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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

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Written by jenschristianheuer

Dezember 8, 2009 at 8:01 pm

Veröffentlicht in Wetterwelten

Gaia

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Die Entdeckung

Anfang der 1960er Jahre nahm der englische Wissenschaftler James Ephraim Lovelock an einem Projekt des Jet Proplsion Laboratory (Pasadena, California)der NASA zur Suche nach Leben auf dem Mars teil. Lovelock, ein begabter Erfinder hatte die Aufgabe Instrumente zum Nachweis von Leben für eine geplante unbemannte Marssonde zu entwickeln. Da Leben auf dem Mars sich durchaus vollkommen von irdischem Leben unterscheiden könnte, hielt es Lovelock für sinnvoll, nach möglichst allgeneinen Eigenschaften des Lebens bzw. deren Auswirkungen zu suchen: Leben nimmt unter Energieverbrauch notwendige Stoffe aus seiner Umgebung auf und scheidet Abfallstoffe wieder aus.  Dabei wird zwangsläufig auch die Atmosphäre des betreffenden Planeten verändert. Man müsste demzufolge, allein schon durch eine spektroskopische Untersuchung der Marsatmosphäre, Hinweise auf mögliches Leben finden können, auch ohne Raumschiff mit Instrumenten von der Erde aus.

James_Lovelock_Sandy_Lovelock

James Ephraim Lovelock (geb.1919) Quelle: http://www.ecolo.org/

James Lovelock und seine Kollegin Diane Hitchcock begannen mit der Analyse der chemischen Zusammensetzung der Marsatmosphäre und verglichen sie mit derjenigen der Erde, die ja nun ohne Zweifel ein belebter Planet ist. 

Dabei entdeckten sie einen interessanten Unterschied: Die Atmosphäre des Mars bestand, wie die des anderen, inneren Nachbarplaneten Venus hauptsächlich (zu 95%) aus Kohlendioxid (CO2).Daneben gab es noch etwas Stickstoff (N2, 2,7%), Spuren von Sauerstoff (O2, 0,13%) und das Edelgas Argon (Ar, 1,6%). Ganz anders als auf der Erde, deren Atmosphäre als Hauptbestandteil Stickstoff (N2, 78%), grosse Mengen Sauerstoff (O2, 21%); Argon (Ar, 1%) und in deutlichen Spuren Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) enthält. 

Mars Hubble cyclone

Mars ist ein Wüstenplanet, verfügt aber auch über grössere Wasser(eis)vorkommen. Auf der Nordhalbkugel sieht man einen Wirbelsturm, ähnlich den Hurrikanen auf der Erde. Quelle: Hubble, NASA

Während sich die Marsatmosphäre danach praktisch im chemischen Gleichgewicht  befand, gab es in der Erdatmosphäre Gase, die leicht miteinander chemisch reagieren können, wie etwa Sauerstoff und Methan und das auch noch in beachtlichen Mengen. Um eine gleichbleibende Konzentration dieser Gase in der Atmosphäre aufrecht zu erhalten, musste es eine aktive Quelle geben, welche ständig die durch chemische Reaktionen verbrauchten Gase nachlieferte. Diese Quelle ist eindeutig das Leben auf der Erde schloss Lovelock.

Gaia, der lebendige Planet

Das Leben auf der Erde hat vor mindestens 3,5 Milliarden begonnen, wie Mikrofossilien in den ältesten auffindbaren Gesteinen belegen und in dieser Zeit die Zusammensetzung der Atmosphäre tiefgreifend verändert.   

Earth Gaia 1

Die Erde, Natural Color RGB: Diese Bilder werden in 3 Wellenlänenbereichen aufgenommen:rot, gün und blau. Vegetation erscheint grün, da das Chlorophyll der Pflanzen grün deutlich besser reflektiert als rot und blau. Wolken aus kleinen Wassertröpfchen reflektieren alle Wellenlängen und sind daher hellweiss,  Eiswolken  jedoch cyanblau, weil  Eis rotes Licht stark absorbiert. Der unbewachsene Boden erscheint braun, denn rot wird besser reflektiert als blaues. Die Ozeane absorbieren alle Wellenlängen und sind daher beinahe schwarz. Quelle: MeteoSat, EUMETSAT

Algen und später auch Landpflanzen entfernten durch Photosynthese (Umwandlung von Sonnenenergie in energiereiche organische Verbindungen unter Verwendung vonKohlendioxid und Wasser) Kohlendioxid (CO2) direkt aus der Atmosphäre und setzten Sauerstoff (O2) als Abfallprodukt frei. Wie Lovelock gemeinsam mit der amerikanischen Mikrobiologin Lynn Margulis herausfand, beschleunigen Bakterien und Landpflanzen bei ihrer Atmung (s.u.) die unter feuchten Bedingungen (Regenwasser mit gelöstem CO2, Kohlensäüre) stattfindende (natürliche) chemische Gesteinsverwitterung (um das 1000 fache!), indem sie Säuren freisetzten und das Kohlendioxid (CO2) am Boden konzentrierten. Die dabei 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.Im Rahmen der Plattentektonik gelangen die Carbonate durch Subduktion (Untertauchen einer Erdkrustenplatte unter die andere) ins Erdinnere und werden aufgeschmolzen. Das dabei freigesetzte Kohlendioxid (CO2) löst sich im Magma. Über Vulkane und Sea-floor spreading(tektonischer Prozess bei dem durch aufsteigendes Magma Erdkrustenplatten auseinandergeschoben werden und gleichzeitig neuer Meeresboden entsteht) kehrt es später dann wieder in die Erdatmosphäre zurück. Der Kohlenstoffkreislauf ist damit geschlossen.

Es gibt auch Bakterien, die andere abgestorbene Organismen zerlegen und dabei aus den abgebauten organischen Verbindungen die Gase Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) freisetzen. Bei diesem Fäulnisprozess wird aber nicht der gesamte  Kohlenstoffs in gasförmiger Form in die Atmosphäre entlassen, sondern ein kleiner Teil in fester oder flüssiger Form deponiert und so dem Kohlenstoffkreislauf (vorerst) entzogen. Auf diese Weise entstanden auch die fossilen Brennstoffe Kohle und Erdöl. Zuweilen werden Methan und andere flüchtige Kohlenwasserstoffe auch als Erdgas unterirdisch mit eingeschlossen.

Das Leben gestaltet also aktiv die Zusammensetzung der Erdatmosphäre und bietet damit gleichzeitig die Voraussetzungen für mindestens drei Lebensweisen:

Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien, die unter Nutzung der Sonnenenergie aus Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) energiereiche organische Verbindungen herstellen und aus diesen durch Vergärung oder durch Atmung, also die kalte Verbrennung mit Sauerstoff (O2) die zum Leben notwendige Energie gewinnen;

Fäulnisbakterien (methanogene Bakterien), die unter Freisetzung von Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) durch Zersetzung organischer Verbindungen abgestorbenen Lebewesen Energie gewinnen und

Konsumenten (Tiere), die andere Lebewesen oder ihre Ausscheidungen fressen und die enthaltenen organischen Verbindungen durch Atmung verwerten (kalte Verbrennung mit Sauerstoff (O2)).

Gleichzeitig beeinflusst das Leben, indem es ganz wesentlich die Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmt, aber auch die Temperatur und sorgt dafür, dass sie im lebensfreundlichen Bereich bleibt.

Alles keine Selbstverstänlichkeit, denn es ist keinesfalls so, dass die Erde durch einen glücklichen Zufall von Anfang die Sonne in einem Abstand umrundete, so dass der Planet stets die richtige Strahlungsenergie bekam, um milde Temperaturen aufrecht zu erhalten, die dem Leben förderlich waren.

Ganz im Gegenteil, als das Leben vor mehr als 3,5 Milliarden Jahren begann (s.o.), war die Leuchtkraft der Sonne um beinahe 1/3  geringer als heute. Unter diesen Bedingungen hätte der Planet eigentlich komplett zugefroren sein müssen. Stattdessen tummelte sich aber schon das erste Leben in Form von Bakterien und Algen in flüssigen Ozeanen. Seitdem hat die Leuchtkraft der Sonne kontinuierlich zugenommen. Das ist ganz normal im Lebenslauf eines durchschnittlichen Sterns wie der Sonne. Durch die energieliefernden Kernfusionsprozesse im Sonneninneren werden Wasserstoffatomkerne fortlaufend in die schwereren Heliumatomkerne umgewandelt. Die Dichte im Sonnenkern nimmt zu, der sich daraufhin unter dem Einfluss der Schwerkraft langsam immer weiter zusammenzieht. Dabei steigen Kerntemperatur, Kernfusionsrate und infolgedessen auch die Leuchtkraft der Sonne.

Das die Erde in der Anfangszeit des Lebens wegen der schwachen Sonne nicht zugefroren war lag am überreichlich vorhandenen Kohlendioxid (CO2), das als Treibhausgas die Erde so warm hielt, dass Wasser in flüssiger Form auf der Oberfläche des Planeten existieren konnte. Hinzu kam später noch Metzhan (CH4), ein wesentlich stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid (CO2), das von den methanogenen Bakterien durch Zersetzung abgestorbenen Lebens freigesetzt wurde (s.o.). Methan (CH4) ersetzte bis zu einem gewissen Grade das Kohlendioxid ( CO2), welches durch die von Bakterien und Landpflanzen beschleunigte chemische Verwitterung aus der Atmosphäre entfernt wurde und verhinderte so eine zu starke Abkühlung der Erde durch den beschleunigten CO2-Schwund.

Bei der Photosynthese wurden grössere Mengen Sauerstoff (O2) frei, die jedoch zunächst (fast) vollständig durch reduzierende Substanzen (Wasserstoff (auch in organischen Verbindungen), Eisen u.a.m.) an der Erdoberfläche gebunden wurden. Später reicherte sich der Sauerstoff (O2) in der Atmosphäre an, wo es für das meiste Leben tödlich wirkte. Erst das Aufkommen sauerstoffatmender Pflanzen und der Konsumenten brachte Erleichterung. Diese waren in der Lage den Sauerstoff zur Energiegewinnung aus organischen Substanzen zu nutzen, was wesentlich effektiver ist als diese einfach nur zu vergären. bei der Atmung findet im Gegensatz zur Gärung ein vollständiger Abbau (bis zu Kohlendioxid und Wasser) statt, wobei mehr Energie frei wird. Die methanbidenden Bakterien, die überhaupt keinen Sauerstoff ( O2) vertrugen, zogen sich in sauerstofffreie Nischen im Untergrund zurück (z.B. Sümpfe). Später besiedelten sie auch die Därme von Tieren.

