Ionisierungsstrahlung und das Leben. Anhand eines Papers von Lewis R. Dartnell

Transkript

1 Ionisierungsstrahlung und das Leben Anhand eines Papers von Lewis R. Dartnell

2 Ionisierende Strahlung Strahlen: Ausbreitung von Teilchen und Wellen Strahlen die genügend Energie besitzen um Atome und Moleküle zu ionisieren. d.h. Aus neutralen Atomen positiv bzw. negativ geladene Teilchen zu erzeugen Ist die Energie, die beim Durchgang durch Materie hoch, so kann es zu massiven Schäden führen.

3 Quellen auf der Erde Zerfall vorhandener radioaktiver Isotope auf der Erde Fluss der kosmischen Strahlen

4 Einfluss von kosmischer Strahlung auf das Leben Sternenbildung Einfluss auf die Astrochemie Synthese von organischen Molekülen Möglicherweise Unterstützung der Biosphäre

5 Kosmische Strahlung (CR) Bestehen aus: elektromagnetischen Hintergrundstrahlen und einer Korpuskularstrahlung (Teilchenstrahlung) Hauptsächlich aus Protonen aufgebaut Zwei Arten: Solar cosmic rays (SCR = Solar energetic particles (= SEP = Solar energetic particles), primär Protonen, Quelle: Sonne) Galactic cosmic rays (GCR, Quelle: Unbekannt)

6 SEP und GCR

7 CR in der Atmosphäre der Erde Primäre CR - Partikel produzieren massive Regen von sekundären Partikeln, wenn sie in die Erdatmosphäre kommen.

8 Biologische Auswirkungen Direkt und indirekt schädlich Folgen Direkt: Energie regt Elektronen innerhalb einen Biomoleküls an Folge: Ionisierung oder Radiolyse Indirekt: Zellen sind zu einem hohen Prozentsatz aus Wasser und die Strahlung interagiert primär mit diesem. bestrahltes Wasser produziert freie Radikale Mutationen, Auswirkungen auf Evolution und natürliche Selektion

9 Kosmische Strahlung und Sternentstehung Schockwellen der Supernova beschleunigen die Partikel der kosmischen Strahlung GCR beeinflusst das Verhalten von Gas gegenüber Magnetfeldern Magnetfelder stabilisieren die molekularen Wolken Gaswolken und Magnetfelder interagieren Sternentstehung

10 Kosmische Strahlung und biogene Elemente Leichte Isotope wie H, H-2, He-3, He-4 und Li-7 bildeten sich wahrscheinlich durch die primordiale Nukleosynthese* Schwere Elemente entstehen über die Kernreaktionen in Sternen (stellare Nukleosynthese) CR ist essentiell für die Entstehung von leichtem LiBeB Bor ist in der Biochemie grundlegend und hat möglicherweise eine Schlüsselrolle in der Entstehung des Lebens gespielt. Biogene Elemente: C,H, O, S,P (Na, K, Mg, Ca, Cl) * primordiale Nukleosynthese physikalische Theorie der Entstehung der ersten Atomkerne

11 Rolle der CR in der Astrochemie und präbiotischen Molekülen Viele essentielle Moleküle werden in den molekularen Wolken gebildet CR spielt eine wesentliche Rolle in dieser Astrochemie Nukleotidherstellung Versuch mit künstlichen interstellaren Staubkörnern die Nukleoside und Phosphate beinhalten durch energiereiche Bestrahlung konnten Nukleotide hergestellt werden.

12 Einfluss von CR auf die Bewohnbarkeit von Planeten Astrosphäre Sphäre die einen Stern umgibt z.b. Heliosphäre bei der Sonne: Mindert den Eintritt von GCR in das Sonnensystem bietet Schutz Magnetosphäre - Sphäre die einen Planeten (und auch einige Monde) vor CR schützt Mehr GCR kann zu einem Verlust der Ozonschicht führen (in den polaren Regionen der Erde)

13 Einfluss von CR auf die Bewohnbarkeit von Planeten Interaktion von CR und der Atmosphäre Atmosphäre (planetar) ist ein Bestandteil der Geosphäre und umgibt den Himmelskörper und ist die letzte Instanz bei den Schutzschildern vor CR. Absorption der CR resultiert in Anregung und Ionisierung von molekularen Spezies innerhalb der Atmosphäre Ionosphäre entsteht durch die Ionisierung der Atmosphäre (enthält Ionen und freien Elektronen) (Für uns interessant, da diese Kurzwellen reflektiert relevant für den weltweiten Funkverkehr.)

