Weltenwetter

Archive for Dezember 2009

Wieder kalte Winter! Pause für die globale Erwärmung?

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Nach dem bemerkenswert kalten Winter 2008/2009 beginnt auch der Winter 2009/2010 mit spektakulären Kaltlufteinbrüchen. Temperaturen im zweistelligen Minusbereich und beachtliche Schneemengen auch im Flachland. Betroffen sind vor allem Nordamerika und Europa. Man fühlt sich an die kalten Winter der 1960er und 1970er erinnert, Winter wie sie danach infolge der globalen Erwärmung selten geworden sind.

Schneeräumen in Mailand. Quelle: DPA

Eine Laune des Wetters, das schließlich immer für eine Überraschung gut ist. oder doch mehr? Immerhin sind ja auch die globalen Temperaturen in den letzten Jahren wieder leicht zurückgegangen.

Globale Durchschnittstemperatur 1850-2009 Quelle: Met Office Hadley Centre

Vor 1 1/2 Jahren, im Mai 2008 ließ eine Arbeit des bekannten Klimaforschers Mojib Latif aufhorchen, die er zusammen mit 3 Kollegen in Nature veröffentlichte.

Letter Nature 453, 84-88 (1 May 2008) | doi:10.1038/nature06921; Received 25 June 2007; Accepted 14 March 2008; Corrected 8 May 2008

Advancing decadal-scale climate prediction in the North Atlantic sector

N. S. Keenlyside1, M. Latif1, J. Jungclaus2, L. Kornblueh2 & E. Roeckner2

  1. Leibniz Institute of Marine Sciences, Düsternbrooker Weg 20, D-24105 Kiel, Germany
  2. Max Planck Institute for Meteorology, Bundesstrae 53, 20146 Hamburg, Germany

Correspondence to: N. S. Keenlyside1 Correspondence and requests for materials should be addressed to N.S.K. (Email: nkeenlyside@ifm-geomar.de.).

The climate of the North Atlantic region exhibits fluctuations on decadal timescales that have large societal consequences. Prominent examples include hurricane activity in the Atlantic1, and surface-temperature and rainfall variations over North America2, Europe3 and northern Africa4. Although these multidecadal variations are potentially predictable if the current state of the ocean is known5, 6, 7, the lack of subsurface ocean observations8 that constrain this state has been a limiting factor for realizing the full skill potential of such predictions9. Here we apply a simple approach—that uses only sea surface temperature (SST) observations—to partly overcome this difficulty and perform retrospective decadal predictions with a climate model. Skill is improved significantly relative to predictions made with incomplete knowledge of the ocean state10, particularly in the North Atlantic and tropical Pacific oceans. Thus these results point towards the possibility of routine decadal climate predictions. Using this method, and by considering both internal natural climate variations and projected future anthropogenic forcing, we make the following forecast: over the next decade, the current Atlantic meridional overturning circulation will weaken to its long-term mean; moreover, North Atlantic SST and European and North American surface temperatures will cool slightly, whereas tropical Pacific SST will remain almost unchanged. Our results suggest that global surface temperature may not increase over the next decade, as natural climate variations in the North Atlantic and tropical Pacific temporarily offset the projected anthropogenic warming.

1. Goldenberg, S. B., Landsea, C. W., Mestas-Nun˜ez, A. M. & Gray, W. M. The recent increase in Atlantic hurricane activity: Causes and implications. Science 293,474–479 (2001). 2. Enfield, D. B., Mestas-Nun˜ez, A. M. & Trimble, P. J. The Atlantic Multidecadal Oscillation and its relation to rainfall and river flows in the continental U. S. Geophys. Res. Lett. 28, 2077–2080 (2001). 3. Sutton, R. T. & Hodson, D. L. R. Atlantic Ocean forcing of North American and European summer climate. Science 309, 115–118 (2005). 4. Folland, C. K., Palmer, T. N. & Parker, D. E. Sahel rainfall and worldwide sea temperatures, 1901–85. Nature 320, 602–607 (1986). 5. Griffies, S. M. & Bryan, K. Predictability of North Atlantic multidecadal climate variability. Science 275, 181–184 (1997). 6. Boer, G. A study of atmosphere-ocean predictability on long time scales. Clim. Dyn. 16, 469–472 (2000). 7. Collins, M. et al. Interannual to decadal climate predictability in the North Atlantic: A multimodel-ensemble study. J. Clim. 19, 1195–1203 (2006). 8. Cunningham, S. A. et al. Temporal variability of the Atlantic meridional overturning circulation at 26.5uN. Science 317, 935–938 (2007). 9. Smith, D. M. et al. Improved surface temperature prediction for the coming decade from a global climate model. Science 317, 796–799 (2007). 10. Solomon, S. et al. Climate Change 2007.