Dem Leben auf der Erde gelang  jedenfalls das Kunststück, immer soviel von den Treibhausgasen Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) aus der Atmosphäre zu entfernen, wie notwendig war, eine Überhitzung des Planetens durch die zunehmende Leuchtkraft zu vermeiden. Eine mehr als bemerkenswerte Tatsache, die so zu erklären ist:

Wird es wärmer, so wachsen Algen, Bakterien und Landpflanzen besser. Durch gesteigerte Photosynthese der Algen und Landpflanzen wird mehr Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre „abgepumpt“. Wegen der erhöhten Wasserverdunstung fällt mehr (kohlensaurer)Regen, was zusammen mit der grösseren Aktivität von Bodenbakterien und Landpflanzen die chemische Verwitterung beschleunigt und so den CO2-Gehalt der Atmosphäre weiter verringert. Der Rückgang des Teibhausgases Kohlendioxid (CO2) bringt dann die Abkühlung. Dieser Mechanismus funktioniert natürlich auch umgekehrt.

Das Leben auf der Erde kontrolliert also die Atmosphäre, die Temperatur und damit auch das Klima. es sorgt dafür das der Planet trotz sich verändernder Sonneneinstrahlung bis heute lebensfreundlich blieb. Für James Lovelock bildet die Erde mit ihren Lebensformen eine Art Superorganismus, der sich selbst reguliert, um seine Weiterexistenz zu sichern. Lovelock  nannte diesen Superorganismus Erde „Gaia“, die lebendige Erde, so wie es ihm sein Nachbar und Freund, der Schriftsteller William Golding vorgeschlagen hatte, nach der griechischen Erdgöttin. Im Jahre 1979 machte Lovelock seine neue Gaia-Theorie mit dem Buch „Gaia: A New Look at Life on Earth“ einer breiten Öffentlichkeit bekannt.

Lovelock entdeckte später noch weitere Rückkopplungen, mit denen Gaia für lebensfreundliche Bedingungen sorgt.

Da wäre beispielsweise die Sache mit dem Salzgehalt der Ozeane.  Für Meeresorganismen ist das im Meereswasser gelöste Salz eine echte Herausforderung. Der Salzgehalt liegt bei knapp 3,5%. Damit kommen sie noch zurecht. Schon bei etwas über 4% würde allerdings die elektrische Ladung der gelöstenSalzionen den Zusammenhalt der Zellmembranen gefährden, welcher ebenfalls auf elektrischen Kräften beruht. Dasselbe gilt für die Funktionstüchtigkeit wichtiger Enzyme des Stoffwechsels. Bei einem noch höheren Salzgehalt würden (fast) alle Meereslebewesen absterben. Doch es hat zumindest während der letzten 500 Millionen Jahre niemals ein Massenaussterben wegen zuviel Salz gegeben. Stattdessen lag der Salzgehalt der Ozeane immer um die gut verträglichen 3,5%. Das ist schon erstaunlich, wenn man bedenkt das durch chemische Verwitterung und Sea-floor spreading ein ständiger Salzeintrag stattfindet. Auch hier ist wieder ein selbstregulierender Mechanismus am Werke.  Mikrorganismen des Meeres mit Schalen aus Kieselsäure nehmen über ihre Zelloberflächen in Wasser gelösten Salze auf, um nach ihrem Tode abzusinken und so die überschüssigen Salze so auf dem Meeresboden zu deponieren. Insgesamt stellen Mikroorganismen nur 10-40% der Biomasse in den Ozeanen, doch wegen ihrer grossen Oberfläche im Vergleich zum Volumen 70-90& der biologisch aktiven Oberflächen.

Um mit dem normalen Salzgehalt von 3,5% fertig zu werden, benutzen vor allem mehrzellige Meeresorganismen membranständige Pumpen mit denen sie eindingende Salzionen wieder aus ihren Zellen herausbefördern. Da dies energetisch sehr aufwendig ist, behelfen sich die einzelliegen Meeresalgen auf andere Weise.  Sie bilden Dimethylsulfonpropionat (DMSP), eine ionische Verbindung, deren Molekül eine positive und eine negative Ladung enthält, welche sich beide aber nach aussen hin neutralisieren. Daher ist DMSP für die Algen unschädlich. Indem sie  Salze durch DMSP ersetzen halten die Meeresalgen ihren Salzgehalt niedrig, denn DMSP verringert den osmotischen Druckgradienten zwischen Meerwasser und Zellinnerem. Sterben Meeresalgen ab, so wird DMSP freigesetzt und im Wasser bakteriell abgebaut. Dabei entsteht gasförmiges Dimethylsulfid (DMS). DMS gelangt an die Luft und wird durch den atmosphärischen Sauerstoff (O2) zu Sulfaten oxidiert. Diese ziehen als Sulfataerosole Wasser an und wirken dadurch  als Kondensationskeime für die Wolkenbildung . Dadurch bilden sich mehr Wolken mit kleineren Wassertröpfchen, die das Sonnenlicht verstärkt reflektieren und so direkt abkühlend wirken.

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Meeresalgen fördern die Wolkenbildung. Quelle: Wikipedia

Die intensivierte Wolkenbildung begünstigt darüber hinaus durch Freisetzung von mehr latenter Wärme die Entstehung von Tiefdruckwirbeln. Deren Winde durchmischen die oberen und unteren Wasserschichten und verbessern so wiederum die Mineral- und Nährstoffzufuhr für die Meeresalgen und andere Meeresorganismen.  

Daisyworld

Die Gaia-Theorie erweckte grosses Aufsehen in der Öffentlichkeit und löste kontroverse Debatten unter den interessierten Wissenschaftlern aus. Kritiker wandten ein, eine Selbstregualtion der Erde erfordere eine Absprache aller beteiligten Lebewesen, also absichtsvolles Handeln. Das sei ein absurder Gedanke, ein absoluter Widerspruch zur Darwinschen Evolution durch zufällige (genetische) Variationen, Anpassung und Selektion.

Um dieser Kritik zu begegnen entwickelte Lovelock das Daisyworld-Modell, um zu zeigen wie die Selbstregulation eines Planeten auch ohne bewusste Absicht seiner Bewohner funktionieren kann.

Daisyworld ist ein durch mathematische Gleichungen beschriebener Modellplanet, der in seinen Eigenschafte der Erde ähnelt. Allerdings existieren auf ihm nur zwei Lebensformen, helle und dunkle Gänseblümchen (Daisies). Die Gänseblümchen können nur in einem Temperaturbereich zwischen +5°C und +40°C überleben. Optimal sind 22°C. Der Planet umrundet einen durchschnittlichen Stern, dessen Leuchtkraft wie bei der Sonne allmälich zunimmt.

Die hellen Daisies reflektieren das Sonnenlicht und kühlen sich damit ab, die dunklen Daisies absorbieren das Sonnenlicht und halten sich damit warm. Das Wachstum beider Arten hängt von den herrschenden Temperaturverhältnissen, der Populationsdichte, dem noch vorhandenen unbewachsenen Flächen und der natürlichen Lebensdauer der Pflanzen ab. Lovelock benutzte dafür Gleichungen, die das Leben wirklicher Gänseblümchen (Daisies) angemessen beschreiben. Die Wachstumsrate der beiden Arten passen sich den jeweils herrschenden Verhältnissen an.

Zunächst ist der Planet zu kalt und es gab kein Leben. Ist die Leuchtkraft der Sonne hoch genug, um auf Daisyworld +5°C zu erreichen entwickeln sich in der Äquatorregion die ersten dunklen Daisies, die es verstehen sich ausreichend warm zu halten. Ist ihre Anzahl gross genug, so erwärmen sie durch ihre den gesamten Planeten, dessen Albedo abnimmt. Die hellen Daisies haben allerdings noch keine Chance. Mit zunehmender Leuchtkraft der Sonne und fortschreitender Erwärmung breitet sich die dunkle Variante in Richtung der Pole aus und bald erscheinen am Äquator auch die ersten hellen Daisies, die hier nach und nach wegen ihrer kühlenden Eigenschaften einen Vorteil bekommen. In den gemässigten Breiten mit optimaler Temperatur koexistieren helle und dunkle Daisies. Wird der Planet noch wärmer, so ziehen sich die dunklen Daisies in die Polregionen zurück, während die helle Variante den übrigen Planeten beherrscht, seine Albedo erhöht und ihn deshalb abkühlt. Über die gesamte Zeit, in der die gesamte Planetenoberfläche bewohnt ist, halten sich auch die Temperaturen in einem lebensverträglichen Bereich. Mit noch weiter fortschreitender Erwärmung wird die Äquatorregion von Daisyworld zu heiss und unbewohnbar. Es verbleiben die hellen Daisies die sich immer weiter in die Polregionen zurückweichen müssen. Schliesslich wird die Population der hellen Daisies so gering, dass sie den Planeten nicht mehr ausreichend kühlen können. Der gesamte Planet wird zu heiss und stirbt.

daisyworld

Der Modellplanet Daisyworld mit Leben kann trotz zunehmender Leuchtkraft der Sonne über einen langen Zeitraum milde, lebensfreundliche Temperaturen aufrecht erhalten. Ohne Leben gelingt ihm das nicht.

Trotzdem gelingt es Daisyworld mit seinen hellen und dunklen Daisies über einen langen Zeitraum lebensfreundliche Temperaturen aufrecht zu erhalten, was ohne Leben niemals möglich wäre.

Das Daisyworld-Modell zeigte eindrücklich, dass prinzipiell ein lebendiger Planet selbst für lebensfreundliche Bedingungen sorgen kann, ganz ohne bewusste Absicht! Erst wenn die Leuchkraft der Sonne einen kritischen Wert überschreitet ist das System mit der Selbstregulation überfordert und bricht zusammen. Obwohl alle Lebewesen nur mit dem eigenen Überleben beschäftigt sind, dienen sie wie von einer Unsichtbaren Hand gelenkt dem Gesamtwohl des Planeten.

Auch realitätsnähere Varianten von Daisyworld in denen mehr Gänseblümchenarten vorkommen, aber auch Pflanzenfresser und Fleischfresser, welche sich wiederum von den Pflanzenfressern ernähren, funktionieren einwandfrei.

