen einen Weg zu finden, wie man mithilfe von Informationen über die atmosphärische Zusammensetzung eines Planeten auf dessen Beschaffenheit im Inneren schließen kann. Dies ist etwa im Fall von sogenannten Super-Erden interessant. Dabei handelt es sich um Planeten, deren Masse die der Erde zwar deutlich übersteigt, die aber trotzdem masseärmer als der Gasplanet Neptun sind und vermutlich hauptsächlich aus Gestein bestehen.

Um andere Sonnen hat man inzwischen schon zahlreiche Super-Erden entdeckt (astronews.com berichtete wiederholt). Viele dieser Planeten allerdings umkreisen ihre Sonne in einem recht geringen Abstand, so dass die Temperaturen auf der Oberfläche so groß sein dürften, dass die Kruste geschmolzen und das Gestein teilweise sogar verdampft ist. Der Begriff Super-Erde ist übrigens lediglich ein Hinweis auf die Masse des extrasolaren Planeten und sagt nichts über seine Erdähnlichkeit oder gar seine Bewohnbarkeit aus.

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Bei einigen Super-Erden konnten Astronomen sogar die mittlere Dichte bestimmen. Bei Gesteinsplaneten lässt sich daraus aber nur sehr ungenau die innere Zusammensetzung ableiten, da man die verschiedenen Komponenten, aus denen solche Planeten bestehen können, auf ganz unterschiedliche Weise zusammenmischen kann und trotzdem immer die gleiche mittlere Dichte erhält.

Genau hier kommt nun die Atmosphäre ins Spiel: Lässt sich bei einer Super-Erde bei einem Transit - also beim Vorüberziehen des Planeten vor seiner Sonne - ein Spektrum der Planetenatmosphäre aufnehmen, kann man die Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmen. Diese könnte nun Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Inneren des Planeten erlauben.

"Wir haben die Atmosphären von heißen Super-Erden modelliert, weil es genau das ist, was Astronomen beobachten", so Fegley. "Uns hat interessiert, nach was genau sie Ausschau halten müssen, um aus der Atmosphäre etwas über den Aufbau des Planeten zu lernen."

Die Forscher haben für ihre Studie zwei erdähnliche Modelle betrachtet, deren Zusammensetzung in einem Fall der der kontinentalen Kruste entsprach und im anderen Fall der der jungen Erde, bevor sich eine kontinentale Kruste ausgebildet hatte. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Modellen ist das Wasser, das für die Entstehung von Granit benötigt wird, das die kontinentale Kruste dominiert.

Die Oberflächentemperatur der Modellerden wählten die Forscher im Bereich zwischen 270 und 1.700 Grad Celsius und errechneten, welche Elemente und Verbindungen bei bestimmten Temperaturen jeweils in gasförmigen Zustand übergehen oder aus dem Gestein ausgasen würden. Mit zunehmender Temperatur, so Fegley, finden sich schließlich alle Bestandteile des Gesteins als Gas in der Atmosphäre wieder.

Die Atmosphären beider Modellerden wären in einem sehr großen Temperaturbereich von Wasserdampf und Kohlendioxid dominiert, wobei sich bei einem der beiden Modelle bei Temperaturen unter 730 Grad Celsius Methan und Ammoniak in der Atmosphäre finden lässt. Dies sei, so Fegley, interessant, weil sich diese Stoffe durch Blitzentladungen zu Aminosäuren zusammentun könnten - einem Grundbaustein des Lebens auf der Erde.

Bei Temperaturen über 730 Grad Celsius würde dann Schwefeldioxid hinzukommen. "Dann sähe die Atmosphäre des Exoplaneten aus wie die der Venus, nur mit Dampf", vergleicht Fegley. Steigen die Temperaturen auf über 1.430 Grad Celsius lässt sich schließlich Siliziummonoxid aus heißem Gestein als Gas in der Atmosphäre finden. Dieses könnte unter bestimmten Umständen wieder kondensieren, so dass auf den fernen Welten Regenschauer aus Kieselsteinen möglich wären.

Spaßeshalber haben die Wissenschaftler die Temperatur auch einmal so hoch gewählt, dass die gesamte Modellerde - und nicht nur die Kruste - verdampft ist. Das Ergebnis war ein Ball aus dampfendem Gas mit Kieselsteinen und Tropfen aus flüssigem Eisen. "Wir haben das aber nicht in den Fachartikel aufgenommen", so Fegley. "Die Exoplaneten, die Astronomen beobachten, sind nämlich nur teilweise verdampft." Die Forscher berichten über ihre Studie in der Zeitschrift The Astrophysical Journal.

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siehe auch
Spitzer: Das Infrarotleuchten einer Super-Erde - 9. Mai 2012
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Ferne Welten - unsere Berichterstattung über die Suche nach extrasolaren Planeten und außerirdischem Leben
Links im WWW
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