Rote Zwerge: Planeten-Atmosphären haben es schwer

[astronews.com Redaktion]

Viele tausend Planeten haben Astronomen bereits entdeckt und immer häufiger taucht die Frage auf, auf welchen davon sich eventuell Leben entwickeln konnte. Entscheidend dafür ist die Fähigkeit des Planeten, eine Atmosphäre zu halten. Doch gerade bei massearmen Sternen, sogenannten M-Zwergen, könnte dies für Planeten über einen langen Zeitraum sehr schwierig sein. (24. April 2019)

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[t-spark]

Ich habe mir nach der Meldung den orginalen Bericht durchgelesen.
Die Daten beziehen sich demnach auf einen erdähnlichen Planeten im Erdabstand (1 AU) um einen M-Zwerg.
Habt ihr das auch so verstanden?
Da nun aber die habitable Zone eines Planeten bei einen M-Zwerg sehr viel näher an seiner Sonne liegt, wären die Effekte des atmsophärischen Abbaus um Skalen grösser.

 

[Bynaus]

Gemäss dem Abstract gehts gar nicht um Planeten von M Zwergen, sondern um Planeten in 1 AU Abstand um einen jungen Stern mit einer Sonnenmasse (also ein G Zwerg). Da besteht eben das Problem, eine erdähnliche Atmosphare zu halten. Bei einem erdgrossen Planeten in der HZ eines M Zwergs wäre das Problem entsprechend viel grösser, weil die Aktivität da noch deutlich länger anhält.

 

[Protuberanz]

Ich würde keine Zeit darauf verschwenden, um M-Zwerge nach Leben zu suchen. Dazu gibt es viel zu viele Probleme bei diesem Typ.
Gut möglich das sich hier und da etwas entwickelt hat, aber sicher kein komplexes Leben, von dem viele hoffen es zu finden.

 

[Bynaus]

Ach, was heisst schon sicher... Aber es scheint schon so, dass M Zwerge mindestens etwa soviel weniger häufig komplexes Leben haben, wie sie häufiger als G Zwerge sind (also ca. Faktor 10), sonst würden wir wohl um einen M Zwerg kreisen.

Übrigens, die neue Forschungsarbeit legt auch nahe, dass die Erde am Anfang eine deutlich dichtere Atmosphäre gehabt haben muss. In dem Kontext ist es interessant zu wissen, dass die Erdatmosphäre vor ca. 2.7 Mrd Jahren wohl nur etwa 25-50% ihrer heutigen Dichte hatte (siehe den Abstract des Forschungsartikels in Nature Geoscience hier). Das heisst, es ist gut möglich, dass auch die Erdatmosphäre einst auf dem Weg war, zu verschwinden, die Sonne dann aber rechtzeitig "abstellte" (oder vielleicht das Magnetfeld sich rechtzeitig "anschaltete"), so dass sie durch Vulkanismus wieder auf die heutige Dichte gebracht werden konnte.

 

[UMa]

Hallo Bynaus,

bei nur 0,23 bar vor 2,7 Milliarden Jahren würde wegen der schwächeren Sonne wohl selbst eine CO2 dominierte Atmosphäre nicht ausgereicht haben, eine komplette Vereisung zu verhindern. Das erscheint mir nicht sehr plausibel.

Zumindest in den letzten 600 Millionen Jahren scheint das Leben mehr N2 aus der Atmosphäre in die Erde sequenziert zu haben, so dass der N2 Partialdruck abnahm.

Grüße UMa

 

[Bynaus]

bei nur 0,23 bar vor 2,7 Milliarden Jahren würde wegen der schwächeren Sonne wohl selbst eine CO2 dominierte Atmosphäre nicht ausgereicht haben, eine komplette Vereisung zu verhindern. Das erscheint mir nicht sehr plausibel.

Wir wissen nicht, was die komplette Vereisung - selbst bei 1 bar - verhindert hat, auch wenn es mehrere gute Kandidaten-Erklärungen gibt. Deshalb lässt sich nicht sagen, ob die Lösung für das Faint Young Sun Paradox (die es ja geben muss, da die Erde nicht komplett vereist war) bei 0.23 bar (oder bis zu 0.5 bar - da ist ja ein Fehlerbalken) nicht auch funktioniert hätte. Das kann man höchstens für die einzelnen Kandidaten separat diskutieren.