Gaia und Klimawandel

Die Gaia-Theorie ist auch für die laufende Diskussion über den menschengemachten Klimawandel durch die fortgesetzte Emission fossiler Brennstoffe von hohem Erkenntniswert.  Der Erde ist es vor allem durch das Abpumpen und des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre gelungen, einer Überhitzung infolge der immer weiter ansteigenden Leuchtkraft der Sonne zu entgehen. Und genau dieses Kohlendioxid (CO2) setzt die Menschheit nun wieder durch die Nutzung fossiler Brennstoffe im Rekordtempo frei. Das sollte eigentlich auch die Klimaskeptiker nachdenklich stimmen, die immer wieder behaupten, die Sonne bestimme (fast) allein das Klima und bei der Sache mit den Treibhausgasen handele es sich um ein Scheinproblem!

In den Abschätzungen des International Panel on Climate Change (IPCC,  http://www.ipcc.ch/) wird von einem allmälichen Temperaturanstieg bei zunehmender Treibhausgaskonzentration ausgegangen. Vergleicht man etwa die Projektionen des IPCC mit der seitdem tatsächlich stattgefundenen Entwicklung, so befinden wir uns derzeit nahe dem oberen Rand dieser Szenarien. das gilt nicht nur für die global gemittelte Temperatur, sondern auch für den globalen Meeresspiegelanstieg.

Rahmstorf Obs vs Proj

Mit einem Klimamodell, das auf den Prinzipien von Daisyworld basiert, aber auch den entscheidenden Einfluss der Meeresalgen (Beeinflussung der Wolkenbildung) und Landpflanzen (Abpumpen des CO2) auf das Klima  mit einbezieht, fand Lovelock schon im Jahre 1994 heraus, dass sich der Klimawandel zu einer wärmeren Welt nicht langsam und gemächlich, sondern sehr abrupt vollziehen könnte.

Überschreiten die Wassertemperaturen der Ozeane einen kritischen Wert so nimmt die Dichte der oberen Schichten derart ab, dass sich eine stabile Schichtung ausbildet (Stratifizierung). Ein Austausch mit den mineral- und nährstoffreichen Schichten ist dann kaum mehr möglich. Die Meeresalgenpopulationen, die ja nur in den oberen Schichten existieren können, wo es hell genug für ihre Photosynthese ist, sterben zu grossen Teilen ab.

Lovelock Kemp Abstract

In dem Klimamodell von Lovelock passierte nun folgendes: Bei einer atmosphärischen CO2-Konzentration von 500 ppm (parts per million) – heute sind es bereits 390 ppm(!)-  erreichten die Wassertemperaturen der Ozeane so hohe Werte, dass die meisten Meeresalgen starben und damit ihre klimaregulierenden, abkühlenden Fähigkeiten verloren. Die Wolkenbedeckung ging zurück, und es kam zu einem abrupten globalen Temperaturanstieg um 6°C ! Ein neues Gleichgewicht stellte sich ein, das auch bei einem weiteren CO2 Anstieg (vorerst) stabil blieb. Die Landpflanzen allein übernahmen nun die Hauptrolle bei der Regulation des Klimas. Ein globaler Temperaturanstieg von 6°C hätte natürlich katastrophale Folgen. Der Meeresspiegel würde vor allem durch das Abschmelzen des Festlandeises in Grönland und in der Westantarktis um mehrere Meter ansteigen und weltweit die meisten Hafenstädte früher oder später in den Fluten versinken.

 Doch Leben auf dem Mars?

Zur allgemeinen Überraschung fanden vor wenigen Jahren der europäische Marssatellit „Mars Express“ und später auch erdgebundene Teleskope beachtliche Mengen an Methan (CH4) in der Marsatmosphäre. Methan (CH4) ist, worauf  Lovelock während seiner Zeit bei der NASA ja bereits hingewiesen hatte, ein sehr reaktives Gas, das mit dem vorhandenen Sauerstoff binnen kurzen zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) reagiert. Es muss also natürliche Quellen geben, welche ständig Methan (CH4) nachliefern. Das Gas ist interessanterweise nicht gleichmässig in der Marsatmosphäre verteilt, sondern weist ein charakteristisches Muster erhöhter Konzentrationen auf: Genau dort wo es viel Methan(CH4) gibt, treten auch hohe Wasserdampfkonzentrationen und genau dort gibt es auch Wassereisvorkommen unter der Marsoberfläche (http://www.esa.int/esaCP/SEMAK21XDYD_index_0.html)! Es liegt nahe auf die Existenz methanogener Bakterien zu schliessen, die unter dem Eis vielleicht recht erträgliche Lebensbedingungen vorfinden.

Und noch etwas wurde womöglich bisher übersehen. Der Sauerstoffgehalt der Marsatmosphäre ist zwar nur gering, aber immerhin 30.000 mal höher als bei allen anderen Planeten unseres Sonnensystems ausser der Erde. Gibt es auch hier natürliche Quellen? Könnten es Algen sein, die ebenfalls unter schützendem Eis ihr Dasein fristen?

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 Algen in der Südpolarregionn des Mars? Quellen: NASA, ESA, Mars Astrobiology Group ( http://www.colbud.hu/esa/), verändert.

Wissenschaftler der ESA (European Space Agency) halten das für möglich. In den Dünenfeldern der Südpolarregion des Mars erscheinen und verschwinden mit dem Wechsel der Jahreszeiten dunkle Flecken, die so genannten “Dark Dune Spots”(DDS) Die Flecken tauchen zu Frühlingsbeginn auf, werden dann kräftiger (Maximum im späten Frühling), um mit dem beginnenden Sommer wieder zu verblassen. Die DDS werden vor allem auf der Südhalbkugel bis hinauf zu -60° SÜD angetroffen, genau dort, wo auch grössere Wassereisvorkommen gefunden wurden.

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So könnte der Lebenszyklus möglicherweise algenähnlicher Marsorganismen (Mars Surface Organism, MSO) aussehen. Quelle: http://www.colbud.hu/esa/

Das gleichzeitige Vorhandensein nennenswerter Mengen an Sauerstoff (O2) und Methan (CH4), zwei sehr reaktiver Gase darf nach der Gaia-Theorie als Indiz für Leben auf dem Mars gewertet werden. Allerdings würde es nur ein Leben auf Sparflamme sein, zu schwach, um den Planeten in Richtung lebensfreundlicher Bedingungen zu regulieren, vielleicht die Überreste einer einstigen Gaia auf dem Mars, deren gute schon Zeit vorüber ist.

Jens Christian Heuer

Bücher von James E. Lovelock: 1) Gaia: A New Look at Life on Earth; TB Oxford University Press  2) Ages of Gaia: A Biography of Our Living Earth; TB Oxford University Press (dt. Das Gaia- Prinzip. Die Biographie unseres Planeten.; Insel TB)  3)The Revenge of Gaia: Earth’s Climate Crisis & the Fate of Humanity; Basic Books (dt. Gaias Rache: Warum die Erde sich wehrt; TB Ullstein) 4)The Vanishing Face of Gaia: A Final Warning; Basic Books

Written by jenschristianheuer

September 14, 2009 at 12:32 pm

Veröffentlicht in Klimaforschung, Klimawandel, Wetterwelten

Die Treibhausatmosphäre des Pluto

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Pluto galt bis vor kurzem als Neunter Planet unseres Sonnensystems, wurde dann aber von der Internationalen Astronomischen Union (IAU) zu einem Zwegplaneten herabgestuft. Er umrundet die Sonne in knapp 248 Jahren auf einer, verglichen mit den 8 grossen Planeten unseres Sonnensystems, deutlich elliptischeren Bahn. Die Entfernung zur Sonne schwankt dabei zwischen knapp 30 und etwas über 40 AE (AE=Astronomischen Einheit, entspricht dem mittleren Abstand Erde-Sonne, also rund 150 Millionen km). entsprechend ). Pluto hat einen Durchmesser von etwa 1/5 der Erde, dreht sich in 6 Tagen einmal um die eigene Achse und verfügt über eine ausserordentlich dünne Atmosphäre, hauptsächöich Stickstoff, daneben geringe Mengen Methan, Kohlenmonoxid und weitere Spurengase. Der Planet selbst besteht vorwiegend aus Gestein und Wassereis. An der Oberfläche gibt es noch eine Schicht ausgefrorenener Gasen der Atmosphäre.

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So etwa könnte es auf der Oberfläche von Pluto aussehen. Über dem Horizont ist Charon, der grösste der 3 Monde von Pluto. Er ist mit einem Durchmesser von 1200 km immerhin fast halb so gross wie der Planet. Die beiden anderen Monde Nix und Hydra sind dagegen deutlich kleiner (Durchmesser 40 bzw. 160 km). Wegen der grossen Entfernung erscheint die Sonne nur noch als besonders heller Stern. Quelle: http://www.eso.org/public/

Ein Wissenschaftlerteam um Emmanuel Lellouch an der Europäischen Südsternwarte (European Southern Observatory, ESO) in Chile fand kürzlich mit einem Spektrografen (Cryogenic InfraRed Echelle Spectrograph (CRIRES)), der an eines der vier Grossteleskope (Very Large Telescope,VLT) angeschlossenen war einen unerwartet hohen Methananteil von 0,5% in der Plutoatmosphäre. Ausserdem zeigten Temperaturmessungen anhand der Spektren, dass die Atmosphäre des Pluto bis in die unteren Schichten um immerhin 40-50°C wärmer ist als die  mit -220°C äusserst kalte Planetenoberfläche (Temperaturzunahme 3-15°C pro Höhenkilometer). Für diese Temperaturinversion (also die Umkehr des normalen Temperaturrückgangs mit zunehmender Höhe, auf der Erde z.B. durchschnittlich 6°C pro Höhenkilometer) ist vor allem das  Methan verantwortlich, das einen starken Treibhauseffekt in der Atmosphäre erzeugt.

Die Planetenoberfläche absorbiert zunächst erst einmal die recht spärlich eintreffende Sonnenstrahlung und wandelt sie in Wärme um. Dadurch wird  die Atmosphäre von unten direkt erwärmt, aber die Planetenoberfläche gibt auch einen erheblichen Teil der empfangenen Wärme als Infrarotstrahlung ab (Bodenstrahlung). Aus dieser Infrarotstrahlung absorbiert das Treibhausgas Methan bestimmte Wellenlängen, welche bestimmten, Schwingungsmöglichkeiten des infrarotaktiven Methanmoleküls entsprechen. Das Molekül funktioniert damit so ähnlich wie eine Radioantenne, die mit ihrem Schwingkreis aus einem Wellensalat die richtigen,  jeweils eingestellten Radiosender herausfiltert. Die  empfangene Energie wird durch durch Stösse an noch nicht angeregte Nachbarmoleküle weitergegeben, so dass die  Atmosphäre insgesamt wärmer wird. Die angeregten Methanmoleküle entwickeln eine infrarote Eigenstrahlung mit den den entsprechenden Wellenlängen. Ein Teil davon erwärmt als infrarote Gegenstrahlung die Planetenoberfläche, die somit etwas von ihrer verlorenen Wärme zurückerhält.