Abstract Quelle: http://www.nature.com/

Mit einem neu entwickelten Ozean-Atmosphäre Modell, welches im Gegensatz zu den bisherigen Klimamodellen des IPCC die Veränderlichkeit der Meeresströmungen mit einbezieht und nicht nur einen Durchschnittswert für die Stärke der jeweiligen Meeresströmung einsetzt, wurden zunächst die globalen Temperaturen in der Vergangenheit von 1955-2005 gerechnet. Das neue Modell funktionierte, denn es konnte die Klimaveränderungen dieser Jahrzehnte gut nachvollziehen.

Prof. Mojib Latif, ein bekannter deutscher Klimaforscher, befasst sich vor allem mit den Wechselwirkungen zwischen Ozeanen und Atmosphäre im Klimasystem. Quelle: http://www.ifm-geomar.de/

Nachdem ihr Modell diese Bewährungsprobe bestanden hatte, wagten sich die Wissenschaftler auch an eine Vorhersage für die Zukunft. Im Unterschied zu anderen Klimamodellen sagte das neue Modell da zumindest für die nächsten 10 Jahre keine weitere globale Erwärmung, sondern eine vorübergehende Abkühlung voraus! 

Verantwortlich dafür ist die Atlantische Multidekaden Oszillation (AMO), eine Schwingung in der Stärke der Meeresströmungen im Nordatlantik. Diese werden nicht nur durch Winde angetrieben, sondern auch durch Unterschiede in der Temperatur- und Salzkonzentration (und damit auch in der Dichte des Wassers) zwischen den nördlichen und südlichen Regionen des Nordatlantik (thermohaline Zirkulation; von griechisch thermos für Wärme und halas für Salz).  

Das vom Äquator nach Norden strömende Warmwasser gibt seine Wärme vor allem durch Verdunstung (latente Wärme)ab, so daß die Dichte des immer kühleren und salzhaltigeren Wassers stetig zunimmt. Hoch im Norden beginnt das Wasser schließlich in abwärts gerichteten Wirbeln abzusinken. Im Winter wird die Entstehung dieser Absinkzonen noch durch die Neubildung von Meereis begünstigt. Das Eis kühlt neu heranströmendes Wasser weiter ab und erhöht zusätzlich auch dessen Salzgehalt. Denn das neugebildete Meereis kann nur wenig Salz aufnehmen und presst beim Gefrieren überschüssiges Salz ab. Absinkzonen gibt es z.B. südlich von Grönland und bei Island. Das absinkende kalte und salzhaltige Tiefenwasser wirkt wie eine Pumpe und treibt so die Meeresströmung an.Das Tiefenwasser bewegt sich wieder in Richtung Äquator und gelangt dort durch Mischungsvorgänge langsam wieder an die Oberfläche.

Häufig spricht man auch von einer „Meridional Overturning Circulation“  (MOC), da die Umwälzbewegung des Meerwassers meridional (entlang der Längengrade in Nord-Süd-Richtung) erfolgt. Die MOC im Nordatlantik ist weitgehend identisch mit dem Golf- und Nordatlantikstrom.

Die von der MOC erwärmte feuchte Meeresluft gelangt mit den in mittleren Breiten vorherrschenden Westwinden (und den sich in der Luftströmung von einer kritischen Strömungsgeschwindigkeit an bildenden Tiefdruckwirbeln) nach Europa und sorgt dort vor allem in den Wintermonaten für ein deutlich milderes Klima als es sich nur aus der geographischen Lage ergeben würde. Eine Abschwächung (Verlangsamung) der MOC entspricht einer negativen Phase der Atlantischen Multidekaden Oszillation (AMO -) und läuft auf eine mehr oder weniger drastische Abkühlung hinaus. In einer positiven Phase (AMO +) verhält es sich genau umgekehrt.

Die vorübergehende Abkühlung in der Zeit zwischen den 1940er und 1970er Jahren wurde gemäß dem neuen Modell also durch eine verlangsamte MOC (AMO -) ausgelöst.

Die MOC wird wiederum durch die Nordatlantische Oszillation (NAO)beeinflusst, eine Druckschaukel über dem Nordatlantik, zwischen dem Islandtief im Norden und dem Azorenhoch im Süden.

Die zwei Phasen der Nordatlantischen Oszillation (NAO): In der positiven Phase der Nordatlantischen Oszillation (positiver Index, NAO +) verstärken ein kräftiges Islandtief und Azorenhoch den Jetstream, so daß dieser nur wenig mäandert. Es entstehen viele Sturmtiefs, die mit der westlichen Luftströmung (Westwindzone, Westdrift) Nord-, West- und Mitteleuropa erreichen und unter ihren Zugbahnen für ein mildes, feuchtes, aber auch wechselhaftes Wetter sorgen (zonale Luftzirkulation). Die Winter sind milde. Nur wenige Sturmtiefs erreichen den Mittelmeerraum, wo es daher überwiegend trocken bleibt. Kalte Winter in Ostkanada und Grönland. Aus dem  Azorenhoch als Bestandteil des subtropischen Hochdruckgürtels wehen kräftige Nordostpassate, die an der westafrikanischen Küste eine ablandige Meeresströmung erzeugen. Durch hervorquellendes kaltes Tiefenwasser sinken die Temperaturen des Oberflächenwassers im Atlantik, so daß weniger latente Wärme für die Bildung tropischer Wirbelstürme zur Verfügung steht. Der starke, nur schwach mäandernde Jetstream schliesst die polare Kaltluft wie eine Mauer ein, so daß nur selten  Kaltluftvorstöße in den Süden vorkommen.