Zumindest in den letzten 600 Millionen Jahren scheint das Leben mehr N2 aus der Atmosphäre in die Erde sequenziert zu haben, so dass der N2 Partialdruck abnahm.

Hast du eine Quelle dafür? (ich meine für den abnehmenden Partialdruck - dass die Stickstoff-fixierung zugenommen hat, scheint plausibel).

 

[UMa]

Hallo Bynaus,

das Problem ist, dass CO2 wohl nicht über 0,003 bar war und CH4 nicht über 0,1*CO2.
Und wir wissen, dass die Temperatur nicht zu niedrig gewesen sein kann, nicht nur wegen der nicht kompletten Vereisung, sondern weil sich sonst auch der CO2 Druck erhöht hätte. Damit bleibt nicht mehr viel Raum, falls die Sonneneinstrahlung wirklich so niedrig war, wie angenommen. Vielleicht war die Albedo (Wolken usw.) viel geringer.

Ich glaube hier,
https://arxiv.org/search/?query=nit...acts=show&order=-announced_date_first&size=50

Grüße UMa

 

[Bynaus]

Aus Paleosols ergibt sich für die Zeit vor 2.2 Mrd Jahren eine Obergrenze für CO2 von ca. 0.04 bar (Rye et al., 1995, Nature), kennst du etwas neueres? Aber es gibt ja noch andere GHG-Kandidaten, z.B. N2O oder OCS. Es gibt auch andere Beobachtungen, welche einen relativ tiefen Atmosphärendruck im Archaikum nahelegen: etwa Regentropfen-Spuren (<0.5-1.2 bar total) und N-isotopische Beobachtungen welche für 3.0-3.5 Ga einen Druck im Bereich 0.5-1.2 bar (nur N2 Partialdruck) nahelegen. Die Idee von Goldblatt, dass das FYS Paradox durch einen höheren N-Druck erklärt werden könnte, scheint also - zumindest für diese Zeiten - nicht aufzugehen.

Goldblatt & Co. machen nur eine Angabe über den N-Gehalt der Kruste über die Zeit. Sie nehmen an, zeigen aber nicht, dass das zusätzliche N vorher in der Atmosphäre war. Das muss nicht zwingend so gewesen sein. So könnte die N-Konzentration in älteren Sedimenten grundsätzlich auch deswegen so tief sein, weil die Atmosphäre einen geringeren Druck hatte. Mit der Zeit nahm die Ausgasung - und damit die Fixierung zu.

Ich finde diese "Lavastrom-Bläschen"-Methode (Som et al., 2016 Nat. Geosci.) faszinierend. Grundsätzlich ist es denkbar, dass man damit den Atmosphärendruck über die gesamte Erdgeschichte rekonstruiert (die Methode gibt für Rezente Vulkane den korrekten Druck). Ich würde das Ergebnis für die Zeit vor 2.7 Ga (0.23 +- 0.23 bar) nicht leichtfertig von der Hand weisen (innerhalb der Unsicherheit).

 

[UMa]

Hallo Bynaus,

ich will das mit dem CO2 mal suchen.

In jedem Fall, wenn man nicht Annehmen will, dass de CO2 Partialdruck sehr hoch und die Temperatur sehr niedrig waren, benötigt man jede Menge andere GHG oder andere Faktoren, die die geringere Sonneneinstrahlung vor 4-2 Ga ausgleichen.

Zum Stickstoff. Heute ist an der Meeresoberfläche 0.78 bar Stickstoff. Für 3.0-3.5 G einen Stickstoff Partialdruck von 0.5-1.2 bar bedeutet im Mittel 0.85 bar, etwa so wie heute, vielleicht ein wenig mehr.

Die Bestimmungen des Gesamtdruckes, egal ob durch Regenfälle oder besonders durch Lavaströme, könnten niedriger sein, wenn sie nicht auf Meereshöhe sondern auf Bergen stattfanden.
Heute ist die mittlere Höhe der Kontinente bei 800 m, die mittlere Höhe mit Ozeanen bei 230 m.