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Das 5-atomige tetraederförmige Methan hat zahlreiche Eigenschwingungsmöglichkeiten und absorbiert daher auch bei vielen Wellenlängen im Infraroten. Das mit CRIRES aufgenommene Spektrum von Pluto (schwarze Kurve) stimmt mit den Modellannahmen (rote Kurve) gut überein. Quellen: http://osulibrary.oregonstate.edu/ und http://www.planetary.org/blog/ (verändert)

Doch warum ist dann die Planetenoberfläche trotzdem so kalt? Auch das hängt mit dem Methan zusammen, das an der Planetenoberfläche zunächst in gefrorener Form vorliegt. Durch die Sonne und die infrarote Gegenstrahlung wird es dann aber soweit erwärmt, dass es sublimiert, also direkt vom festen in den gasförmigen Zustand übergeht. Dabei wird der Planetenoberfläche viel Energie entzogen (Sublimationskälte).

Den Wissenschaftlern um Lellouch bestimmten ausserdem Plutos Durchmesser und die Mächtigkeit seiner Atmosphäre. Wegen seiner grossen Entfernung zur Erde ist das Abbild Plutos in Teleskopen viel zu klein, um damit genau seine Grösse direkt  zu vermessen. Es ist jedoch auf indirektem Wege möglich, indem man sich Sternbedeckungen zunutze macht, wo der Planet,  von der Erde aus gesehen, vor einem Hintergrundstern vorbeizieht und ihn vorübergehend verdeckt. Wurde zuvor die Bahngeschwindigkeit des Planeten bestimmt,  kann anhand der gemessenen Sternbedeckungszeit auch leicht der Planetendurchmesser berechnet werden. Verfügt  der  Planet jedoch über eine Atmosphäre, so wird die Angelegenheit ein wenig komplizierter, denn das Sternenlicht wird schon abgeschwächt bevor der Planet selbst sich vor den Stern schiebt. Ja mehr noch, die Atmosphäre lenkt das Sternenlicht durch Lichtbrechung  ab, wodurch die Zeitmessung der Sternbedeckung noch zusätzlich verfälscht wird. All das erschwert natürlich die Bestimmung des Planetendurchmessers, erlaubt aber andererseits auch eine Abschätzung der Mächtigkeit der Atmosphäre, wenn es gelingt bei der Messung der Sternbedeckung die Effekte des Planeten selbst von den Effekten  seiner Atmosphäre zu trennen. Genau das scheint den Wissenschaftlern an der Europäischen Südsternwarte gelungen zu sein. Nach ihren neuesten Messungen soll der Durchmesser Plutos zwischen
2338 to 2,344 km liegen und seine Atmosphäre eine Mächtigkeit zwischen 17 und 24 km haben. Eine bisher noch nicht gekannte Genauigkeit!

Im Jahre 2015 wird die amerikanische Raumsonde New Horizon den Pluto erreichen, um erstmals den Zwergplaneten aus der Nähe zu fotografieren und direkte Messungen vor Ort durchzuführen.

Jens Christian Heuer

Quellen:  http://www.planetary.org/blog/article/00001860/
und http://fr.arxiv.org/abs/0901.4882 (Originalarbeit von E. Lellouch, B. Sicardy, C. de Bergh, H.-U. Käufl, S. Kassi und A. Campargue)

Written by jenschristianheuer

März 26, 2009 at 12:53 am

Veröffentlicht in Klimaforschung, Wetterwelten

Zweite Erde schon gefunden?

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Im Juni 2008 entdeckte ein internationales Astronomenteam unter Leitung von David Bennett mit der Microlensing – Methode einen 3000 Lichtjahre entfernten Planeten von nur 3,3 Erdmassen, eine felsige, sogenannte „Supererde“, die einen Braunen Zwerg umkreist, also einen mangels Masse (nur 6-8% der Masse unserer Sonne)gescheiterten Stern, welcher das Kernfusionsfeuer nicht entfachen konnte (http://www.newscientist.com/article/dn14038-smallest-planet-weighs-just-three-earths.html). Die Beobachtung gelang gleichzeitig mit dem Astrophysics (MOA) II Telescope in Neuseeland und unabhängig davon mit dem Very Large Telescope (VLT) in Chile (Microlensing-Ereignis MOA‐2007‐BLG‐192).  

Die Microlensing – Methode basiert auf der Allgemeinen Relativitätstheorie Albert Einsteins, nach der eine Masse in Abhängigkeit von ihrer größe die umgebende Raumzeit krümmt und daher auch Lichtteilchen (Photonen) ablenken kann, obwohl sie masselos sind.

Das Licht eines weit entfernten kann also durch einen näher gelegenen Stern abgelenkt werden. Befinden sich beide Sterne in einer Sichtlinie, so wirkt der Vordergrundstern als Sammellinse für das Licht des Hintergrundsterns. Durch diesen Gravitationslinseneffekt wird der sichtbare, weiter entfernte Hintergrundstern vorübergehend heller.

Handelt es sich bei dem Vordergrundstern um einen Einzelstern ohne Planeten, dann erhält man eine symmetrische Lichtkurve, weil die Helligkeit des Hintergrundsterns gleichmässig zu- und wieder abnimmt.

Wird der Vordergrundstern aber von einem Exoplaneten begleitet, so zeigt die Lichtkurve noch ein weiteres „aufgesetztes“ kleines Helligkeitsmaximum, das vor oder nach dem Hauptmaximum liegt, je nachdem auf welcher Seite des Sterns sich der Planet gerade befindet. Mit dieser Methode lassen sich auch sehr kleine Exoplaneten aufspüren. Allerdings müssen sehr viele Sterne beobachtet werden, um fündi zu werden, da Microlensing-Eregnisse mit zwei genau in einer Sichtlinie zur Erde liegenden Sternen relativ selten sind.  

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Durch Microlensing lassen sich im Gegensatz zu anderen Methoden auch kleine Exoplaneten in der Grössenordnung der Erde aufspüren. Quelle:   http://bustard.phys.nd.edu/MPS/index.html

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Der Exoplanet erzeugt ein weiteres kleines Helligkeitsmaximum neben dem grossen Helligkeitsmaximum des Linsensterns im Vordergrund. Quelle: https://www.llnl.gov/str/

Eine neue Analyse des Microlensing-Ereignisses MOA‐2007‐BLG‐192 deuten nun aber auf eine größere Masse des Vordergrundsterns hin (http://www.newscientist.com/article/dn16439-smallest-known-exoplanet-may-actually-be-earthmass.html). Statt um einen Braunen Zwerg handelt es sich wohl doch eher um einen Roten Zwergstern, also um einen echten Stern mit funktionierender Kernfusion! Um die gemessene Lichtkurve zu erklären, muss die Masse des Exiolaneten aber deutlich heruntergerechnet werden und man erhält einen Planeten von nur noch sage und schreibe 1,4 Erdmassen!!! Könnte es die lang gesuchte ZWEITE ERDE sein? Von der Größe her auf jeden Fall, da wäre er äußerlich von der Erde kaum zu unterscheiden. Die Umlaufbahn ist ebenfalls recht günstig, denn der Exoplanet umrundet seinen allerdings vergleichsweise nur sehr schwach leuchtenden Zentralstern in etwa der Ebtfernung wie die Venus unsere Sonne. Dieser Abstand ist groß genug, daß es nicht zu einer gebundenen Rotation des Exoplaneten kommt, der ansonsten seinem Stern immer dieselbe Seite zuwenden würde, was nicht gerade günstig für das dann dort herrschende Klima wäre. Der Planet empfängt allerdings deutlich weniger Wärme als die Erde und könnte daher tiefgefroren sein. Aber der Planet ist als „kleine Supererde“ auch um immerhin 40% schwerer. Das führt höchstwahrscheinlich zu einer stärkeren Plattentektonik und damit auch zu einer dichteren Atmosphäre, die besser die Wärme halten kann. Zudem ist der Planet groß genug, um viele Kometen einzufangen, wodurch sich wahrscheinlich Ozeane bilden konnten. Also vielleicht doch die erste ZWEITE ERDE!?

Stichwort Exoplaneten: Exoplaneten sind Planeten ausserhalb unseres Sonnensystems, denn sie umkreisen  nicht unsere, sondern eine andere Sonne. Sie gehören also zu einem fremden Planetensystem um einen fremden Stern. Die Bildung von Planeten ist eine normale Begleiterscheinung bei der Sternentstehung und läuft in etwa so ab: 

Eine interstellare Wolke (Durchmesser ca. 1Lichtjahr) aus Gas (99%) und Staub (1%) kollabiert unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft, zieht sich zusammen, beginnt zu rotieren, wird dabei immer schneller (wegen der Erhaltung des Drehimpulses) und im Zentrum immer dichter und wärmer bis sich schliesslich ein Stern bildet. Durch die Rotation formt sich eine Scheibe, die sich langsam abkühlt, so dass es zu Kondensationsvorgängen kommt, wobei die vielen Staubteilchen  als Kondensationskerne wirken. Die schwerer werdenden Staubteilchen sinken durch die Schwerkraft und die Bremswirkung des Gases zur Scheibenebene, wo sie sich zunehmend anreichern. Dadurch beschleunigt sich wiederum das Wachstum der Staubteilchen, weil sie sich immer häufiger begegnen und aneinander haften bleiben. Es bilden sich die ersten Planetesimale mit Durchmessern von bis zu einigen Kilometern.