14 Einfluss von CR auf die Bewohnbarkeit von Planeten CR und das Klima Langanhaltende Diskussionen ob CR das globale Klima beeinflusst oder nicht Es existieren plausible Argumente dafür, aber noch keine eindeutigen Beweise. z.b. Zusammenhang zwischen Wolkenbildung und CR Produktion von orangischen Stoffen durch CR und der Atmosphäre Projekt: Gasgemisch (C, N, Wasser) mit energiereichen Protonen bestrahlt Entstehung von Uracil

15 Einfluss von CR auf die Bewohnbarkeit von Planeten Venus Atmosphäre der Venus ist dichter, als jene der Erde - kein Magnetfeld, sodass CR tiefer in die Atmosphäre können potenzielle Habitable Zone ist in der mittleren Wolkendecke (enthält Wasser in Form von lang anhaltenden Tropfen) Titan Atmosphäre in ihrer Chemie wahrscheinlich ähnlich der ursprünglichen der Erde Undurchlässig gegenüber UV. Hat kein eigenes Magnetfeld dadurch können CR wesentlich tiefer dringen als UV

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17 Einfluss von CR auf die Bewohnbarkeit von Planeten Sterilität von Mars Oberfläche Ungefilterter Fluss von CR Fehlen von einem Magnetfeld Dünne Atmosphärenschich t - kaum Schutz vor UV Biosphäre der Europa Annahme eines Ozeans unter der Eiskruste schwaches Magnetfeld Unterschiedliche Theorien zu Leben auf Europa

18 Einfluss von CR auf die Bewohnbarkeit von Planeten Panspermie Theorie die besagt, dass sich einfache Lebensformen durch das Universum bewegen können (Entstehung des Leben auf der Erde) Während des Planetenwechsel, wären die Migroorganismen völlig ohne Schutz (SEP und GCR ausgeliefert). Abbau von Biosignaturen (- Substanzen die Leben, vergangen oder präsent, repräsentieren.) Wahrscheinlichkeit gegeben, dass CR Biosignaturen vernichtet hat. Möglichkeit Spuren zu finden begrenzt Spuren selbst noch vorhanden? Geräte möglicherweise durch CR gestört

19 Hohe Strahlungsvorfälle und ihre Auswirkungen Supernova Löst die Aufspaltung von N2 aus Entstehung von NOx (meist NO und NO2) diese wirken katalytisch bei der Zerstörung von O3 Schutz vor UV fehlt schädlich gegenüber DNA und Photosynthesepigm ente Gammablitze Unglaublich hohe Energie, potentielle Gefahr für Biosphären Theorie, dass Gammablitze ein Massenaussterben auf der Erde ausgelöst haben

20 Hohe Strahlungsvorfälle und ihre Auswirkungen Superflares (Strahlungsausbruch) Energiereiche Explosionen bei Sonnenähnlichen Sternen. Carrington event - schwerste geomagnetische Sturm der letzten 150 Jahre

21 Hohe Strahlungsvorfälle und ihre Auswirkungen Global cooling Global dimming z.b. NO2 Supernovoas, Superflares und GRB NO2 ist ein braunes Gas, welches stark absorbierend wirkt Saurer Regen Gammablitze können eine starke Zunahme von stickstoffreichen Gasen in der Erdatmosphäre bewirken begünstigen Abbau von Ozon Saurer Regen kann als Abfallprodukt des Stickstoffteppichs entstehen kann eine ph- Minderung des Wasser erzeugen

22 Hohe Strahlungsvorfälle und ihre Auswirkungen Ultraviolettes Licht Zeitepochen reagieren unterschiedlich (z.b. Proterozoikum) Kurz- und langfristige Schäden/Veränder ungen (z.b. in der DNA) Aktiver galaktischer Kern Annahme, dass die Energiequelle ein schwarzes Loch ist Erscheinungen wie Radiogalaxien, sehr strahlungsstrark Strahlungsreichweite etwa wie unser Sonnensystem

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24 Quellen Paper: Ionizing Radiation and Life - Lewis R. Dartnell Wikipedia