In der negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation (negativer Index, NAO -) verhält sich alles genau umgekehrt: Schwaches Islandtief und Azorenhoch; ein geschwächter, deutlich stärker mäandernder Jetstream und nur wenige und im Durchschnitt auch schwächere Sturmtiefs. Die Westdrift bricht immer wieder zusammen. Durch die dabei entstehenden blockierenden Hochs (Hochdruckblockade) werden immer wieder Sturmtiefs in den Mittelmeerraum umgelenkt. Dort ist es nun deutlich feuchter, während es in West- und Mitteleuropa überwiegend trocken bleibt. Vermehrte Kaltluftausbrüche im Winter infolge des stärker mäandernden Jetstreams (meridionale Zirkulation). Kalte Winter in Europa, dagegen milde Winter in Ostkanada und Grönland durch Warmluftvorstösse nach Norden. Die Nordostpassate bleiben schwach und damit steigen auch die Wassertemperaturen vor der westafrikanischen Küste. Das begünstigt wiederum die Entstehung tropischer Wirbelstürme. Quelle: http://airmap.unh.edu/

Die mit der positiven Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO+)einhergehenden niedrigen Wassertemperaturen an der ostkanadischen Küste (Labradorstrom) und bei Grönland begünstigen die Bildung von Tiefenwasser und verstärken damit die meridionalen Meeresströmungen (MOC) im Nordatlantik. Die negative Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO -) geht hingegen mit einer langsameren MOC einher.

Die MOC im Nordatlantik wirkt ihrerseits auch wieder auf die NAO zurück. Eine starke MOC verstärkt das Islandtief und damit mittelbar auch den Jetstream (NAO +), denn über der warmen Meeresströmung verdunstet mehr Wasser. Dadurch wird dem Islandtief vermehrt Energie in Form von latenter Wärme zugeführt. Bei einer schwachen MOC bekommt das Islantief nur wenig latente Wärme und bleibt schwach (NAO -).

Diese Zusammenhänge scheint auch der augenblickliche Wintereinbruch  zu bestätigen, der mit einer negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation zusammenfällt.

Der aktuelle NAO-Index. Quelle: http://www.cnrfc.noaa.gov/

Die kälteren Winter 2008/2009 und so wie es aussieht wohl auch 2009/2010 könnten tatsächlich die Vorboten einer vorübergehenden Abkühlung sein, genauso wie von Latif und Kollegen vorhergesagt.

Es kommt aber noch etwas Wichtiges hinzu: Seit 2003 hat die Sonnenaktivität deutlich nachgelassen, ablesbar an der immer weiter abnehmenden Anzahl der Sonnenflecken. Trotz des Beginns eines neuen Sonnenfleckenzyklus hat sich nicht viel geändert. Nach wie vor nur vereinzelte Sonnenflecken. 

Schon bei einer solchen verminderten Sonnenaktivitätim Rahmen eines normalen etwa 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus (Schwabe-Zyklus) nimmt die Gesamtstrahlung der Sonne zwar nur wenig ab (deutlich unter 1%), die UV-Strahlung aber umso mehr (bis zu 10% und darüber). Bei einer schwächeren UV-Einstrahlung bildet sich in der Stratosphäre automatisch weniger Ozon. Durch die geringere Gesamtstrahlung wird zudem die Hadley- und damit auch die Brewer-Dobson-Zirkulation abgeschwächt. Damit gelangt auch weniger Ozon von den Tropen in die mittleren Breiten.

Beide Effekte zusammen bewirken im Winter einen verminderten stratosphärischen Temperaturgradienten. Der stratosphärische Jetstream und damit auch der Polarwirbel werden schwächer, da beide durch den  stratosphärischen Temperaturgradienten angetrieben werden.