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Planetenentstehung Quelle: http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/arny/indexnew.mhtml

In Abhängigkeit von der Temperatur der Scheibe, die von innen nach aussen abnimmt, kondensieren im inneren, heissen Bereich bis 0,5 AE vorwiegend metallische Teilchen, ab 1 AE Abstand überwiegen dann die Silikate. Bei 3 AE wird schließlich die sogenannte „Schneegrenze“ erreicht, wo dann auch Eisteilchen auftreten 1 Astronomische Einheit (AE) entspricht der Entfernung der Erde zur Sonne (150 Millionen km). Die Planetesimale sind bald gross genug um weitere Materie anzusammeln. Die Grösseren wachsen zu Protoplaneten heran, die Kleineren stossen aufeinander und zerfallen, oder werden von den Protoplaneten weggeschleudert und bilden einen äusseren Ring, den Kuiper-Gürtel. Manche stürzen auch in den zentralen Stern. Da jenseits der „Schneegrenze“ mehr Kondensationsmaterie zur Verfügung steht als weiter innen, entstehen dementsprechend grössere Planetesimale, die wiederum auch mehr Material einsammeln können. Diese sehr grossen Protoplaneten (bis 10 Erdmassen und mehr) ziehen nun auch grössere Mengen Gas an, wodurch die sogenannten Gasriesen (z.B. Jupiter und Saturn in unserem Sonnensystem) entstehen. Weiter innen bilden sich kleinere Protoplaneten, die Metalle (vorwiegend Eisen und Nickel) und Gestein (Silikate) einsammeln, aber kein Gas das hier wegen der zu hohen Temperaturen nicht auskondensiert. Die noch vorhandenen kleineren Planetesimale bombardieren die felsigen Protoplaneten, die so heiss werden, dass sie aufschmelzen und eine innere Differenzierung stattfinden kann. Eisen und Nickel sinken zur Mitte und bilden den Kern, die leichteren Silikate den Mantel und die Kruste (erdähnliche Planeten). Ein Teil der dann immer noch übrig gebliebenen Planetesimale bilden einen oder auch mehrere Asteroidengürtel.

Die meisten Exoplaneten wurden bisher auf indirektem Wege gefunden, davon der ganz überwiegende Teil mit der Doppler-Methode: In einem Planetensystem zieht nicht nur der Stern den ihn umlaufenden Planeten an, sondern auch der Planet übt umgekehrt eine Kraft aus. Diese Anziehungskraft zwingt den Stern auf eine kreisförmige oder elliptische Bahn um den gemeinsamen Schwerpunkt, welche wiederum im Kleinen die Umlaufbahn des Planeten widerspiegelt. Da der Stern viel schwerer ist als der Planet, liegt der gemeinsame Schwerpunkt immer innerhalb des Sterns. Die Schwierigkeit liegt nun darin, aus einer so grossen Entfernung die außerordentlich geringe Bewegung des Sterns zu messen. Eine Möglichkeit ist die spektroskopische Untersuchung des Sternenlichtes unter Zuhilfenahme des Doppler-Effekts. Wenn sich der Stern auf seiner kleinen Bahn einmal in Richtung Erde und dann wieder von ihr weg bewegt, werden die von ihm ausgesandten Lichtwellen abwechselnd etwas zusammen oder auseinander gezogen. Dabei werden die Lichtwellen erst zum blauen (kurzwelligen) und dann zum roten (langwelligen) Ende des Spektrums hin verschoben. Aus dieser periodischen Dopplerverschiebung des Lichts können die Astronomen die Bahn des Sterns ermitteln und daraus mit den Newtonschen Gesetzen die Masse, Umlaufzeit, den Abstand des Planeten von seinem Stern und sogar die Form der Umlaufbahn (kreisförmig oder elliptisch) bestimmen.

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Mit der Doppler-Methode wurden bisher die meisten Exoplaneten gefunden. Quelle: ESO

Die ermittelte Masse des Exoplaneten stimmt aber nur, wenn die Beobachtung des fremden Planetensystems genau von der Seite geschieht. Ist die Bahn des Explaneten jedoch gegen die Beobachtungsrichtung geneigt, so wird seine Masse unterschätzt, weil die Geschwindigkeit der Hin- und Herbewegung von der Erde aus betrachtet geringer erscheint als sie ist. Die gemessene Doppler-Verschiebung täuscht einen zu leichten Planeten vor. Der Neigungswinkel der Bahnebene des fremden Planetensystems lässt sich nur ermitteln, wenn außerdem noch eine Staubscheibe oder aber ein Vorübergang des Planeten vor dem Stern (Planetentransit) beobachtbar ist. Der Planetentransit führt zu einer winzigen Helligkeitsabnahme des Sterns und ist deshalb eine eigenständige Methode zur Entdeckung von Exoplaneten.

 Jens Christian Heuer

Written by jenschristianheuer

Januar 19, 2009 at 11:48 pm

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Leben auf dem Mars?

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Der Mars, ein kurzer Steckbrief

Der Mars, der von der Sonne aus gesehen vierte Planet in unserem Sonnensystem ist der äussere Nachbarplanet unserer Erde und zählt zur Klasse der Gesteinsplaneten. Auffällig ist seine rote bis ockergelbe Farbe, die durch den auf der Oberfläche reichlich vorhandenen Eisenoxid-Staub verursacht wird. Der Mars ist also ein „rostiger“ Planet.

Mars besitzt zwei kleine, wie Kartoffeln geformte Monde, Phobos und Deimos (griech. Furcht und Schrecken), bei denen es sich höchstwahrscheinlich um eingefangene Asteroiden handelt.

Der Mars umläuft die Sonne in 687 Tagen, auf einer elliptischen Bahn, wobei der Abstand im Perihel (sonnennächster Punkt der Bahn) 1,52 AE (Astronomische Einheiten) und im Aphel (sonnenfernster Punkt der Bahn) 1,67 AE beträgt. Die Astronomische Einheit leitet sich vom mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne ab, etwa 150 Millionen Kilometer, der definitionsgemäss 1 AE entspricht. Der Mars besitzt mit einem Durchmesser von 6.794 km etwa den halben Durchmesser der Erde, ein Viertel ihrer Oberfläche und ein Zehntel ihrer Masse. Seine Schwerkraft ist deshalb nur etwas mehr als ein Drittel (38%) so groß wie auf der Erde Der Mars dreht sich in rund 24 Stunden und 37 Minuten einmal um die eigene Achse (Eigenrotation), womit seine Tageslänge beinahe derjenigen der Erde gleicht, die bei 23 Stunden 56 Minuten liegt. Bei Mars und Erde ist die Rotationsachse gegen die Senkrechte auf der Bahnebene geneigt (um 25,2° zu 23,44°). Daher gibt es auf beiden Planeten ausgeprägte Jahreszeiten. Auf dem Mars haben sie jedoch fast die doppelte Dauer, denn ein Marsjahr ist mit 687 Tagen auch fast doppelt so lang ein Erdenjahr mit seinen 365 Tagen.

Der Mars besitzt ein Magnetfeld, das aber nur höchstens 1/30 der Stärke des irdischen Magnetfeldes erreicht. Die Schutzwirkung gegen die tödliche Teilchenstrahlung aus dem Weltall ist deshalb nur gering.

Auch eine dünne Atmosphäre ist vorhanden, die zu 95 % aus Kohlendioxid besteht. Daneben kommen noch 2,7 % Stickstoff, 1,6 % Argon, geringe Anteile an Sauerstoff und Kohlenmonoxid sowie Spuren von Wasserdampf und anderen Gasen vor. Die dünne Marsatmosphäre kann nur wenig Sonnenwärme speichern, daher sind die Temperaturunterschiede zwischen tag und Nacht auf der Oberfläche sehr krass. Die Temperaturen erreichen beispielsweise in Äquatornähe etwa 20 bis 30 °C am Tag und sinken  auf bis zu –85 °C in der Nacht. Der Bodenluftdruck des Mars liegt nur zwischen 6 und 12 mb (Millibar). Im Vergleich zu den durchschnittlich 1013 mb auf der Erde sind dies äusserst wenig (entsprechend dem Luftdruck auf der Erde in 35 Kilometern Höhe).

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Mars mit Eiswolken an den Polkappen (links), globaler Staubsturm auf dem Mars (rechts) Quelle: Hubble, NASA

Der Mars hat vereiste Polkappen aus Kohlendioxid- und Wassereis, die im Sommer teilweise verdunsten. Aus dem Wasserdampf können sich besonders in der Nacht ausgedehnte Eiswolken (Cirruswolken) bilden, die der nächtlichen Auskühlung der Marsoberfläche teilweise entgegen wirken.

Trotz seiner dünnen Atmosphäre gibt es richtiges Wetter auf dem Mars, das wie auf der Erde durch das Temperaturgefälle zwischen Äquator und Polen angetrieben wird. Zwischen der Äquatorregion und den  mittleren Breiten entwickelt sich eine ausgeprägte Hadley-Zirkulation, die im Prinzip so funktioniert wie die Luftumwälzung in einem Zimmer mit Heizofen. Im Winter, wenn das Temperaturgefälle an der Grenze zwischen der relativ warmen Luft aus den mittleren Breiten und der eiskalten Polarluft besonders ausgeprägt ist (und wegen der grösseren vertikalen Ausdehnung der wärmeren Luft auch das Luftdruckgefälle in der Höhe), bilden sich nahe der Polarregionen Jetstreams, die wegen der Eigenrotation des Planeten von Westen nach Osten laufen. Erreichen diese eine kritische Strömungsgeschwindigkeit, so beginnen sie zu mäandern. Aus kleinen Turbulenzen innerhalb der Jetstreams entwickeln sich dynamische Hoch- und Tiefdruckgebiete, die Warm- und Kaltluft miteinander verwirbeln. Im Bereich der Tiefdruckgebiete wird die Luft gehoben und kühlt dabei ab. Die Luftfeuchtigkeit auf dem Mars ist immerhin gross genug, dass sich dabei auch relativ viele Wolken bilden und vereinzelt sogar Schnee fällt.

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Dynamische Tiefdruckgebiete auf der Nordhalbkugel des Mars. Quelle: Hubble, NASA

Während des Marsfrühjahrs können durch die zunehmende Erwärmung des Bodens in den ausgedehnten flachen Ebenen heftige Staubstürme entstehen, die mitunter große Teile der Marsoberfläche verhüllen. Aber auch wenn es keine grösseren Staubstürme gibt, entstehen immer wieder kleine Staubwirbel (Staubteufel), die über die Marsebenen ziehen und auf dem Boden dunkle Spuren hinterlassen.

Methan

Vor einiger Zeit konnten zur allgemeinen Überraschung sowohl mittels erdgestützter Teleskope, als auch durch den europäischen Marssatelliten „Mars Express“ Spuren von Methan in der Marsatmosphäre nachgewiesen werden. Methan ist sehr instabiles Gas, das nach neuesten Erkenntnissen unter Marsbedingungen schon innerhalb eines oder weniger Marsjahre abgebaut wird (http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2008/11/mars-science-la.html). Es muss also natürliche Quellen geben, welche die ständigen Verluste ausgleichen. Das können nur aktive Vulkane oder methanproduzierende Mikroorganismen leisten. Gäbe es aktive Vulkane, dann müssten deutlich messbare Mengen an Schwefeldioxid in der Marsatmosphäre zu finden sein. Dem ist aber (bisher) nicht so. Das Methan ist interessanterweise nicht gleichmäßig in der Marsatmosphäre verteilt, sondern weist ein charakteristisches Muster erhöhter Konzentrationen auf: Dort wo es viel Methan gibt, enthält die Luft auch  relativ viel Wasserdampf, der von Wassereis 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?

