„„Habitable“ Planeten mit Habitable“ Planeten mit exzentrischen Orbitsexzentrischen Orbits

(Williams & Pollard 2002)(Williams & Pollard 2002)

Extrasolare PlanetenExtrasolare Planeten

Leben auf Exoplaneten?Leben auf Exoplaneten?Kriterien für HabitabilitätKriterien für Habitabilität

Nach Kasting 1993:Nach Kasting 1993:

• Vorhandensein von Vorhandensein von flüssigem Wasserflüssigem Wasser

• Planet muss sich für Planet muss sich für Entwicklung dauerhaft Entwicklung dauerhaft in der habitablen Zone in der habitablen Zone (HZ) befinden(HZ) befinden

• CHZ = continuously CHZ = continuously habitable zonehabitable zone= Bereich der über = Bereich der über mehrere Jahrmilliarden mehrere Jahrmilliarden in der HZ liegt in der HZ liegt (Sternentwicklung!)(Sternentwicklung!)

Bedingungen für Grenzen Bedingungen für Grenzen der HZder HZ

• CO2-Zyklus nicht mehr CO2-Zyklus nicht mehr möglich, wenn CO2 möglich, wenn CO2 kondensiert (äußere kondensiert (äußere Grenze)Grenze)

• KonsequenzenKonsequenzen– CO2-Wolken CO2-Wolken höhere höhere

Albedo Albedo Abkühlung Abkühlung– Verringerung des Verringerung des

TreibhauseffektsTreibhauseffekts

• Wasserverlust in Wasserverlust in feuchter Stratosphäre feuchter Stratosphäre (Photolyse)(Photolyse)

Grenzen der Grenzen der solarensolaren HZ nach HZ nach KastingKasting• innere Grenze zwischen innere Grenze zwischen

0.95 AU (Wasserdampf bildet sich in der 0.95 AU (Wasserdampf bildet sich in der Stratosphäre), undStratosphäre), und0.85 AU (Temperaturanstieg infolge eines 0.85 AU (Temperaturanstieg infolge eines runaway greenhouse-Effekts)runaway greenhouse-Effekts)

• äußere Grenze bei 1.37 AU (Bildung von äußere Grenze bei 1.37 AU (Bildung von CO2-Wolken)CO2-Wolken)

• Grenzen der CHZ zwischen 0.95 und 1.15 Grenzen der CHZ zwischen 0.95 und 1.15 AUAU

Elliptische Orbits in der HZElliptische Orbits in der HZ(Williams & Pollard, 2002)(Williams & Pollard, 2002)

• ein Drittel der entdeckten Exoplaneten ein Drittel der entdeckten Exoplaneten besitzt Exzentrizitäten > 0.4besitzt Exzentrizitäten > 0.4

• d.h. der Planet verlässt in jedem Orbit d.h. der Planet verlässt in jedem Orbit die habitable Zonedie habitable Zone

• nach konservativer Ansicht nicht nach konservativer Ansicht nicht habitabel, aber:habitabel, aber:

• Ist Leben vielleicht auch dort möglich?Ist Leben vielleicht auch dort möglich?

Ausdehnung der Grenzen Ausdehnung der Grenzen der HZder HZ• äußere Grenze kann sich unter äußere Grenze kann sich unter

bestimmten Bedingungen nach außen bestimmten Bedingungen nach außen verschieben:verschieben:

– Bedeckung mit COBedeckung mit CO22-Wolken -Wolken Erwärmung des Erwärmung des Planeten durch Streuung im InfrarotenPlaneten durch Streuung im Infraroten

– Unter optimalen Bedingungen könnte ein Unter optimalen Bedingungen könnte ein Planet bis zu 2.4 AU warm genug seinPlanet bis zu 2.4 AU warm genug sein

Überlegung: Überlegung: Wann wäre solch ein Planet Wann wäre solch ein Planet habitabel?habitabel?• trotz der Extrembedingungen in Peri- trotz der Extrembedingungen in Peri-

und Apoastron könnten globale und Apoastron könnten globale Vereisung oder runaway greenhouse Vereisung oder runaway greenhouse vermieden werdenvermieden werden

• wenn der wenn der gemittelte Energieflussgemittelte Energiefluss vom vom Stern dem quasi konstanten Stern dem quasi konstanten Energiefluss der Sonne auf die Erde Energiefluss der Sonne auf die Erde entspricht (~1370 W/m²)entspricht (~1370 W/m²)

Stellarer Fluss für exzentrische Stellarer Fluss für exzentrische OrbitsOrbits

• mittlerer Fluss mittlerer Fluss über einen Orbit:über einen Orbit:

• durchschnittlicher Energiefluss STEIGT mit durchschnittlicher Energiefluss STEIGT mit höherer Exzentrizitäthöherer Exzentrizität

• kurzzeitige Schwankungen können durch kurzzeitige Schwankungen können durch diverse atmosphärische Mechanismen diverse atmosphärische Mechanismen ausgeglichen werdenausgeglichen werden

2/1²)1²(4

ea

LF

Planetensysteme und ihre Planetensysteme und ihre HZHZ

equivalent solar distance =

Abstand von der Sonne, in dem ein Planet auf kreisförmigem Orbit denselben Energiefluss empfangen würde