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In den mittleren Breiten der beiden Erdhalbkugeln treffen tropische Warmluft und polare Kaltluft an der Polarfront direkt aufeinander. Wegen des großen Temperaur- und Druckgradienten (unterschiedliche vertikale Ausdehnung von Warm- und Kaltluft, mit der Höhe zunehmend) entstehen unter dem Einfluß der Erdrotation starke, von West nach Ost gerichtete Höhenwinde (Jetstream).  In der mehr oder weniger turbulenten Strömung des Jetstreams entwickeln sich aufwärtsgerichtete Tiefdruckwirbel(Divergenzen) und abwärtsgerichtete Hochdruckwirbel (Konvergenzen). Die Druckgebilde verwirbeln tropische Warmluft und polare Kaltluft miteinander. Hochdruckwirbel formen auch den subtropischen Hochdruckgürtel, wo die absinkenden und sich dabei erwärmenden  Luftmassen eine Wolkenbildung kaum zulassen (Wüstenklima der Subtropen, dry subsidence regions). Im Bereich der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) strömen die warmen Luftmassen aus den Subtropenhochs von Nord- und Südhalbkugel zusammen (Konvergenz). Die Luftmassen werden gehoben, kühlen ab und es kommt, begünstigt durch die hohe Luftfeuchtigkeit der Tropen zu einer verstärkten Wolkenbildung (moist cloudy regions). Wolken und Wasserdampf lassen hier nur relativ wenig Infrarotstrahlung des von der Sonne) erwärmten Erdboden in den Weltraum entweichen (low outgoing longwave radiation). Über den Tropen erwärmt sich die Troposphäre wesentlich mehr als über den gemäßigten Breiten oder gar den Polen. Daher liegt die Tropopause hier auch in einer deutlich größeren Höhe (high tropopause, low tropopause). Die von der Hadley-Zirkulation zwischen ITCZ und Subtropenhochs angetriebene Brewer-Dobson-Zirkulation befördert stratosphärisches Ozon von den Tropen (low ozone) in höhere Breiten (high ozone). Die Ozonkonzentration in der Stratosphäre über den Tropen ist daher gering und über den mittleren und höheren Breiten dagegen erhöht. Quelle: http://www.nature.com/

Der stratosphärische Jetstream ist aber wiederum mit dem troposphärischen Polarfrontjetstream gekoppelt, der daher ebenfalls schwächer wird und dann verstärkt mäandert. Die dadurch ausgeprägt meridionale Zirkulation begünstigt polare Kaltluftausbrüche nach Süden. Das ist aber gleichbedeutend mit der negativen Phase der Nordatlantischen Oszillation (NAO -).

Trotz der Abkühlung, die wir derzeit erleben, liegen die globalen Durchschnittstemperaturen aber immer noch deutlich über dem langjährigen Mittel (1961-1990). Die Kurve der globalen Durchschnittstemperaturen, wo auch die jährlichen positiven oder negativen Temperaturanomalien eingezeichnet sind, macht das sehr schön deutlich (s.o.).

Die natürlichen Klimaschwankungen überlagern also lediglich einen in der globalen Durchschnittstemperaturkurve schon über längere Zeit deutlich erkennbaren stetigen Aufwärtstrend. Die Behauptung der Klimaskeptiker, der Zusammenhang zwischen der fortgesetzten Emission von Treibhausgasen (insbesondere CO2) und dem Anstieg der  globalen Durchschnittstemperaturen werde durch die derzeitige Abkühlung widerlegt, erscheint vor diesem Hintergrund mehr als fraglich!

Das CO2 und die anderen Treibhausgase sind wichtige Mitspieler im globalen Klimasystem. Obwohl die Strahlungsenergie der Sonne im Laufe der bisherigen Erdgeschichte um 30% (!) zunahm (Gaia-Theorie), sorgte das Klimasystem stets für relativ lebensfreundliche Bedingungen. Es „gelang“ der Erde mit ihrem langfristigen(geologischen) Kohlenstoffkreislauf immer genau die richtige Menge an CO2 abzupumpen und zu deponieren, um einer Überhitzung zu entgehen und wenn eine Vereisung drohte auch wieder freizusetzen. Dabei spielte das Leben eine entscheidende Rolle. Algen und später auch Landpflanzen entfernten durch Photosynthese (Umwandlung von Sonnenenergie in energiereiche organische Verbindungen unter Verwendung vonKohlendioxid und Wasser) Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre und setzten Sauerstoff (O2) als Abfallprodukt frei. Bakterien und Landpflanzen beschleunigen mit ihrer Atmung die unter feuchten Bedingungen (Regenwasser mit Kohlensäure, also gelöstem CO2) stattfindende (natürliche) chemische Gesteinsverwitterung um das 1000 fache (!), indem sie Säuren freisetzten und das CO2 am Boden konzentrierten. Die bei der Verwitterung gebildeten Carbonate (und Silikate) gelangten in Wasser gelöst in die Ozeane, wo sie in Kalkschalen von ein- und mehrzelligen Meeresorganismen eingebaut wurden, um nach deren Tode bis auf weiteres am Meeresgrund abgelagert zu werden(natürliche CO2-Depots). Im Rahmen der Plattentektonik  werden die Carbonate aufgeschmolzen und das CO2 über vulkanische Ausgasungenspäter wieder freigesetzt.

Durch die menschengemachte Freisetzung des CO2 innerhalb allerkürzester Zeiträume übersteuern wir zurzeit womöglich dieses überlebenswichtige selbstregulierende System!