Wenn der Lavastrom auf 4000 m Höhe lag, braucht der Stickstoffpartialdruck nicht niedriger als heute gewesen sein, bei lokal 0,46 bar (2 sigma Obergrenze). Auch bei einer geringeren Höhe sinkt zumindest die Diskrepanz.

Selbst bei einer linearen Stickstoffzunahme von 4.4 Ga bis heute müsste es bei 2.7Ga schon 0.3 bar N2 gegeben haben. Ich vermute jedoch, dass eine lineare Stickstoffzunahme, den Stickstoffgehalt der Vergangenheit unterschätzt.

Neulich gab es das hier auf arxiv, auch mit niedrigem N2 Gehalt:
https://arxiv.org/abs/1904.11716

Grüße UMa

 

[Bynaus]

Für 3.0-3.5 G einen Stickstoff Partialdruck von 0.5-1.2 bar bedeutet im Mittel 0.85 bar, etwa so wie heute, vielleicht ein wenig mehr.

Oder weniger. 0.5 - 1.2 heisst genau das. Könnte 1.2 gewesen sein - oder aber 0.5.

Die Bestimmungen des Gesamtdruckes, egal ob durch Regenfälle oder besonders durch Lavaströme, könnten niedriger sein, wenn sie nicht auf Meereshöhe sondern auf Bergen stattfanden.

Das könnte so sein - wenn es nicht geologische Beobachtungen gäbe, die diese Lavaströme auf Meereshöhe platzieren (bei den Regentropfen bin ich mir jetzt nicht sicher). Auszug aus den SOM von Som et al. 2016:

The Beasley River subaqueous-subaerial transition is interpreted as a marine-terrestrial regression for three reasons.
Firstly, the lower surface of the lowermost flow as the Beasley River locality intrudes hyaloclastites (Fig. 2b) with
lobate, downwards-penetrating (~20°) lava toes (Fig. 2a) rimmed by cracked glassy margins extending several meters
into the underlying sediment. These characteristics are typical of subaerial lava interacting with unconsolidated wet
sediment in a beach environment on a lava delta31. Secondly, the western-most expression of the Boongal and Bunjinah
Formations crop out near Mt. McGrath, while the Bunjinah’s eastern-most outcrop is in the Robertson Range. The
Boongal Formation eastern-most outcrop is at Deadman Hill, 130 km west of Robertson Range. At all of these
locations, the facies are subaqueous. Mt. McGrath and the Robertson Range are separated by ~450 km. Their subaerial
equivalents, the Kylena and Maddina Formations, first outcrop ~90 km north of both localities. The great lateral extent
of this transition strongly suggests an ocean-sized body of water. Thirdly, the 1000 m thick pillow basalts characterizing
the lower Boongal Formation16 were most likely deposited in a deep body of water such as an ocean. Thus, the
subaqueous-subaerial transition at the Beasley River locality evidently represents lava solidification at sea level.

Selbst bei einer linearen Stickstoffzunahme von 4.4 Ga bis heute müsste es bei 2.7Ga schon 0.3 bar N2 gegeben haben. Ich vermute jedoch, dass eine lineare Stickstoffzunahme, den Stickstoffgehalt der Vergangenheit unterschätzt.

0.3 bar würde aber sehr gut zum abgeleiteten Wert von 0.23 +- 0.23 bar passen...

Eine lineare Abnahme wäre wohl nicht zwingend zu erwarten - wenn die Atmosphäre durch Vulkanismus wieder ersetzt wurde, hängt die Veränderung mit der Zeit der vulkanischen Aktivität ab - und die kann über die Zeit ganz verschiedene Formen angenommen haben. Zudem könnte es sein, dass die Erosion der Atmosphäre nicht nur einfach von der Sonnenaktivität abhing. So könnten z.B. Impakte eine Rolle gespielt haben, so dass die Erde nach dem "Late Heavy Bombardment" vielleicht eine viel dünnere Atmosphäre hatte als ganz am Anfang, oder als heute. Weiter könnte der Zeitpunkt, an dem das Magnetfeld wichtig wurde, eine Rolle spielen, etc. Insgesamt wäre ich nicht überrascht, wenn ein stark erweiterter Datensatz solcher Messungen eines Tages einen stark nicht-linearen Verlauf des Luftdruckes (und damit der Atmosphärenmasse) nahelegt.

