Introduction. Astrobiologie

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2 Introduction aqua planet Oberflächeneinfrierung zu weit von der Sonne Wasserdampf durch Treibhauseffekt zu nah an der Sonne land planets Wüstenwelten mit begrenzter Wasseroberfläche und haben eine weitreichendere habitable Zone Inneren Grenze 2 Vorteile: 1) Tropen langwellige Strahlung oberhalb der runaway-grenze 2) trockene Luft trockene Stratosphäre das Ausströmen von Wasserstoff begrenzt Astrobiologie 2

3 äußere Grenze der HZ land planets sehr resistent gegenüber globalen Gefrierung Grund: geringe Wasservorrat für Wolken, Schnee und Eis. land planets beständiges flüssiges Wasser an den Polen bei niedriger Neigung bis Sonneneinstrahlung über 415 W/m 2 aqua planets 330 W/m 2. bei niedriger Neigung : land planets frieren bei 77% und aqua planets bei 90% bei hoher Neigung: land planets frieren bei 58% und aqua planets bei 72% möglich, wenn Sonne heller aqua planet das meiste seines Wasserstoffs verliert und zu einem land planet wird ohne zuerst durch einen runaway Treibhaus steril zu werden Venus bewohnbarer land planet eine Mrd. zuvor Astrobiologie 3

4 2 Evolutionsmöglichkeiten herangezogen: Kasting et al. Grenzwert der Wasserstoffauströmung um innere Grenze der continuously habitable zone zu definieren land planets geringe Mengen an Wasser + keine Ozeane trockene Wüsten (lokal reichlich Wasser Arrakis oder Dune Dune größeren, wärmeren Mars mit atembarer Sauerstoffatmosphäre Dune Zeichen von Wasser (wie auch Mars) in der Vergangenheit und hat kleine Wassereiskappen an den Polen Astrobiologie 4

5 Tropen sehr trocken Polregionen kalt und feucht genug Morgentau zu erzeugen Im Vergleich zu Titan auch bescheidene polare Methanseen, getrennt durch enorme Wüsten Dune spärlich bewohnbar und nur eine Fiktion liefert ein qualitatives Modell eines land planet s Treibhauseffekt eines land planet s unterscheidet sich aufgrund dessen atmosphärischer Zirkulation kontrolliert die Breitenwasseroberflächenaufteilung Troposphäre + Stratosphäre extrem trocken Grenzen des Sonnenflusses wird beschrieben Szenarien land planets zu aqua planets entwickeln Astrobiologie 5

6 Climate Model Modell kurzfristige Stabilität zu gewährleisten Annahme von abgesondertem Grundwasser und in wasserhaltigen Mineralien (nicht verdampfend + runaway Treibhaus erzeugen benötigt idealisiertes 3-dim. Modell für land planets ohne Berücksichtigung von Ozeane, Topography, Vegetation, Oberflächenabfluss und Strahlungseffekte in der Ozonschicht Annahme eines kreisförmigen Orbits mit Neigung = 0 allgemeines Zirkulationsmodell für Erdklima entwickelt dh. Luftdruck der Atmosphäre = 1 bar; CO 2 Konzentration = 345 ppm Experimente Sonnenfluss + Menge an verfügbarem Wasser variiert Auswirkung auf die Habitabilität Astrobiologie 6

7 Astrobiologie 7

8 2 Typen von Ablagerungen: großflächige Kondensierung + cumulus convection Ablagerungen auf Oberfläche Schnee oder Regen strahlenförmige Flusskalkulation beide Typen involviert land planets Flüsse + unterirdischer Wassertransport ignoriert = Annahme von flachem Planeten Verteilung von Grundwasser lokal bestimmt (Balance von Ablagerung und Verdampfung) Änderung der Feuchtigkeit des Bodens Niederschlag, Verdampfung und Schneeschmelze Bodenfeuchtigkeit über 10 cm Oberfläche komplett nass Bodenfeuchtigkeit unter 10 cm Verdampfungsrate proportional zur Feuchtigkeit des Bodens Astrobiologie 8

9 Eis- und Schnee Bond-Albedo Modelle für Erdmodell Albedo mit eisbedeckten Boden 0.5 auf 0.75, wenn T 273 K auf 258 K sinkt Albedo am Boden nicht eisbedeckt Wüstenwert = 0.3 Modell wie tief Landoberfläche mit Wasser getränkt werden muss Wasserkreislauf stabil Astrobiologie 9

10 2 Fälle mit 20, 40 cm Wassergehalt herangezogen: 40 cm Wassertiefe runaway Treibhauseffekt zu erzeugen 20 cm Wassertiefe doppelten getränkten Tiefe des Modells < als jährliche Verdampfung der getränkten Oberfläche Dh. mehr als 20 cm Wassertiefe beeinflusst den Wasserkreislauf bei der Stabilizierung nicht dauert länger bis Gleichgewicht erreicht aqua planets Wassertransport auf der Oberfläche beachtet nicht Wärmetransport durch Ozeane; Oberflächen- Albedo liegt hier bei 0.07 Astrobiologie 10