Und was die mögliche vorübergehende Abkühlung angeht: Vielleicht gibt es ja einen planetaren Schutzmechanismus zur Stabilisierung des Klimasystems im Sinne der Gaia-Theorie. Der Planet Erde bevorzugt in seinem nun schon höheren Alter ein kaltes Klima, um die inzwischen schon beinahe zu starke Leuchtkraft der Sonne auszugleichen. Die dann global relativ niedrigen Wassertemperaturen in den Ozeanen lassen infolge der besseren Durchmischung der oberen und unteren Wasserschichten das Phytoplankton (einzellige Meeresalgen) prächtig gedeihen, so daß sie mehr CO2 abpumpen und außerdem durch ihre Sulfat-Emissionen die Wolkenbildung fördern können. Beides wirkt abkühlend auf den Planeten und damit der zunehmenden Sonnenwärme entgegen.

Jens Christian Heuer

Written by jenschristianheuer

Dezember 24, 2009 at 3:05 pm

Veröffentlicht in Klimawandel

Der Marsmeteorit ALH 84001

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ALH 84001

Vor 13 Jahren, im August 1996, machte ein kleiner Meteorit vom Mars weltweit Schlagzeilen. Ein Wissenschaftlerteam der NASA, darunter der Geologe, Geochemiker und Astrobiologe David S. McKay, die Geologen Everett K.Gibson und Christopher S.Romanek, die Biochemikerin Kathie L. Thomas-Keprta und dem Physikochemiker Richard N.Zare, ein Experte für Laser-Chemie (Analyse von Substanzen auf molekularer Ebene mit Lasersatrahlen) gab nach einer näheren Untersuchung des etwa 2kg schweren Gesteinsbrocken auf einer Pressekonferenz bekannt, sie hätten mehrere, recht eindeutige Hinweise auf ehemaliges bakterielles Leben gefunden. Damit war die Sensation perfekt. Zum ersten Mal direkte Anhaltspunkte für Leben außerhalb der Erde!

Der Mars. Quelle: Hubble-Teleskop, NASA

Der kleine Meteorit mit der wissenschaftlichen Bezeichnung ALH 84001 war schon Ende 1984 im Rahmen einer Expedition in die südliche Ostantarktis auf dem Alan Hills Eisfeld entdeckt worden. ALH steht für Alan Hills, 84 für das Entdeckungsjahr 1984 und 001 bedeutet, daß der Meteorit der erste auf der Liste der in diesem Jahr auf dem antarktischen Alan Hills Eisfeld gefundenen Meteoriten war. Auf schneebedeckten Eisfeldern wie Alan Hills lassen sich Meteoriten natürlich besonders leicht entdecken.

Der Marsmeteorit ALH 84001. Quelle: NASA

Durch beim Eintritt in die Erdatmosphäre entwickelnde Reibungswärme ist ALH 84001 wie alle Meteoriten von einer glasartigen Schmelzkruste überzogen.

Herkunft und Lebensgeschichte

Erst 1993 stellte sich heraus das ALH 84001 vom Mars stammt.Das gelang durch eine genaue Untersuchung der Isotopenzahlen in dem Gesteinsbrocken. Die Isotopenzahlen der verschiedenen Elemente variieren im Weltall von Ort zu Ort, unterscheiden sich also bei Gesteinen, welche beispielsweise von der Erde, vom Mond, von verschiedenen Asteroiden, Kometem oder vom Mars stammen. Es stellte sich nun heraus, daß ALH 84001 die für den Mars typischen Isotopenzahlen besaß. Darüber hinaus fand man Gaseinschlüsse mit der Isotopenzusammensetzung der Marsatmosphäre. Die Isotopenzahlen des Mars kannte man wiederum aus Untersuchungen der beiden amerikanischen Viking-Sonden, die 1976 weich auf dem Mars landeten.

Die Analyse der Isotope war auch der Schlüssel, um das Alter des Marsmeteoriten ALH 84001 zu ermitteln und seinen „Lebensweg“ zu rekonstruieren.Dabei sieht man sich die radioaktiven Isotope näher an, welche (als Elternisotope) mit unterschiedlichen Halbwertszeiten (in Tochterisotope) zerfallen. Für die Langzeitdatierung eigenen sich insbesondere Rubidium-87, das zu Strontium-87 und Kalium-40, das zu Argon-40 (ein flüchtiges Edelgas) zerfällt. Das Verhältnis zwischen den jeweiligen Eltern- und Tochterisotopen erlaubt eine recht genaue Altersbestimmung. Mit Rubidium-87/Strontium-87 ergab sich ein Alter von 4,5 Milliarden, mit Kalium-40/Argon-40 dagegen nur ein Alter von 4 Milliarden Jahren. Daraus folgerte man, daß sich das Gestein des Meteoriten ALH 84001 vor 4,5 Milliarden Jahren gebildet hatte, aber vor 4 Milliarden Jahren noch einmal aufgeschmolzen wurde. Dabei war alles bisher gebildete Argon-40 ausgegast und so die Kalium-40/Argon-40 Uhr wieder auf Null gestellt, d.h. es gab zu diesem Zeitpunkt nur noch Elternisotope (Kalium-40), aber keine Tochterisotope (Argon-40) mehr!