Dark Dune Spots, Leben am Marssüdpol?

Im Jahre 2001 erschien in der Zeitschrift „Lunar and Planetary Science“ ein Beitrag mehrerer ungarischer ESA-Wissenschaftler aus Budapest zu interessanten Erscheinungen (überwiegend)in der Südpolarregion des roten Planeten: Auf den Aufnahmen des „Mars Global Surveyor“ (MGS) erschienen und verschwanden in den Dünenfeldern des Südens dunkle Flecken, die sogenannten „Dark Dune Spots“(DDS) in Abhängigkeit von den Jahreszeiten. Die Flecken tauchten zu Frühlingsbeginn auf, wurden dann kräftiger (Maximum im späten Frühling) und verblassten dann mit dem beginnenden Sommer. Auch nachfolgende Raumsonden wie jüngst der Mars-Reconaissance-Orbiter (MRO) bestätigten das Phänomen.

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Dark Dune Spots inder Südpolregion des Mars Quelle: http://www.colbud.hu/esa/

Die konventionelle Erklärung: Die Flecken entstehen durch abwechselndes Gefrieren und Auftauen der Dünen. Im Winter gefrieren sie und tauen wieder auf im Frühling, aber wegen des geringen Luftdrucks gehen das beteiligte Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) direkt vom gasförmigen in den festen bzw. vom festen in den gasförmigen Zustand über (Sublimation). Diese Vorgänge werden durch die Oberflächenstruktur und die inneren physikalischen Eigenschaften der Dünen entscheidend bestimmt, wodurch sich Lage und Anordnung der DDS ergeben sollen.

Nach der Analyse von über 100 Detailaufnahmen, die jeweils ein 1-3 km breites und 20-80 km langes Gebiet zeigen, wobei die zumeist kreisförmigen DDS Abmessungen zwischen einigen dutzend und einigen hundert Metern haben, kommen die Wissenschaftler der ESA jedoch zu ganz neuen, überraschenden Ergebnissen:

Der Aufenthaltsort, die Form und die Anordnung der DDS ist unabhängig von der genauen Oberflächenstruktur der Dünen. Die DDS folgen nicht dem Höhenprofil der Landschaft, sondern scheinen radial nach außen zu „wachsen“. Während des Frühlings beginnen die einzelnen, ursprünglich kreisförmigen DDS hangabwärts zu fliessen, so dass ein sehr charakteristisches Muster paralleler Fließrinnen entsteht. Die DDS verlaufen wie Tinte auf einem senkrecht gehaltenen Blatt Löschpapier. Das deutet nun aber nicht auf Sublimationsvorgänge, sondern auf flüssiges Wasser hin.

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Dark Dune Spots Quelle: Mars Reconaissance Orbiter (MRO), NASA

Die DDS entstehen vorwiegend nicht  oben auf den Dünenspitzen, sondern weiter unten, und sie entstehen auch nicht an den der Sonne besonders ausgesetzten Bereichen, wie es eigentlich zu erwarten wäre, wenn die konventionelle Erklärung stimmen würde. Ausserdem tauchen die DDS in den meisten Fällen in aufeinander folgenden Jahren immer wieder an denselben Stellen auf. Hieraus ergibt sich, das komplizierte Sublimationsvorgänge als Erklärung für das Erscheinen und die weitere Entwicklung der DDS nicht überzeugen.

Eine alternative Erklärung wäre die mögliche Existenz einfacher photoautotropher (d.h. nur lichtabhängiger)Organismen, sogenannter Mars Surface Organism (MSO) in den DDS. Wenn es auf dem Mars Leben gibt, so muss es an die jeweiligen örtlichen Gegebenheiten angepasst sein. Die MSO durchlaufen nach Ansicht der ungarischen ESA-Wissenschaftler den folgenden Lebenszyklus:

Im Winter ist der Boden unter den DDS tief gefroren. Die DDS sind mit Eis, Schnee und einer darüberliegenden Trockeneisschicht (CO2-Eis) bedeckt. Die Organismen (MSO) befinden sich in einer Schicht zwischen dem Boden und der Eis- und Schneedecke und liegen (als Sporen?) in einer Art “ Winterschlaf“.

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Lebenszyklus der Mars Surface Organism (MSO). Quelle: http://www.colbud.hu/esa/

Da Eis lichtdurchlässig ist, absorbieren die MSO das erste einfallende Sonnenlicht des beginnenden Frühlings, nehmen ihren lichtabhängigen Stoffwechsel wieder auf, erwärmen sich dabei und schmelzen so das umgebende Eis, wodurch die Sublimation der oberen Trockeneisschicht beschleunigt wird. Die MSO schwimmen nun in einem wässrigen Medium und kommen so auch an die aus dem darunter liegenden Boden herausgelösten Mineralstoffe heran. Die oben aufliegende Eis- und Schneedecke schützt sie vor Kälte, Austrocknung und den gefährlichen UV-Strahlen. Die MSO wachsen und vermehren sich. Immer mehr Eis schmilzt, und es kommt zum Auslaufen der DDS. Wenn die schützende Eis schicht im Frühsommer abgeschmolzen ist verdampft das vorher flüssige Wasser schlagartig und die MSO werden gefriergetrocknet, wobei die DDS verblassen. Sie müssen sich vorher rechtzeitig in eine dauerhafte und widerstandsfähige Form (Sporen o.ä.) verwandelt haben. Die DDS werden in der südpolaren Region bis hinauf zu -60° SÜD angetroffen. In genau diesem Bereich fand die „Mars Odyssey“ (MO) besonders grosse Mengen an H2O durch Neutronenspektroskopie.

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Wasser am Südpol des Mars und Dark Dune Spots. Quelle: http://www.colbud.hu/esa/ 

Gemessen wurde ein deutliches Defizit an schnellen Neutronen, was auf eine große Menge an Wasser hinweist, das die schnellen Neutronen durch zahlreiche Zusammenstösse abbremst. Bei den photoautotrophen MSO könnte es sich womöglich um algenartige Lebensformen handeln, ähnlich wie im Eis der Antarktis. Dies würde auch zu dem Befund passen, dass die Marsatmosphäre verglichen mit der Erde zwar nur sehr wenig Sauerstoff enthält, verglichen mit den anderen Planeten des Sonnensystems aber ausserordentlich viel (um den Faktor 30000 mehr!) !!

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Mars Odyssey Quelle: NASA

Anhang: Das Neutronenspektrometer (NS) der Mars Odyssey
Der Neutronendetektor (NS) bestimmt vom Mars kommende Neutronen in 3 Energiebereichen (Bändern): Thermische Neutronen, Epithermische Neutronen und schnelle Neutronen. Neutronen entstehen durch den Beschuss von Oberflächenmaterial mit kosmischer Strahlung. Wasser moderiert Neutronen, d.h. es nimmt ihnen durch Zusammenstösse die Energie. Aufgrund dieser Tatsache kann der Neutronendetektor größere Mengen an Wasser (ab einer Schichtdicke von 1 m) entdecken.
Das Instrument ist ein rechteckig und besteht aus 4 Prismen. Ein Prisma schaut zur Planetenoberfläche, eines in den Weltraum, eines zur Mars Odyssey und eines in Bewegungsrichtung der Raumsonde. Jedes Prisma besteht aus mit Bor versetztem Kunststoff und mit einer Photomultiplierröhre verbunden. Ein Neutron stößt mit den Wasserstoff und Kohlenstoffkernen des Kunststoffes zusammen und wird abgebremst. Schliesslich erreicht er eine Geschwindigkeit die ausreicht aus um von Bor-Atomkern eingefangen zu werden. Der Kern des Boratoms zerfällt daraufhin zu einen Lithiumkern. Dies verursacht wiederum einen Lichtblitz, der durch Photomultiplierröhren verstärkt und dann registriert wird. Während ein Prisma die Neutronen vom Mars detektiert, erfasst das zweite Prisma Neutronen aus dem kosmischen Hintergrund. Die beiden anderen Detektoren erfassen thermische Neutronen, welche sich in ihrer Bewegungsenergie entsprechend der Geschwindigkeit der Raumsonde unterscheiden.
Dadurch kann man sehr genau zwischen thermischen, von der Oberfläche kommenden oder schnellen Hintergrundneutonen unterscheiden, indem man einfach die Daten zweiter Prismen voneinander abzieht.

Jens Christian Heuer

Quellen: ESA Mars Astrobiology Group http://www.colbud.hu/esa/, ESA http://www.esa.int/esaCP/SEMAK21XDYD_index_0.html, Wikipedia

Written by jenschristianheuer

November 20, 2008 at 10:16 pm

Veröffentlicht in Wetterwelten

Exoplaneten erstmals fotografiert

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Zum ersten Mal ist es Astronomen zweifelsfrei gelungen, Planeten eines anderen Sterns (Exoplaneten)direkt zu fotografieren. Das Kunststück gelang gleich zweimal: am Keck-Observatorium auf dem Gipfel des Mauna Kea in Hawaii (in Zusammenarbeit mit dem Gemini North Observatorium in den chilenischen Anden) und mit dem Hubble-Weltraumteleskop.