 

[UMa]

Hallo Bynaus,

ein Druck von nur 0.23 bar ist sehr niedrig, er entspricht heute einem Druck in 11 km Höhe. Der Treibhauseffekt hängt wesentlich von der Druckverbreiterung der Spektrallinien ab. Eine Verringerung des Drucks von 1 bar auf 0.23 bar würde einen großen Teil des Treibhauseffektes vernichten, der die Erde warm hält.

Dies ist mindestens ein ebenso großes Problem, wie die Verringerung der Sonneneinstrahlung um 20%. Beide zusammen ergeben unweigerlich Temperaturen deutlich unter 0°C, wonach die hohe Albedo durch Eis und Schnee zur Schneeballerde führt.

Ausgenommen sehr ungewöhnliche Effekte, denke ich, dass der Druck vor 2.7 Ga, selbst bei hohen Treibhausgaskonzentrationen, und einer Albedo von 0.3 (wie heute) über 0.6-0.8 bar gelegen haben muss, um eine globale Durchschnittstemperatur von unter 0°C zu vermeiden.

Grüße UMa

 

[Bynaus]

Das ist alles korrekt - aber es ändert nichts am Ergebnis. So lange es nichts direkt daran auszusetzen gibt (und die Methode gibt ja zumindest für die Gegenwart das richtige Ergebnis), gibt es keinen Grund, es in Frage zu stellen, bloss weil wir es nicht so gut mit unseren Vorstellungen über das Archaikum und Proterozoikums vereinbaren können. Natürlich ist es möglich, dass es irgend einen systematischen Effekt gibt, der das Ergebnis verfälscht - aber davon ohne jegliche Belege einfach mal auszugehen wäre verkehrt. So gut verstehen wir das Klima des Archaikums und Proterozoikums halt doch nicht.

Aus einer Figur, die ich vorliegen habe (ich denke aus Goldblatt et al., 2009) kann man in etwa ablesen, dass ein pCO2 von ~0.01 bar bei 0.25 bar Gesamtdruck eine Oberflächentemperatur von knapp 0° bewirkt (vor 2.7 Ga). Für 0.5 bar sind es ca. 4°C mehr. Das heisst, es bräuchte nur noch ein bisschen zusätzliche Treibhausgase (oder eine tiefere Albedo) um die Temperatur über der Schneeball-Grenze bei ca. 5°C zu halten. Das scheint mir nicht völlig abwegig.

 

[Kibo]

Das paper? https://www.researchgate.net/publication/232750291_Nitrogen-enhanced_greenhouse_warming_on_early_Earth

 

[UMa]

Hallo Bynaus,

um genauer herauszufinden, welche Drücke möglich sind, habe ich die abgegebene langwellige Strahlung für verschiedene Atmosphären mit einem Modell simuliert und zwischen den Werten interpoliert.

Neben Wasserdampf H2O hat die restliche Atmosphäre folgende Zusammensetzung:
A) 0% N2, 90% CO2, 10% CH4
B) 90% N2, 9% CO2, 1% CH4
C) 99% N2, 0.9% CO2, 0.1% CH4
A und B sind eher unrealistisch, auch bei C sind die Treibhausgaskonzentrationen eher hoch.
Ich habe zwei Bodentemperaturen genommen, 0°C und 14°C.
Die Sonneneinstrahlung vor t=2.7Ga nach S=1361/(1+0.4*(t/4.567Ga)) berechnet.

Für die Albedo habe ich die heutige Albedo 0.30 bei 14°C und für die stärker Eis bedeckt Erde 0.345 bei 0°C (heutige Erde bei 96% der Sonneneinstrahlung simuliert, fällt dabei noch nicht in eine Schneeballerde) genommen.

Für die Wirkung der Wolken auf die Ausstrahlung habe ich das gleiche Verhältnis zwischen der Infrarotausstrahlung bei klarem Himmel und im globalen Mittel genommen wie heute.