11 Limits of Habitability Cold outer limit CO 2 -H 2 O Verbindung Erde, Mars und Venus Verbindung auch äußere Grenze wegen CO 2 - Kondensierung, welche bei ca. 30 % liegt diese niedriger bei hoher Neigung + großer Exzentrizität Astrobiologie 11

12 3 mögliche Oberflächenzustände auf einen kalten Planeten: 1) kein permanentes Eis oder Schnee auf dem Planeten, nur saisonal 2) permanentes Eis oder Schnee, das aber nur teilweise vom Planeten bedeckt (jetzige Erde) 3) permanentes Eis oder Schnee, das gänzlich den ganzen Planeten bedeckt (snowball = frühere Erde) Astrobiologie 12

13 land planets zufrieren bei Dämpfung von 77% der Solarkonstante, haben geringere Wolkendichte aqua planets erst bei einer Dämpfung von 90% daraus ergibt sich auch das wärmere Klima land planets sind weniger feucht und haben somit einen schwächeren Treibhauseffekt Effekt klein nahe des Gefrierpunktes, weil die kalte Atmosphäre sehr geringen Wassergehalt aufweist unterschiedlichen Gefrierpunkte werden durch den Unterschied der Albedos bestimmt land planets haben eine niedrigere Albedo bei selber Durchschnittsoberflächentemperatur Grund geringer Anzahl an Wolken und geringe Anhäufung von Schnee Astrobiologie 13

14 Astrobiologie 14

15 Astrobiologie 15

16 Astrobiologie 16

17 Astrobiologie 17

18 Astrobiologie 18

19 Limits of Habitability Hot inner limit innere Grenze HZ runaway Treibhauseffekt genug Wasser in der Atmosphäre optisch dick für thermische Strahlung aqua planets Sättigung des Dampfdruckes, Temperatur und die optische Dicke = phys. Eigenschaften des Wassers Grenze optischer Atmosphärendicke maximale Quote, wo thermische Strahlung in den Weltraum abgestrahlt werden kann runaway Treibhausgrenze oder kritischer Fluss kritische Fluss Funktion von relativer Luftfeuchtigkeit Astrobiologie 19

20 Astrobiologie 20

21 Astrobiologie 21

22 Astrobiologie 22

23 Astrobiologie 23

24 Astrobiologie 24

25 Astrobiologie 25

26 Astrobiologie 26

27 Application to other planets Treibhaus der Erde ca. 33 K und verursacht von Wasserdampf als direkt von CO 2 land planets : dünnere Atmosphäre höhere Differenz der Temperaturunterschiede von Pol zu Äquator dünne Atmosphäre ineffizient um tägliche Temperaturschwankungen zu dämpfen Astrobiologie 27

28 Application to other planets durchschnittliche Windgeschwindigkeit ist höher Erde + Mars besitzen eine Neigung Merkur Tendenz für Schnee und Frost (Feuchtigkeit bleibt erhalten) Astrobiologie 28

29 Clouds nicht vernachlässigen Wolken können kalt oder warm sein Hohe Wolken wärmen den Planeten (HZ nach außen) Niedrige Wolken größten Effekt auf Albedo dichte niedrige Wolkendecken Planet kühlt aus (HZ nach innen) Astrobiologie 29

30 Long-term stability 3 Einflussfaktoren für langzeitige Stabilität: 1) Sternentwicklung 2) erstarrter geologischer Kreislauf kann Gase freilassen wie z.b.: CO 2 3) Ausströmung von Wasserstoff Astrobiologie 30

31 Topography and cold traps Treibhaus bleibt stabil Grund: lokal flüssiges Wasser auf trockenen Planeten auch wenn Feuchtigkeit zu niedrig für Regen z.b.: durch Eisschmelze, Frost Astrobiologie 31

32 Weathering and interior chemical cycles Rock cycle Oberfläche + innere Reservoirs Vulkanismus + Gesteinsveränderungen Urey CO 2 Kreislauf Teil dieses Kreislaufes Klima der Erde stabiliziert CO 2 schnellsten Effekt auf das Klima eines land planet s Astrobiologie 32

33 Earth and Venus Astrobiologie 33

34 Astrobiologie 34

35 Astrobiologie 35

36 Aussagen dry planet : resistenter gegen komplettes Einfrieren und den runaway Treibhaus wegen der dünneren Atmosphäre Neigung = 0 (Venus und Merkur) HZ = 3 x größer Astrobiologie 36

37 Referenzen Abe Y. et al.(2011): Habitable Zone Limits for Dry Planets, Astrobiology p > Erde us.html -> Venus -> Mars -> Merkur Astrobiologie 37