Das große Problem bei Direktaufnahmen von Exoplaneten ist der enorme Helligkeitsunterschied zwischen dem extrem hellen Stern und den lediglich durch den Widerschein des Sternenlichts schwach leuchtenden Exoplaneten. Diese werden daher normalerweise vom grellen Sternenlicht vollkommen überstrahlt. Daher wurden alle Exoplaneten bisher auf indirektem Wege gefunden, davon die meisten mit der Doppler-Methode: In einem Planetensystem zieht nicht nur der Stern den ihn umlaufenden Planeten an, sondern auch der Planet übt bei seinem Umlauf umgekehrt eine Kraft aus. Diese Anziehungskraft zwingt den Stern auf eine kreisförmige oder elliptische Bahn um den gemeinsamen Schwerpunkt, welche wiederum im Kleinen die Umlaufbahn des Planeten widerspiegelt. Da der Stern viel schwerer ist als der Planet, liegt der gemeinsame Schwerpunkt immer innerhalb des Sterns. Die Schwierigkeit ist nun,  aus einer so großen Entfernung die außerordentlich geringe Bewegung des Sterns zu messen. Eine Möglichkeit ist die spektroskopische Untersuchung des Sternenlichtes unter Zuhilfenahme des Doppler-Effekts. Wenn sich der Stern auf seiner kleinen Bahn einmal in Richtung Erde und dann wieder von ihr weg bewegt, werden die von ihm ausgesandten Lichtwellen abwechselnd etwas zusammen oder auseinander gezogen. Dabei werden die Lichtwellen erst zum blauen (kurzwelligen) und dann zum roten (langwelligen) Ende des Spektrums hin verschoben. Aus dieser periodischen Dopplerverschiebung des Lichts können die Astronomen die Bahn des Sterns ermitteln und daraus mit den Newtonschen Gesetzen die Masse, Umlaufzeit, den Abstand des Planeten von seinem Stern und sogar die Form der Umlaufbahn (kreisförmig oder elliptisch) bestimmen. Die ermittelte Masse des Exoplaneten stimmt aber nur, wenn die Beobachtung des fremden Planetensystems genau von der Seite geschieht. Ist die Bahn des Explaneten jedoch gegen die Beobachtungsrichtung geneigt, so wird seine Masse unterschätzt, weil die Geschwindigkeit der Hin- und Herbewegung von der Erde aus betrachtet geringer erscheint als sie ist. Die gemessene Doppler-Verschiebung täuscht einen zu leichten Planeten vor. Der Neigungswinkel der Bahnebene des fremden Planetensystems lässt sich nur ermitteln, wenn außerdem noch eine Staubscheibe oder aber ein Vorübergang des Planeten vor dem Stern (Planetentransit) beobachtbar ist. Der Planetentransit führt zu einer winzigen Helligkeitsabnahme des Sterns und ist deshalb eine eigenständige Methode zur Entdeckung von Exoplaneten.

 

Eins

Die Aufnahmen des Keck-Observatoriums wurden aus diesem Grunde im infraroten Licht gemacht, denn da ist der Helligkeitsunterschied zwischen Stern und Planeten deutlich geringer, immerhin aber auch noch 1 Millionen zu 1! Mit geeigneten Rechenverfahren gelang es den kanadischen und amerikanischen Wissenschaftlern aber, das schwache Leuchten der Exoplaneten herauszufiltern.

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Exoplaneten bei HR8799: Im sichtbaren Licht werden die Planeten von ihrem Stern überstrahlt, im Infraroten werden sie aber sichtbar. Quelle: http://www.nrc-cnrc.gc.ca/

Die jetzt fotografierten drei Exoplaneten umkreisen einen blauen Hauptreihenstern der Spektralklasse A(Katalognamen HR8799), der deutlich massereicher und heisser als die Sonne ist, welche als gelber Hauptreihenstern zur Spektralklasse G gehört. HR8799 befindet sich im Sternbild Pegasus, 130 Lichtjahre von uns entfernt und ist erst 100 Millionen Jahre alt (Sonnenalter ca. 5 Milliarden Jahre!). Darum ist er noch von einer massiven Staubscheibe und einem äusseren Gürtel aus Eis- und Felsbrocken (Kuipergürtel) umgeben, die sich bis auf 300 Astronomische Einheiten (1 AE = Entfernung Sonne-Erde = 150Millionen km) hinaus ausdehnen und aus der Entstehungszeit des Planetensystems stammen. Zum Vergleich: Neptun, der äusserste Planet unseres Sonnensystems, umkreist die Sonne in rund 30 AE Entfernung, und der Kuipergürtel reicht bis auf 50 AE hinaus.

Die drei neu entdeckten Exoplaneten gehören zur Klasse der Gasriesen wie Jupiter, der größte Planet unseres Sonnensystems. Sie sind aber mit 10, 9 und 6 Jupitermassen deutlich schwerer und umkreisen ihren Stern in Abständen von 24, 37 und 67 AE.  Die Massen der Gasriesen werden also mit zunehmendem Abstand vom Stern geringer. Das ist in unserem Sonnensystem genauso.

Das neu entdeckte Planetensystem wirkt wie eine vergrößerte Version unseres Sonnensystems, was mit der vergleichsweise größeren Masse von HR8799 zusammenhängen mag.

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Das Planetensystem um HR8799  und unser Sonnensystem im Vergleich. Bei äusseren roten Ringen handelt es sich um die Kuiper-Gürtel. Quelle: http://www.nrc-cnrc.gc.ca/

Die Wissenschaftler des Keck-Observatoriums vermuten, daß sich in größerer Nähe zum Stern noch weitere, auch kleinere Planeten befinden, vielleicht sogar Felsplaneten, ähnlich der Erde. Sie konnten diese aber bisher noch nicht ausmachen, weil das Sternenlicht hier einfach zu grell ist.

 

Zwei

Ein weiterer Exoplanet wurde von einem Wissenschaftlerteam der University of California, Berkeley mit dem Hubble-Weltraumteleskop entdeckt und fotografiert. Er umkreist den 200 Millionen Jahre jungen, nur 25 Lichtjahre von uns entfernten Stern Formalhaut im Sternbild Südliche Fische. Auch hier ist noch eine massive Scheibe aus Staub, Gesteinstrümmern und Eisbrocken vorhanden.

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Das Planetensystem bei Formalhaut. Der Exoplanet wurde innerhalb der massiven Scheibe aus Staub, Fels- und Eisbrocken ausgemacht. Aus seiner Bewegung im Laufe von 2 Jahren konnte die Umlaufzeit des Planeten mit 872 Jahren genau bestimmt werden. Der Exoplanet ist also sehr weit von seinem Stern entfernt. Quelle:  http://www.nasa.gov/ und http://www.berkeley.edu/news/

Der Exoplanet ist sehr weit von seinem Stern entfernt und benötigt deshalb für eine Umkreisung immerhin 872 Jahre. Überraschenderweise war der Planet, der etwa die Masse des Jupiter hat, sogar im sichtbaren Licht auszumachen. Die Erklärung: Wahrscheinlich verfügt der Exoplanet, ähnlich wie der Saturn in unserem Sonnensystem, über ein Ringsystem aus Eis- und Felsbrocken. Die Ausmaße dieses Ringsystems sind aber viel gewaltiger, so daß er ausreichend Sternenlicht reflektiert, um den Exoplaneten sichtbar zu machen. Die Aufnahme im sichtbaren Licht war trotzdem nur möglich, weil der zentrale Stern mit einer Maske ausgeblendet wurde. Ansonsten hätte er seine Umgebung total überstrahlt.

 

Exoplaneten und Planetenenstehung

Die beiden Entdeckungen bestätigen sehr eindrucksvoll die gängigen Theorie über die Planetenentstehung, die in ihren Grundzügen schon im 18 Jahrhundert (!) durch Imanuel Kant und Simon de Laplace entwickelt wurde:

Eine interstellare Wolke (Durchmesser ca. 1Lichtjahr) aus Gas (99%) und Staub (1%) kollabiert unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft, möglicherweise begünstigt durch Schockwellen benachbarter Supernovaexplosionen. Die Wolke zieht sich zusammen, beginnt zu rotieren, wird dabei immer schneller (wegen der Erhaltung des Drehimpulses) und im Zentrum immer dichter und wärmer bis sich ein Stern bildet. Durch die Rotation formt sich eine Scheibe, in der es zu Kondensationsvorgängen kommt. Die vielen Staubteilchen wirken dabei als Kondensationskerne. Die schwerer werdenden Staubteilchen sinken durch die Bremswirkung des Gases und die Schwerkraft zur Scheibenebene, wo sie sich zunehmend anreichern. Dadurch beschleunigt sich das Wachstum der Staubteilchen, weil sie sich immer häufiger begegnen, und es bilden sich die ersten Planetesimale mit Durchmessern von bis zu einigen Kilometern. In Abhängigkeit von der Temperatur der Scheibe, die von innen nach außen abnimmt, kondensieren im inneren, heißen Bereich bis 0,5 AE vorwiegend metallische Teilchen, ab 1 AE Abstand überwiegen dann die Silikate. Bei 3 AE wird schließlich die sogenannte „Schneegrenze“ erreicht, wo dann auch Eisteilchen auftreten. Die Planetesimale sind bald groß genug um weitere Materie anzusammeln. Die Grösseren wachsen zu Protoplaneten heran, die Kleineren stossen aufeinander und zerfallen, oder werden von den Protoplaneten weggeschleudert und bilden einen äußeren Ring, den Kuiper-Gürtel. Manche stürzen auch in den zentralen Stern. Da jenseits der „Schneegrenze“ mehr Kondensationsmaterie zur Verfügung steht als weiter innen, entstehen entsprechend größere Planetesimale, die wiederum auch mehr Material einsammeln können. Die dadurch sehr großen Protoplaneten (bis 10 Erdmassen und mehr) ziehen nun auch größere Mengen Gas an, wodurch Gasriesen entstehen. Weiter innen bilden sich kleinere Protoplaneten, die Metalle (vorwiegend Eisen und Nickel) und Gestein (Silikate) einsammeln, aber kein Gas das hier wegen der zu hohen Temperaturen nicht auskondensiert. Die noch vorhandenen kleineren Planetesimale bombardieren die felsigen Protoplaneten, die so heiss werden, daß sie aufschmelzen und eine innere Differenzierung stattfinden kann. Eisen und Nickel sinken zur Mitte und bilden den Kern, die leichteren Silikate den Mantel und die Kruste. Ein Teil der dann immer noch übrig gebliebenen Planetesimale bilden einen oder mehrere Asteroidengürtel.

Jens Christian Heuer

Quellen: http://www.nrc-cnrc.gc.ca/, http://www.berkeley.edu/news/, http://www.nasa.gov/news/

Written by jenschristianheuer

November 13, 2008 at 11:22 pm

Veröffentlicht in Wetterwelten

Wirbelstürme auf dem Saturn

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Der amerikanischen Raumsonde Cassini, die seit dem 30. Juni 2004 den Ringplaneten Saturn umkreist und auch an zahlreichen seiner Monde vorbeigeflogen ist, sind eindrucksvolle Aufnahmen von dessen Nord- und Südpolregion gelungen. Über beiden Polen bedindet sich jeweils ein einziger, sehr ausgedehnter Tiefdruckwirbel, der irdischen Hurrikanen ähnelt.