Dann habe ich die Drücke ausgerechnet, die nötig sind, um bei dem gegeben Temperaturprofil und der Atmosphärenzusammensetzung genau die absorbierte Sonneneinstrahlung wieder abzustrahlen. Ergebnis:

A) 0% N2, 90% CO2, 10% CH4,T= 0°C, Albedo 0.345: P = 0.50 bar
A) 0% N2, 90% CO2, 10% CH4,T=14°C, Albedo 0.30 : P = 0.68 bar
B) 90% N2, 9% CO2, 1% CH4,T= 0°C, Albedo 0.345: P = 0.69 bar
B) 90% N2, 9% CO2, 1% CH4,T=14°C, Albedo 0.30 : P = 0.92 bar
C) 99% N2, 0.9% CO2, 0.1% CH4,T= 0°C, Albedo 0.345: P = 1.05 bar
C) 99% N2, 0.9% CO2, 0.1% CH4,T=14°C, Albedo 0.30 : P = 1.30 bar

Grüße UMa

 

[UMa]

Nachtrag:
A) ist ungenau, da die Werte von heutiger Luft für molare Masse usw. genommen wurden, Treibhausgase sind dagegen nur ein geringer Bestandteil, was für CO2 dominierte Atmosphären sicher ungenau ist.

Wenn der Druck geringer ist, Verringert sich auch die Streuung und damit die Albedo. Wenn ich das berücksichtige komme ich auf:

B) 90% N2, 9% CO2, 1% CH4,T= 0°C, Albedo 0.338 : P = 0.66 bar
B) 90% N2, 9% CO2, 1% CH4,T=14°C, Albedo 0.298 : P = 0.91 bar
C) 99% N2, 0.9% CO2, 0.1% CH4,T= 0°C, Albedo 0.346 : P = 1.06 bar
C) 99% N2, 0.9% CO2, 0.1% CH4,T=14°C, Albedo 0.308 : P = 1.35 bar

Um einen Druck von 0.46 bar zu erreichen müsste die Albedo (trotz Wolken und viel Eis bei 0°C) sein:
B) 90% N2, 9% CO2, 1% CH4,T= 0°C: Albedo 0.284, P = 0.46 bar
B) 90% N2, 9% CO2, 1% CH4,T=14°C: Albedo 0.144, P = 0.46 bar
C) 99% N2, 0.9% CO2, 0.1% CH4,T= 0°C: Albedo 0.259, P = 0.46 bar
C) 99% N2, 0.9% CO2, 0.1% CH4,T=14°C: Albedo 0.109, P = 0.46 bar

Grüße UMa

 

[Kibo]

Verändert die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre nicht auch das Oberflächengestein? Das hat ja dann sicher einen Einfluss auf die Albedo. Siehe Vergleich schwarzer Basalt zu hellen Quarzsand.

Auch eine Abdunklung der Wasseroberfläche durch Kohlenwasserstoffe kann ich mir vorstellen.

Laienhafte Grüße

 

[Bynaus]

Und wie gesagt, CO2 und CH4 sind nicht die einzigen Treibhausgase, die in Frage kommen. Wir haben ja eh das Problem des FYS Paradoxons, das heisst, mit CO2 und CH4 allein kommt man kaum weiter. Und wenn es eine andere Lösung (z.B. ein weiteres Treibhausgas oder einen anderen Effekt, der hier nicht berücksichtigt wird) gibt, dann könnte die auch Auswirkungen für die Frage hier haben. Alles was wir wissen, ist: wir haben eine Messung mit einer noch neuen Methode, die für die Gegenwart auf jeden Fall funktioniert, und die einen überraschend tiefen Atmosphärendruck für die Zeit vor 2.7 Ga nahelegt. Wir haben auch Klimamodelle, die uns sagen, dass man hier mit CO2 und CH4 nicht auf einen grünen Zweig kommt (zumindest nicht, ohne die Albedo stark abzudunkeln). Daraus lässt sich jetzt aber zumindest aus meiner Sicht kein zwingender Widerspruch ableiten - wir wissen einfach noch zu wenig.

