Mittwoch, 25. April 2007

Astronomie Exoplaneten Analyse

Wie lebensfreundlich ist die 2.Erde wirklich?

Die gestern bekannt gegebene Entdeckung des ersten scheinbar wirklich erdähnlichen extrasolaren Planeten bei dem nur rund 20 Lichtjahre entfernten roten Zwergstern Gliese 581 im Sternbild Waage hat eine rege Diskussion ausgelöst. Dabei wird immer wieder die Frage aufgeworfen, ob dieser Planet wirklich lebensfreundliche Bedingungen bieten kann. So wird darauf verwiesen, dass der Planet wegen seiner großen Nähe zu seinem Stern durch die dadurch auftretenden enormen Gezeitenkräfte nur eine gebundene Rotation haben kann. Ein Planet mit gebundener Rotation dreht sich in genau derselben Zeit um seine eigene Achse, die er für einen Umlauf um seinen Stern benötigt. Mit anderen Worten: Ein Tag und ein Jahr des Planeten sind identisch, er wendet immer dieselbe Seite seinem Stern zu, einen Wechsel zwischen Tag und Nacht gibt also nicht. Die Tagseite soll sich dadurch extrem aufheizen, so dass alles Wasser verdampft; die Nachtseite soll hingegen bitterkalt sein und alles Wasser gefrieren. Das wären in der Tat wenig angenehme Lebensbedingungen, und die Hoffnung eine 2.Erde entdeckt zu haben müsste wohl (vorerst) wieder begraben werden.
Ich will nun versuchen, eine Vorstellung darüber zu entwickeln, wie es um die klimatischen Verhältnisse auf dem neu entdeckten Planeten wirklich stehen könnte. Ist er bei näherer Betrachtung, entgegen den ersten beinahe überschwänglichen Meldungen, leider doch eine eher lebensfeindliche Welt, oder ist an der Sache mit der 2.Erde am Ende doch etwas dran?
Der neu entdeckte Planet umkreist einen sehr leuchtschwachen roten Zwergstern (Spektralklasse M), der nur 1/50 soviel energiereiche Strahlung wie unsere Sonne abgibt.







Das Hertzsprung-Russel Diagramm setzt Oberflächentemperatur
und Leuchtkraft der Sterne zueinander in Beziehung Man erkennt
die wesentlich höhere Leuchkraft der sonnenähnlicher Sterne, die
in der Mitte der Hauptreihe liegen, im Vergleich zu den roten
Zwerdsternen, die fast ganz am unteren Ende der hauptreihe zu
finden sind. (Quelle: Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik)