Vor 15 Millionen Jahren wurde ALH 84001 durch den Einschag eines Asteroiden vom Mars weggesprengt und umkreiste seitdem die Sonne bis er schließlich vor 13000 Jahren von der Erde eingefangen wurde und über der Antarktis abstürzte. Im freien Weltraum war ALH 84001 ungeschützt der kosmischen Partikelstrahlung ausgesetzt. Unter dem Beschuß dieser schnellen Partikel (Protonen, Heliumkerne, weitere vollständig ionisierte Atomkerne und Elektronen) bilden sich im Gestein neue radioaktive Isotope und später auch ihre Zerfallsprodukte, aus deren Anzahl sich die Dauer des Weltraumaufenthalts bestimmen lässt.

Carbonate

Der Marsmeteorit ALH 84001 besteht zwar vor allem aus Orthopyroxen, einem Magnesium-Eisen-Silikatgestein, enthält aber mit 1% der Gesamtmasse auch einen erstaunlich hohen Carbonatanteil, der von außen nach innen zunimmt. Das spricht übrigens auch eindeutig gegen eine nachträgliche Kontamination auf der Erde. ALH 84001 ist förmlich von Carbonaten durchsetzt, die sich als winzige Kügelchen (0,025-0,25mm Durchmesser), gelegentlich auch als flache Scheibchen, in den im Meteoriten zahlreich vorhanden feinen Spalten abgelagert haben. Carbonate bilden sich auf der Erde fast immer unter Wasser und meistens aus den Schalen (auch einzelliger) Meeresorganismen, daneben aber auch anorganisch durch Ausfällung. Die meisten Carbonatkügelchen sind orangefarben, da sie eisenhaltige Mineralien enthalten (s.u.). Die Kügelchen haben einen schwarz-weissen Rand.In Gestalt und Struktur ähneln die Carbonatkügelchen bakteriell erzeugten Carbonatablagerungen auf der Erde.

Die Carbonateinschlüsse in ALH 84001. Quelle: Geochimica et Cosmochimica Acta Volume 73, Issue 21, 1 November 2009

Die Isotopenanalyse ergab ein Alter von 3,6 Milliarden Jahren. Zu dieser Zeit gab es viel Wasser auf dem Mars, Flüsse und Seen, ja sogar Ozeane. Die Marsatmosphäre war wesentlich dichter als heute, die Temperaturen deutlich höher (bis auf die Polarregionen meist über dem Gefrierpunkt) und der Planet besaß ein intaktes globales Magnetfeld, das die gefährliche kosmische Strahlung von der Oberfläche fernhielt. Kurzum der Mars war im Gegensatz zu heute eine lebensfreundliche Welt.

Magnetische Kristalle

Der schwarz-weisse Rand der Carbonatkügelchen enthält die magnetischen Mineralien Eisensulfid (Pyrrhotit, Greigit) und Eisenoxid (Magnetit).Es handelt sich um eindomänige magnetische Kristalle, die perlschnurartig aufgereiht erscheinen.

Magnetit kann entstehen, wenn eisenhaltiges, geschmolzenes Gestein abkühlt oder eisenhaltige Carbonate stark erhitzt werden (wobei CO2 entweicht) und die dann auskristallisierenden Eisenmineralien durch das Magnetfeld des Planeten magnetisiert werden. Aber es gibt zumindest auf der Erde auch (magnetotaktische) Bakterien, die enzymatisch magnetische Kristalle erzeugen und für die Orientierung am äußeren planetaren Magnetfeld nutzen. Die Magnetkristalle werden jeweils von einer Biomembran umhüllt. Jede Bakterienzelle enthält mehrere solcher Magnetosomen, die darin Ketten bilden wie Perlen auf einer Schnur (so.).

Magnetische Kristallkette in irdischen (magnetotaktischen) Bakterien (oben und mitte links) und im Marsmeteoriten ALH 84001 (unten). Quelle: NASA (verändert)

Typisch für die biologische Entstehung sind eindomänige, für die abiologische thermische Entstehung (s.o.)dagegen mehrdomänige magnetische Kristalle. Innerhalb einer magnetischen Domäne sind alle Elementarmagnete (magnetische Dipolmomente der Atome bzw.deren Hüllelektronen) parallel ausgerichtet.Ein mehrdomäniger Kristall enthält mehrere Bezirke unterschiedlicher magnetischer Ausrichtung. Die Magnetkristalle in den Carbonatkügelchen des Meteoriten waren eindomänig, was ja eher auf eine biologische Entstehungsweise hindeutet (s.o). Nur direkt unter der Kruste des Meteoriten fand man mehrdomänige Kristalle, denn hier wurde das Material beim Eintritt in die Erdatmosphäre stark erhitzt und aufgeschmolzen. Dabei zerfällt die einheitlichen Domänen in mehrere Bezirke mit unterschiedlicher Ausrichtung der Elementarmagnete, werden also mehrdomänig.