 

[UMa]

Hallo Bynaus,

ich glaube Du hast mich missverstanden.
Ich habe nicht behauptet, dass CO2 und CH4 die einzigen relevanten Treibhausgase für das FYSP sind. In einer nahezu sauerstofffreien Umgebung werden sich einige andere Treibhausgase dazu gesellen, abhängig von der Chemie in der Atmosphäre.

Das ich nur CO2, CH4 (und H2O) verwendet habe, liegt am Strahlungscode, der nur eine beschränkte Auswahl von Treibhausgasen zulässt. Dafür habe ich, vor allem für CH4 unplausibel hohe Werte genommen. Meine CO2+CH4 steht also stellvertretend für alle (nicht H2O) Treibhausgase in der frühen Atmosphäre.

Mein Hauptpunkt ist, dass ein stark verminderter Druck, unabhängig von der Art der Treibhausgase, den Treibhauseffekt so weit schwächt, dass ein zusätzliches Problem, in der gleichen Größenordnung wie durch die schwächer Sonne entsteht. Das würde die Erklärung des FYSP unabhängig von der Art der Treibhausgase doch stark erschweren.


Bei Messwerten, die nicht sehr plausibel sind, sollte man doch skeptisch sein.
Z.B. ist der Meteor vom 8. Januar 2014 mit mehr als 2 sigma über Fluchtgeschwindigkeit. Trotzdem ist es unplausibel, dass es sich tatsächlich um ein interstellares Objekt handelt, da diese im Vergleich zu Körpern des Sonnensystems im Sonnensystem sehr selten sind.
Siehe hier, insbesondere auch meine Kommentare #12,#15.
http://scienceblogs.de/alpha-cephei...erstellare-meteore-sternenstaub-auf-die-erde/

Ebenso wie die gemessene Geschwindigkeit des Meteors, sollte man auch den gemessenen Druck nicht unbedingt für bare Münze nehmen, wenn er mehr als 2 sigma jenseits plausibler Werte liegt.

Grüße UMa

 

[Bynaus]

@UMa: ich habe letztes Mal noch ganz vergessen, dir meine Anerkennung dafür auszudrücken, dass du ein so komplexes Modell bemühst, um die Diskussion voran zu bringen - vielen Dank! Hast du das selbst entwickelt oder verwendest du ein Community-Modell?

Nun zur Diskussion: es dürfte schwierig sein, die Wirkung von anderen Treibhausgasen allein durch CH4 und CO2 zu simulieren. Da werden z.B. andere Frequenzbänder geblockt, und/oder die Klimaaktivität des entsprechenden Gases ist so viel höher, dass man (angesichts des logarithmischen Effekts) unrealistisch hohe Mengen hinzufügen müsste (die sich vielleicht sogar auf den Gesamtdruck auswirken?), um den gleichen Effekt zu bekommen. Insofern bin ich da skeptisch, ob dein Modell in diesem Fall verlässliche Aussagen treffen kann.

Mein Hauptpunkt ist, dass ein stark verminderter Druck, unabhängig von der Art der Treibhausgase, den Treibhauseffekt so weit schwächt, dass ein zusätzliches Problem, in der gleichen Größenordnung wie durch die schwächer Sonne entsteht. Das würde die Erklärung des FYSP unabhängig von der Art der Treibhausgase doch stark erschweren.

Durchaus - die Temperatur wäre nochmals etwa 5°C tiefer. Das ist aber nicht völlig ausserhalb der Reichweite gewisser "exotischer" Treibhausgase. Mein Punkt ist, wir wissen, CO2+CH4 in Mengen, die mit geochemischen Constraints verträglich sind, können das FYS paradox nicht lösen. Es braucht also eine zusätzliche Antwort. Ob diese so stark ausfällt, dass sie auch mit einem tieferen Atmosphärendruck klarkommt oder nicht, können wir nicht sagen, so lange wir diese zusätzliche Antwort nicht kennt. Deshalb können wir auch nichts dazu sagen, ob die Messwerte "plausibel" sind. Plausibel heisst in diesem Zusammenhang nur "passt zu dem was wir uns so vorstellen". Aber diese Vorstellung muss sich nicht mit der Realität decken.