Das Faint Young Sun Paradoxon

Transkript

1 Das Faint Young Sun Paradoxon Jan Kristoffer Appel, Jan Gieseler, Stephan Harms, Hannes Labrenz, Christoph Moll, Lauri Panitzsch, Tomek Pazera

2 Inhalt Motivation (Labrenz) Treibhauseffekte (Appel, Gieseler) Entwicklung der Venus (Panitzsch) Entwicklung der Erde (Harms, Moll) Entwicklung des Mars (Pazera) Continuously Habitable Zones (Labrenz)

3 Motivation Entwicklung der Luminosität der Sonne im Standardmodell (schwarz) Effektivtemperatur der Erde (rot) gegenüber empirisch ermittelten Werten (grün) Entwicklung der Sonnenleuchtkraft im Standardmodell: S(t) = (1 - (0,38 t / t 0 ) -1 S 0 Das Faint Young Sun Paradoxon beschreibt die Diskrepanz zwischen erwarteter und tatsächlich gemesser Temperatur in der Frühzeit der Planeten.

4 Oberflächentemperatur Bestimmung der Oberflächentemperatur eines Planeten aus Effektivtemperatur und atmosphärischem Einfluß: T s = T eq + δt In die Atmosphäre ein- und austretender Strahlenfluß: F in = (1 - α) S π r e ² F out =4 π r e ² ε σ T 4 Bestimmung der Effektivtemperatur durch Gleichgewicht zwischen ein- und austretender Strahlung: F in = F out σ T e 4 = S / (4 ε) (1 - α) α Albedo ε Emissionsvermögen σ Stefan-Boltzmann-Konstante

5 Ursachen des Treibhauseffekts Wichtigste Treibhausgase: H 2 O, CO 2, CH 4 Merkmale: kaum Absorption im Visuellen, starke Absorption im IR Spektrum der einfallenden Sonnenstrahlung oberhalb der Atmosphäre (blau) sowie am Boden (orange). Man beachte die breiten Absorptionsbänder von H 2 O und CO 2 im Infrarot gegenüber den schmalen Bändern im visuellen Licht.

6 Strahlungstransport in Atmosphären Definition der Strahlungstransportgleichung: µ di ν / dτ = S ν I ν µ = cos θ I ν = I ν + - I ν - Zur Berechnung verwendete Geometrie Definition des Strahlungsflusses: F ν dν = dω dν I ν µ (Integration über Kugel) F ν = 4 π (I ν + - I ν- ) df ν / dτ = 0 (Strahlungsfluss ist Erhaltungsgröße) und Randbedingungen am Boden sowie an der Obergrenze der Atmosphäre (definiert durch τ = 0) T s4 (τ) = T e 4 (1+ 3/4 τ) ν - Frequenz der Strahlung τ - optische Tiefe

7 Schema des Treibhauseffekts Schematische Darstellung des Treibhauseffekts Man nimmt Sonne und Planet als schwarze Strahler an. Die einfallende Strahlung der Sonne ist hauptsächlich im sichtbaren Wellenlängenbereich. Der Planet dagegen emittiert die Strahlung nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz bei deutlich größeren Wellenlängen, also im Infraroten. Diese Strahlung kann aber, anders als sichtbares Licht, effektiv von Molekülen in der Atmosphäre absorbiert und isotrop reemittiert werden, wodurch ein Teil dieser Strahlung wieder zurück auf den Planeten fällt.

8 Varianten des Treibhauseffekts CO 2 wichtigstes Treibhausgas CO 2 - Gasanteil abhängig vom Carbonat- Silikat- Zyklus Zyklus benötigt flüssiges Wasser zur Bindung von CO 2 2 mögliche Varianten: Runaway Greenhouse Runaway Glaciation Runaway Greenhouse: Photodissoziation von H 2 O CO 2 - Anteil steigt Erwärmung Runaway Glaciation: Verhinderte Freisetzung von CO 2 - Gas Abkühlung

9 Die Venus Der sonnennähere Schwesterplanet der Erde

10 Daten zur Venus 2. Planet des Sonnensystems, Nachbarplanet der Erde Abstand zur Sonne: 108mio km (0,72AU) Masse: 4.9 x kg (0,81m e ) Volumen: 9.3 x km 3 (0,88V e ) Dichte: 5.3 g/cm 3 (0,95ς e ) Beschleunigung an der Oberfläche: 8.87 m/s 2 (0,91a e ) Fluchtgeschwindigkeit: 10,4 km/s (0,93v Fe ) Venus und Erde haben physikalische Gemeinsamkeiten!