Die magnetische Kristalle in ALH 84001 sind in einer Kette angeordnet und eindomänig, ein deutlicher Hinweis auf einen biologischen Ursprung! Auch die ungewöhnliche Verteilung der magnetischen Kristalle, die sich im äusseren Rand konzentrieren, aber kaum im Inneren der Carbonatkügelchen vorkommen, spricht dafür.

Die neuesten Untersuchungen im Jahre 2009 zeigen zudem, daß die Magnetkristalle in ALH 84001 keinerlei Verunreinigungen enthalten, was (nach derzeitigem Kenntnisstand) nur mit einer biologischen Entstehungsweise zu erklären ist. 

Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe

Die Carbonatkügelchen enthalten auch organische Substanzen, vor allem Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAH), aber auch Aminosäuren und zwar immer in direkter Nachbarschaft zu den magnetischen Kristallen.PAHs, die aus mehreren miteinander verbundenen aromatischen Ringsystemen bestehen, bilden sich bei der Zersetzung oder unvollständigen Verbrennung (Pyrolyse) von organischem Material. Es könnte sich hier also um die Überreste von (magnetotaktischen) Bakterien handeln. Diese Erklärung liegt nahe, wenn man bedenkt, daß die räumliche Verteilung der PAHs in den Carbonatkügelchen ziemlich genau mit derjenigen der magnetischen Kristalle übereinstimmt.

PAHs findet man allerdings auch in kohlenstoffhaltigen Meteoriten, Kometen und interstellaren Wolken, feinen Gas- und Staubschleiern zwischen den Sternen, wo sie (wahrscheinlich) anorganisch entstehen.

Die PAHs in ALH 84001 wurden in einer Vakuumkammer ohne jeden unmittelbaren Kontakt laserchemisch analysiert. Mit einem Infrarotlaser wurde von einer mit dem Mikroskop sorgfältig ausgewählten Stelle etwas Material abgesprengt. Direkt danach wurde ein ultravioletter Laserstrahl auf die Materiewolke abgefeuert und dadurch einige Moleküle ionisiert. Durch die Wahl der Ultraviolettfrequenz des Lasers konnte man die zu ionisierende Molekülklasse bestimmen. Durch ein elektisches Feld wurden die unterschiedlichen schweren ionisierten Molkeküle einer Klasse unterschiedlich stark beschleunigt. Auf diese Weise konnte man die Häufigkeitsverteilung innerhalb der zu untersuchenden Molekülklasse bestimmen (Massenspektroskopie).Die meisten PAHs in AL 84001 enthielten nur zwei, drei oder vier Benzolringe und einige wenige auch noch Kohlenwasserstoffseitenketten.Im Gegensatz dazu ist das Verteilungsmuster der PAHs, wie sie auf der Erde in Kohle,Erdöl und industriellen Abgasen vorkommen wesentlich komplexer.Auch Seitenketten sind hier häufiger.Das einfache Verteilungsmuster der PAHs in AL 84001 ist so, wie man es bei der Zersetzung von Bakterien erwarten würde.Es unterscheidet sich auch deutlich von dem Verteilungsmuster in interstellarer Materie und Kometen.

Das Verteilungsmuster der PAH im Marsmeteoriten ALH 84001 ist einfach, wie man es auch bei zersetzten Bakterien erwarten würde. Es überwiegen PAHs mit zwei, drei oder vier aromatischen Ringsystemen. Die Konzentration der PAHs nimmt von außen nach innen zu. Bei einer Kontamination auf der Erde wäre es genau umgekehrt. Quelle:  Science 16 August 1996: Vol. 273. no. 5277, pp. 924 – 930 (und http://www.daviddarling.info/).

Die Konzentration der PAHs nimmt im Marsmeteoriten ALH 84001 von außen nach innen zu.Zusammen mit dem andersartigen Verteilungsmuster spricht das eindeutig gegen eine äußere Kontamination auf der Erde.

Fossilien

Die für den Uneingeweihten beeindruckensten Hinweise auf mögliches außerirdisches Leben fanden die Wissenschaftler mit dem Elektronenmikroskop in Form von Strukturen auf der Oberfäche der Carbonatkügelchen, die an versteinerte Überreste (Fossilien) von Bakterien erinnern, wie man sie auch in irdischem Gestein gefunden hat. Es sind mehr oder weniger längliche, ovale, teilweise auch segmentierte Strukturen. Oftmals treten sie auch in grösseren Anhäufungen auf, wobei es sich um ehemalige Bakterienkolonien handeln könnte.

Mögliches Bakterienfossil in ALH 84001 mit segmentierter Struktur. Quelle: NASA Johnson Space Center

Die Strukturen sind aber deutlich kleiner als gewöhnliche Bakterien auf der Erde.Kritiker bezweifelten daher, daß der Platz für die biochemische Maschinerie einer Zelle überhaupt reicht.

Mögliche Bakterienkolonie in ALH 84001. Quelle: NASA Johnson Space Center

Allerdings wurden inzwischen auch in irdischem Gestein winzige Bakterien, die sogenannten Nanobakterien gefunden, die in Größe und Aussehen den möglichen Bakterien vom Mars ähneln.