Saturn ist mit 95 Erdmassen nach Jupiter, der es sogar auf 318 Erdmassen bringt, der zweitgrößte Planet unseres Sonnensystems. Von den anderen Planeten unseres Sonnensystems hebt sich der Saturn durch seinen schon in kleinen Fernrohren sichtbaren Ring ab, der zu großen Teilen aus Wassereis besteht. Saturn umläuft die Sonne auf einer annähernd kreisförmigen Umlaufbahn in einer Entfernung von 9 bis 10 AE (1 AE=1 Astronomische Einheit=150 Millionen Kilometer; entspricht dem mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne). Für eine Umrundung der Sonne (1 Saturnjahr) benötigt Saturn über 29 Erdenjahre. Ein Tag auf dem schnell rotierenden Planeten dauert nicht einmal 11 Stunden. Die Drehachse des Saturn steht, ähnlich wie bei der Erde, nicht genau senkrecht auf der Bahnebene, sondern ist etwas gekippt, so daß es dort ausgeprägte Jahreszeiten gibt. Saturn gehört wie Jupiter zu den sogenannten Gasriesen. Seine Atmosphäre besteht vorwiegend aus Wasserstoff, es folgt mit deutlichem Abstand Helium und dann in nochmals deutlich geringerer Menge Ammoniak, Methan, Wasser und verschiedenste organische Verbindungen. Obwohl er nur geringfügig kleiner ist als Jupiter wiegt er doch weniger als ein Drittel, was an seiner sehr geringen Dichte liegt, die sogar geringer als die von Wasser ist. Gäbe es einen Ozean voll Wasser, der groß genug ist, würde Saturn darauf wie ein Korken schwimmen.

 

Der Ringplanet Saturn im sichtbaren Licht. Quelle: Cassini, NASA

 

Das Wettergeschehen auf dem Saturn wird, wie bei Jupiter auch, nicht nur durch die in Abhängigkeit vom Breitengrad unterschiedliche starke Sonneneinstrahlung, sondern vor allem auch durch die innere Wärmeentwicklung des Planeten bestimmt (Kelvin-Helmholtz-Effekt, s.u.). Wie auf dem Jupiter gibt es abwechselnd west- und ostwärts orientierte Jetstreams, die sich aus walzenförmigen Konvektionszellen bilden, die den ganzen Planeten umspannen und durch die schnelle Eigenrotation des Saturn zu breitenkreisparallelen Windbändern verformt werden. Aus kleinen Unregelmäßigkeiten (Konvergenzen und Divergenzen) in der Strömung der mäandernden  Jetstreams entwickeln sich Hoch- und Tiefdruckwirbelstürme, die für einen gewissen Temperaturausgleich zwischen hohen und niedrigen Breiten sorgen.

 

  

Sturmsysteme in den mittleren Breiten der Südhalbkugel: Falschfarbenaufnahme Tagseite, hohe Wolken hell, mittlere Wolken braun, tiefe Wolken rot (links); durch den Widerschein der Saturnringe erhellte Nachtseite (rechts). In den Wolken wurden immer wieder gewaltige Blitzentladungen registriert. Quelle: Cassini, NASA 

 

Die Atmosphäre wird mit zunehmender Tiefe immer dichter bis sie schließlich aufgrund des extrem hohen Druckes vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergeht. Bei ganz extrem hohen Drücken wird der Wasserstoff metallisch. Unterhalb dieser Schicht aus Wasserstoffmetall liegt ein Gesteinskern (ca. 16 Erdmassen), dessen Inneres bei rund 12000° C glühend heiß und aufgeschmolzen ist. Saturn besitzt neben seinen Ringen zahlreiche Monde, deren größter, der Titan sogar über eine eigene Atmosphäre verfügt.

 

An beiden Polen Saturns befindet sich jeweils ein riesiger Tiefdruckwirbel (Cyclon), der in seinem Erscheinungsbild und Aufbau tropischen Wirbelstürmen (Hurrikanen) auf der Erde gleicht!

 

Tropische Wirbelstürme entstehen normalerweise nur über offenem warmem Wasser (mindestens 26°C), wenn die Luft darüber so kalt ist, daß ein ausreichender vertikaler Temperaturgradient (Temperaturgefälle)zustande kommt. Je wärmer das Meerwasser ist, umso mehr Wasser verdunstet und umso mehr Energie in Form von latenter Wärme steht dem Wirbelsturm zur Verfügung: Die über dem Wasser erwärmte, feuchte Luft steigt auf und kühlt dabei ab. Auslösendes Moment ist meistens eine Divergenz (”Luftloch”) innerhalb der Höhenluftströmungen. Die beim Aufsteigen abkühlende Luft kann immer weniger Feuchtigkeit aufnehmen, so daß schließlich Wolkenbildung einsetzt. Dabei wird fortlaufend die für die Verdunstung des Wassers zuvor verbrauchte Energie (latente Wärme) als Kondensationswärme wieder frei. Das wiederum verstärkt den Auftrieb der Luft, die solange weiter aufsteigt, wie sie eine noch höhere Temperatur als die Umgebungsluft hat. Ein hoher vertikaler Temperaturgradient ist für den sich selbst verstärkenden Prozeß der Wolkenbildung und damit auch für die Entstehung eines tropischen Wirbelsturms entscheidend! Wichtig ist auch, daß immer genug latente Wärme durch Wasserverdunstung nachgeliefert wird. Es türmen sich  dann gewaltige Gewitterwolken auf, die bis in die obere Troposphäre reichen, ja sogar in die Stratosphäre durchbrechen können. Die aufsteigende Luft wird durch den Einfluss der Erdrotation abgelenkt, und es entsteht ein Wirbel, der ein sich verstärkendes Tiefdruckgebiet bildet, das immer mehr feuchtwarme Luft von allen Seiten ansaugt (bodennahe Konvergenz). Die Drehbewegung wird, angetrieben durch die latente Wärme, immer schneller. Ein tropischer Wirbelsturm wirkt wie eine gigantische Kühlmaschine, die Wärme von der Wasseroberfläche in große Höhen transportiert, wo sie als Infrarotstrahlung in den Weltraum abgegeben wird. Die Drehbewegung nimmt innerhalb des tropischen Wirbelsturms zum Zentrum hin immer mehr zu. Die Zentrifugalkräfte werden dabei oft so groß, daß sich im Zentrum ein beinahe windstilles, wolkenarmes Auge bildet, in dessen Außenrand (Eyewall), der Auftrieb der feuchtwarmen Luftmassen besonders groß ist. Vom Auge wird aus der Höhe Luft angesaugt, die sich auf ihrem Weg nach unten immer mehr erwärmt, was wiederum die Wolkenbildung hemmt. Deshalb ist das Zentrum eines tropischen Wirbelsturms immer warm und oft auch praktisch wolkenfrei!

 

Auch auf dem Saturn werden die Wirbelstürme durch einen hohen vertikalen Temperaturgradienten angetrieben, denn die unteren Atmosphärenschichten werden durch eine starke innere Wärmequelle aufgeheizt, für die wahrscheinlich der Kelvin-Helmholtz-Effekt verantwortlich ist: Wenn ein vorwiegend aus Gasen bestehender Planet durch die Abgabe von Wärme in den Weltraum abkühlt, so sinkt der innere Druck und unter dem Einfluss der Schwerkraft zieht sich der ganze Planet ein wenig zusammen. Diese Kompression erzeugt dann wiederum innere Wärme, wodurch die ganze Planetenatmosphäre von unten aufgeheizt wird. 

                                                               Polarwirbel auf Saturn: Nordpoll (links), Südpol (rechts); Infrarotaufnahme. Bei den wessen Flecken handelt es sich um Quellwolken, darunter auch viele Gewitterzellen. Quelle: NASA

Bemerkenswert ist die hexagonale Struktur am Nordpol, die im Gegensatz zu den umgebenden Wolken bewegungslos verharrt! Die Struktur wurde bereits von den Voyager-Sonden fotografiert, ist also seit mindestens 28 Jahren (!) stabil. Erklärungen dafür gibt es bisher keine.
Vielleicht handelt es sich ja um eine einzelne Benard-Zelle. Diese Konvektionszellen bilden sich durch Selbstorganisation in Flüssigkeiten oder Gasen, wenn diese von unten erhitzt werden und dabei ein kritischer Temperaturgradient zwischen Ober- und Unterseite überschritten wird. Genau das ist durch die innere Wärmequelle des saturn gegeben.

 
Benard-Zellen erscheinen oft bienenwabenartig (hexagonale Struktur). 

Faszinierend ist auch eine Detailaufnahme des Südpolarwirbels: 


Auge und Eyewall des Südpolarwirbels im Infraroten. Im Auge befinden sich zahlreiche, deutlich kleinere Tiefdruckwirbel. Quelle: Cassini, NASA

Innerhalb des Auges scheint sich ein weiterer konvektiver Ring mit kleineren Tiefdruckwirbeln und Gewitterzellen zu befinden. Sie erscheinen im Infrarotbild hell, da die Wolken weit hinaufreichen und ihre Oberseiten deshalb sehr kalt sind. Ansonsten sinken die Luftmassen im Auge aber großflächig ab, so daß sich die Wolken auflösen und den Blick in tiefere Schichten freigeben. Die dunkleren, blassen Wolken befinden sich in relativ geringen Höhen über der sichtbaren, tiefen, relativ warmen und deshalb noch dunkleren „Oberfläche“ und sind nur wenig kühler als diese. Es handelt sich wahrscheinlich um Schichtwolken (Stratus). die sich im Auge unterhalb einer Absinkinversion bilden. Die Wolken des Saturn bestehen in tieferen Atmosphärenschichten aus Wasser und Wassereis; darüber kommen hauptsächlich Ammoniak(eis)wolken vor.

Worum es sich bei der im Bereich des Auges sichtbaren Oberfläche genau handelt lässt sich noch nicht sagen. Sie ähnelt ein wenig einer Wasseroberfläche. Das erscheint aber, bei den auf Saturn nach bisheriger Kenntnis herrschenden Verhältnissen, eigentlich unvorstellbar! Andererseits, Überraschungen gibt es immer wieder, und vielleicht existiert ja doch ein Ammoniak-Wassser-Ozean als Flüssigkeitsreservoir für die Wolkenbildung. Diese findet für Ammoniak und Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen stattf, denn Ammoniak kondensiert erst bei niedrigeren Temperaturen und damit auch in größeren Höhen als Wasser. Es fände also eine Fraktionierung der Bestandteile des Ozeans statt; niedrige Wasser(eis)wolken und hohe Ammoniak(eis)wolken. Das entspricht immerhin genau den tatsächlichen Befunden.

 Jens Christian Heuer

Quelle: Cassini Homepage, NASA http://saturn.jpl.nasa.gov/home/index.cfm

Written by jenschristianheuer

Oktober 15, 2008 at 10:29 pm

Veröffentlicht in Wetterwelten