11 Die Venus früher Entstehung von Venus und Erde ungefähr zur selben Zeit unter ähnlichen Umständen Ähnlichkeiten: flüssiger Kern gleicher Mächtigkeit ( 3000 km), umgeben von einem erstarrten Mantel gleicher Mächtigkeit relativ dünne Kruste ( km) gleiche Konzentration an H 2 O und CO 2 auf den Planeten Venus und Erde waren sich früher ähnlich. Dennoch muss ihre Entwicklung grundlegend unterschiedlich verlaufen sein.

12 Theorien zur Entwicklung des Planeten Ohne Atmosphäre ist T 4 ~S(r), genauer T = (S (1 - α) / (4 σ)) ¼. Mit S = Solarkonstante = 2620 Wm -2 α = Albedo = 76 % σ = Stefan-Boltzmann-Konstante ergibt sich: T= 229 K. Die Temperatur beträgt jedoch 750 K. δt= 521 K Wie kommt es zu dieser zusätzlichen Energie? Zusammensetzung der Atmosphäre der Venus heute: CO 2 96 % N 2 3,5 % H 2 O 0,004 % Es herrscht ein Druck von 90 bar. Masse der Atmosphäre ca 90 mal größer als die der Erde. Vermutung: δt durch Treibhauseffekt (pco 2, cco 2 ) hervorgerufen. Doch wie und warum kam es zu diesem Effekt? Hierzu gibt es zwei Theorien.

13 1. Moist-Greenhouse-Effect Anfangs gleiche Bedingungen auf Erde und Venus, Atmosphäre aus Wasserdampf und CO 2, Ozeane vorhanden. Nähe zur Sonne erhitzt Ozeane bis zum Sieden, Wasserdampfanteil der Atmosphäre steigt ( 20 %). Wasserdampf verteilt sich relativ homogen mit der Höhe. Kältefalle kann Wasserdampf nicht mehr am Aufsteigen in die obere Atmosphäre hindern.

14 1. Moist-Greenhouse-Effect Photodissoziation: Starke UV-Strahlen spalten Wassermoleküle Wasserstoffmoleküle entstehen in großer Höhe kleine Masse große mittlere thermische Geschwindigkeit E kin = 1,5kT = ½ mv 2 v = (3kT/m) ½ ergibt für die Venus: v = 3040 m/s Fluchtgeschwindigkeit v F = m/s Maxwell-Boltzmann-Geschwindigkeits-Verteilung für v F : f(v F )dv = (2 / π ) ½ (m / kt) 3/2 v F 2 exp(-mv F 2 / 2kT) dv 3% Temperaturverlauf der Venusatmosphäre

15 1. Moist-Greenhouse-Effect Die H 2 O-Konzenration bleibt konstant, solange Wasser aus den Ozeanen verdampft. Danach sinkt sie (bisher auf 0,004%). Gleichzeitig verstärkter (Treibhaus-) Effekt große Temperaturen (750 K). hohe Temperaturen von Beginn an verhindern Niederschlag, der das CO 2 aus der Atmosphäre hätte auswaschen können. Ausserdem keine Plattentektonik Massenanteil von CO 2 in der Atmosphäre relativ konstant.

16 2. Runaway-Greenhouse- Effect Ausgangspunkt: eine viel heißere Atmosphäre ohne flüssiges Wasser, keine Ozeane. Untere Atmosphäre ist ungesättigt, die obere gesättigt. Wasserstoff entweicht auch hier in der oberen Atmosphäre durch Photodissoziation, Verlauf ist der anderen Theorie ähnlich.