Kugelförmige Mikrofossilien im Nakhla-Marsmeteoriten. Quelle: Johnson Space Center

Inzwischen fanden die Wissenschaftler auch in einem weiteren Marsmeteoriten, dem im Jahre 1911 in Ägypten niedergegangenen, 1,2 Milliarden Jahre alten Nakhla-Meteoriten mögliche fossile Spuren.Genauere Untersuchungen laufen.

Leben auf dem Mars heute?

Vor einiger Zeit entdeckten der europäische Marsorbiter „Mars Express“ und dann auch erdgestützte Teleskope konnten zur allgemeinen Überraschung sowohl mittels , als auch durch den europäischen Marssatelliten „Mars Express“ Spuren von Methan in der Marsatmosphäre. Eine Riesenüberraschung, denn Methan ist sehr instabiles Gas, das unter Marsbedingungen schon innerhalb nur weniger Marsjahre abgebaut wird (http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2008/11/mars-science-la.html). Es muß also natürliche Quellen geben, die ständig Methan nachliefern.Infrage kommen aktive Vulkane in größerem Umfang oder methanproduzierende Mikroorganismen (methanogene Bakterien). In der Marsatmosphäre wurden aber keine messbaren Mengen an Schwefeldioxid gefunden, was man bei aktiven Vulkanen eigentlich erwarten würde. Interessanterweise ist das Methan auch nicht gleichmäßig in der Marsatmosphäre verteilt, sondern es gibt eindeutig auszumachende Quellen, wo erhöhte Konzentrationen gemessen werden. Dort wo die Marsatmosphäre viel Methan enthält, gibt es gleichzeitig auch relativ viel Wasserdampf, der aus ausgedehnten Eisfeldern unter der Planetenoberfläche stammt (http://www.esa.int/esaCP/SEMAK21XDYD_index_0.html)! Könnte das ein Hinweis auf methanproduzierende Bakterien sein, die unter dem Eis recht annehmbare Lebensbedingungen vorfinden?

Fazit

Der Marsmeteorit ALH 84001 weist drei Besonderheiten auf, die in ihren Zusammentreffen auf engstem Raum eigentlich nur den Schluß zulassen, daß es zumindestens früher auf dem Mars mikrobielles Leben gab:

Der Meteorit ist mit Carbonatkügelchen durchsetzt, die sich in seinen zahlreichen Haarrissen abgelagert haben, als der Gesteinsbrocken auf dem Mars von Wasser umspült wurde. Die Carbonatkügelchen enthalten vor allem in ihrer äußeren Schicht magnetische Kristalle, welche in dieser Form (soweit bekannt) eigentlich nur durch Bakterien produziert sein können, um sich mit Hilfe des globalen planetaren Magnetfeldes zu orientieren (magnetotaktische Bakterien).

Die Carbonatkügelchen enthalten Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAH), welche möglicherweise beim Zerfall von Bakterien entstanden sind. Dafür ihr Verteilungsmuster und vor allem auch ihre räumliche Verteilung in den Carbonaten, die mit derjenigen der Magnetkristalle übereinstimmt.

Auf der Oberfläche der Carbonatkügelchen entdeckte man auf Elektronenmikroskopaufnahmen Strukturen, die an fossilierte Bakterien erinnern und teilweise auch in Kolonien vorkommen.Dabei könnte es sich um Nanobakterien handeln. 

Es sieht tatsächlich so aus, als ob der Marsmeteorit die konkretesten Hinweise auf außerirdisches Leben enthält, die jemals gefunden wurden!

Jens Christian Heuer

Quellen: 1)“Search for Past Life on Mars: Possible Relic Biogenic Activity in Martian Meteorite ALH84001″David S. McKay, Everett K. Gibson Jr., Kathie L. Thomas-Keprta, Hojatollah Vali, Christopher S. Romanek, Simon J. Clemett, Xavier D. F. Chillier, Claude R. Maechling, Richard N. Zare; Science 16 August 1996: Vol. 273. no. 5277, pp. 924 – 930 2)“Origins of magnetite nanocrystals in Martian meteorite ALH84001″ Kathie L. Thomas-Keprta, Simon J. Clemett,David S. McKay, Susan.J.Wentworth; Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 73, iss. 21, p. 6631-6677. 3)“Life on Mars: New evidence from Martian Meteorites“ David S. McKay, Kathie L. Thomas-Keprta, Simon J. Clemett, Lauren Spencer, Susan.J.Wentworth; Proc.of Spie Vol.7741 744102-1 4)“Die Jagd nach Leben auf dem Mars“ Dr. Donald Goldsmith Scherz-Verlag 1996 5)NASA Johnson Space Center(http://www.nasa.gov/centers/johnson/news/releases/) 6)Wikipedia

Written by jenschristianheuer

Dezember 8, 2009 at 8:01 pm

Veröffentlicht in Wetterwelten