Deshalb liegt die so genannte bewohnbare Zone, also der Abstand, wo sich flüssiges Wasser auf einem möglichen Planeten halten kann, in so großer Nähe zu dem roten Zwergstern. Genau dort aber wurde der neu entdeckte Planet ja gefunden. Aus diesem Grunde ist eine gebundene Rotation in der Tat sehr wahrscheinlich.
Wie wirkt sich dies nun auf sein Klima aus? Die Tagseite des Planeten wird ständig von dem roten Zwergstern erwärmt und deshalb mit Sicherheit (zunächst einmal) deutlich wärmer als die Nachtseite, die keinen einzigen Lichtstrahl abbekommt.
Die Tagseite hat die Mitte des Äquators die höchsten Temperaturen, da hier das Licht genau senkrecht einfällt. In diesem Bereich erwärmt die besonders stark erhitzte Planetenoberfläche die darüber befindlichen Luftschichten von unten her. Es entstehen kräftige Aufwinde, die stark erwärmte Luft steigt also auf, kühlt dabei ab, und es bildet sich dadurch eine starke Quellbewölkung (Cumulus- und Cumulunimbuswolken) und es fällt viel Regen, natürlich immer unter der Voraussetzung, das genügend Wasser auf dem Planeten vorhanden ist Auf der Tagseite ergibt sich so in der Mitte des Äquators, wegen der dort unten fehlenden Luft eine im Idealfall kreisförmigeTiefdruckzone. Ausserhalb davon beginnt die inzwischen abgekühlte Luft wieder abzusinken, und am Boden entstehen jeweils um das Tiefdruckgebiet kreisförmig herum angeordnete Hochdruckzonen die praktisch wolkenfrei sind, da sich die absinkende Luft wieder erwärmt, so dass sich vielleicht noch vorhandene Wolkenreste rasch auflösen. Von diesen trockenen und heißen Hochdruckzonen strömt die Luft wieder zurück in Richtung der Tiefdruckzone am Äquator (Hadley-Zelle).Ein Teil der Luft strömt aber in die entgegen gesetzten Richtungen nach aussen. Es schließen sich jeweils eine oder mehrere weitere, wiederum kreisförmig angeordnete Luftzirkulationszellen an. Dann strömt die warme Luft im in Richtung der Tag- und Nacht-Grenze.
Auf der Nachtseite ist die Luft über der der Mitte der Äquatorregion am kältesten. Es entsteht ein keisförmiges Hochdruckgebiet, von dem sich die kalte Luft nach aussen in Richtung Tag- und Nacht-Grenze bodennah fortbewegt.
An der Grenze zwischen Tag und Nacht prallen die Warmluft von der Tagseite und die Kaltluft frontal zusammen, da es wegen der fehlenden Eigenrotation des Planeten keine ablenkenden Corioliskräfte wie auf der Erde gibt. Die kalte Luft drückt die warme Luft gewaltig nach oben und es entstehen Tiefdruckgebiete mit starker Gewitterwolkenbldung, die vielleicht eine wirbelsturmähnliche Form annehmen (Superzellen).Wie kommen aber die Wirbel trotz fehlender Corioliskraft zustande? Durch die der Äquatormitte auf der Tagseite zur Äquatormitte auf der Nachtseite hin abnehmende Erwärmung der Luftschichten bekommen diese eine immer geringere Ausdehnung nach oben. In großer Höhe herrscht im Bereich der wärmeren Luft deshalb ein höherer Luftdruck als bei der kälteren Luft. Es entsteht ein ständig anhaltender, kräftiger Höhenwind in Richtung des Druckgefälles, also von der Äquatormitte auf der Tagseite zur Äquatormitte auf der Nachtseite hin. Das Luftdruckgefälle ist natürlich an der Tag- und Nacht-Grenze ganz besonders groß und die Höhenwinde deshalb hier besonders ausgeprägt. Sie üben starke Scherkräfte auf die darunter aufsteigende, von der Kaltluft hoch gedrückte Warmluft aus, die deshalb auch ohne Corioliskraft Wirbelstrukturen ausbilden kann. Infolge der starken Wirbelbildung an der Tag- und Nacht-Grenze kommt es zu einer intensiven Durchmischung von warmer und kalter Luft.




Hypothetisches Schema der globalen Luftzirkulation in der Atmosphäre
des erdähnlichen extrasolaren Planeten bei Gliese 581
(H=Hochdruckzone, T=Tiefdruckzone,HW=Höhenwind, HZ=Hadley-Zelle,
SZ=Superzelle, Cb=Cumulunimbuswolke, Ci=Cirruswolke)

Der Temperaturgegensatz zwischen Tag- und Nachtseite wird also deutlich abgemildert, so dass die Bedingungen auf dem Planeten trotz seiner gebundenen Rotation doch noch recht angenehm sein könnten. Wasser könnte also auf großen Teilen der Planetenoberfläche in flüssiger Form vorkommen. Nur in der Äquatorregion auf der Nachtseite ist es vielleicht gefroren.
Der extrasolare Planet bei Gliese 581 darf daher meines Erachtens weiterhin als aussichtsreicher Kandidat, vielleicht sogar für höher entwickeltes, außerirdisches Leben gehandelt werden.

Hedda Heuer
Jens Christian Heuer


Quellen und Literatur:

Artikel in Telepolis über den neuen Exoplaneten mit Einwänden gegen Erdähnlichkeit
http://www.heise.de/tp/r4/artikel/25/25144/1.html

Artikel in Telepolis über mögliches Leben auf Planeten um rote Zwerge
http://www.heise.de/tp/r4/artikel/21/21924/1.html

Diskussion im Forum von astronomie.de
http://forum.astronomie.de/phpapps/ubbthreads/showflat.php/Cat/0/Number/511645/an/0/page/0#511645
Diskussion im Forum von astronews.com
http://www.astronews.com/forum/showthread.php?t=1415

CENAP Newsticker vom 25.4.2007
http://cenap.alien.de/cenapnews/

Die Wettermaschine
http://weltenwetter.blogspot.com/2006_12_01_archive.html

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