17 Die Venus heute Resultat in beiden Fällen: Die heutige Venus, ein lebensfeindlicher Planet mit einer Oberflächentemperatur von 750 K, einer Atmosphäre bestehend zu 96 % aus CO 2 und Schwefelsäurewolken. Radarkarte der Venusoberfläche

18 Die Erde

19 Daten zur Erde Durchmesser: km Masse: 6*10 24 kg Umlaufzeit: 365d 6h 9min Temperatur: 15 C Atmosphäre: 200 km mächtig 78% N 2, 21% O 2 Entfernung zur Sonne: 149,6*10 6 km (1AE) 1Mond

20 Entstehung der Erdoberfläche ältestes Gestein 4,1 Gyr Zirkone gefunden die 4,4 Gyr alt sind Alter der Kruste mindestens 4,4 Gyr Zirkon Bildung von Treibhausgasen (H 2 0, CO 2, N 3 O, H 2 S) erste Ozeane 3,8 Gyr erstes Leben 3,5 Gyr

21 Gaia- Hypothese Lovelock & Margulis 1974 griechische Göttin der Erde Hypothese: Das Erdsystem verhält sich wie ein Makroökosystem, also ein System bestehend aus abiotischen und biotischen Komponenten, das bis zu einem gewissen Grade zur Selbstregulation fähig ist. Homöostase: Bezeichnet die Fähigkeit eines Systems, sich durch Rückkopplung selbst innerhalb gewisser Grenzen in einem stabilen Zustand zu halten. Gaia

22 Treibhauseffekt auf der Erde Gegenwart: 62% durch H 2 O 22% durch CO 2 16% durch O 3, N 2 O, CH 4, FCKW Erhöhung der Oberflächentemperatur um 33 K S/S 0 = 0,7 T s -10 C andere atmosphärische Zusammensetzung

23 Carbonat-Silikat-Zyklus Schematischer Verlauf des Carbonat- Silikat- Zyklus konstanter Ausstoß von CO 2 Bindung atmosphärischen CO 2 durch temperaturbedingten Niederschlag Rückkopplung geringere Sonneneinstrahlung durch starken Treibhauseffekt ausgeglichen

24 Der Mars Der rote Planet

25 Daten zum Mars Parameter Mars Erde absolut relativ absolut Masse 0, kg 0,107 5, kg Volumen 16, km 3 0, , km 3 mittl. Radius 3390 km 0, km mittl. Dichte 3,933 g/cm 3 0,713 5,515 g/cm 3 Oberflächenbeschleunigung 3,69 m/s 2 0,377 9,78 m/s 2 Tageslänge 24 h 40 min (=1 sol) 1, h Jahreslänge 686,98 d (=669 sol) 1, ,256 Fluchtgeschwindigkeit 5 km/s 0,45 11 km/s mittl. Sonnenentfernung 227, km 1, , km atmosphärischer Druck 0,006 atm 0,006 1 atm Oberflächentemperatur -63 C +15 C Effektivtemperatur -71 C -18 C

26 Geologische Erkenntnisse Gegenwart nicht vorhanden nicht vorhanden unwahrscheinlich Plattentektonik Vergangenheit Vulkanismus vorhanden Die nicht vorhandene Plattentektonik verhindert das Freisetzen von CO 2 und damit die Regulierung des Klimas über den Carbonat-Silikat-Zyklus.

27 Ergebnis Carbonat- Silikat- Zyklus wie auf der Erde nicht möglich White Earth Catastrophe bis jetzt folgende Beobachtungen nicht erklärbar: Kanäle auf dem Mars Die Kanäle auf dem Mars sind durch das Vorhandensein von flüssigem Wasser erklärbar, das heute jedoch nicht vorhanden zu sein scheint.

28 Erklärungsmöglichkeiten 1. andere Treibhausgase (CH 4, NH 3 ) 2. anderer CO 2 - Kreislauf: Unter den Lavaauswürfen der Vulkane können Druck und Temperatur stark genug ansteigen, um die Freisetzung von gebundenem CO 2 zu ermöglichen. 1 Gyr nach der Entstehung des Mars sind Temperaturen möglich gewesen, bei denen flüssiges Wasser noch hätte existieren können.

29 Continuously Habitable Zones Regionen um Sterne, die nicht zu heiß und nicht zu kalt für die Entstehung von Leben sind. Hart (1979): CHZ der Sonne reicht von 0,95 AU bis 1,01 AU. Kasting (1993): CHZ reicht von 0,95 AU bis 1,15 AU für 4,6 Milliarden Jahre. Die von Kasting berechneten CHZ s (für Sterne von 0,5-1,5 M S ) sind 4-20 mal größer als Hart s Zonen. Die Größe der CHZ der Sonne hatte Auswirkungen auf SETI. Die CHZ der Sonne