BerechnungsmodelleBerechnungsmodelle

Simulation eines erdähnlichen Simulation eines erdähnlichen Planeten in exzentrischen OrbitsPlaneten in exzentrischen Orbits

• 3D Klimamodell GENESIS2 3D Klimamodell GENESIS2 (Thompson & Pollard 1997) (Thompson & Pollard 1997)

• eindimensionales Energiebilanz-eindimensionales Energiebilanz-Modell EBM (Williams & Kasting Modell EBM (Williams & Kasting 1997)1997)

GENESIS2 KlimamodellGENESIS2 Klimamodell

• atmosphärische Zirkulationatmosphärische Zirkulation

• simuliert Oberfläche mit Vegetation, Erde, simuliert Oberfläche mit Vegetation, Erde, Schnee und Eis mit 2°x2° AuflösungSchnee und Eis mit 2°x2° Auflösung

• fix: a=1.0 AU, P=365d, fix: a=1.0 AU, P=365d, εε=23.45° =23.45° Rotationsachse, Topographie und atm. Rotationsachse, Topographie und atm. Zusammensetzung wie auf der ErdeZusammensetzung wie auf der Erde

• variable Sonnenleuchtkraft variable Sonnenleuchtkraft verschiedene verschiedene Positionen innerhalb der HZPositionen innerhalb der HZ

• 4 Simulationen mit e=0.1, 0.3, 0.4, 0.74 Simulationen mit e=0.1, 0.3, 0.4, 0.7

Erhöhung der Exzentrizität auf Erhöhung der Exzentrizität auf 0.40.4GCM runs 1-3GCM runs 1-3

• Erhöhung der Exzentrizität nahe der Erhöhung der Exzentrizität nahe der inneren Grenze der HZ bei gleichbleibender inneren Grenze der HZ bei gleichbleibender Sonnenleuchtkraft, Halbachse und CO2-Sonnenleuchtkraft, Halbachse und CO2-KonzentrationKonzentration

Resultate: GCM runs 1-3Resultate: GCM runs 1-3

Resultate: GCM runs 1-3Resultate: GCM runs 1-3

• e=0.0167 e=0.0167 e=0.4 bewirkt Anstieg der globalen e=0.4 bewirkt Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur von 14.6° auf 30.1°C.Durchschnittstemperatur von 14.6° auf 30.1°C.

• Zeit innerhalb der HZ:Zeit innerhalb der HZ:365d (e<0.1) 365d (e<0.1) 180d (e=0.4) 180d (e=0.4)

• Feuchtigkeit und Niederschlag steigen mit Feuchtigkeit und Niederschlag steigen mit höherer Temperatur aufgrund erhöhter höherer Temperatur aufgrund erhöhter VerdunstungsrateVerdunstungsrate erstes Stadium der Destabilisierung erstes Stadium der Destabilisierung

• Luftfeuchtigkeit in Stratosphäre erst ab 65°C (Luftfeuchtigkeit in Stratosphäre erst ab 65°C ( Verlust von Wasser durch Photolyse)Verlust von Wasser durch Photolyse)

Simulation eines Planeten mit Simulation eines Planeten mit e=0.7e=0.7GCM run 4 & EBM runs 1-3GCM run 4 & EBM runs 1-3

• Planeten mit hoher Exzentrizität Planeten mit hoher Exzentrizität entdeckt (16 Cygni B, HD222582)entdeckt (16 Cygni B, HD222582)

• befinden sich in HZ, jedoch nur für befinden sich in HZ, jedoch nur für Bruchteil ihres OrbitsBruchteil ihres Orbits

• Simulation eines solchen Planeten mit Simulation eines solchen Planeten mit einer Exzentrizität von 0.7einer Exzentrizität von 0.7

• a=1.0 AU, L=0.714 La=1.0 AU, L=0.714 LSonne Sonne entspricht entspricht dem mittleren Fluss, den die Erde in dem mittleren Fluss, den die Erde in einem kreisförmigen Orbit empfangen einem kreisförmigen Orbit empfangen würdewürde

Resultate: Resultate: GCM run 4GCM run 4

Resultate: GCM run 4Resultate: GCM run 4

• Durchschnittstemperatur 7.8°C wärmer als Durchschnittstemperatur 7.8°C wärmer als die Erde, obwohl dem selben stellaren die Erde, obwohl dem selben stellaren Fluss ausgesetztFluss ausgesetzt

• heißeste Temperatur >80°C heißeste Temperatur >80°C schädlich schädlich für viele Lebensformenfür viele Lebensformen

• allerdings nur kurze Dauer (60-90d) wegen allerdings nur kurze Dauer (60-90d) wegen hoher Geschwindigkeit im Perihelhoher Geschwindigkeit im Perihel

• 64% außerhalb der HZ 64% außerhalb der HZ Temperaturen Temperaturen fallen, aber nicht unter Gefrierpunktfallen, aber nicht unter Gefrierpunkt

• Ozean besitzt das ganze Jahr über Ozean besitzt das ganze Jahr über flüssiges Wasserflüssiges Wasser

EBM Model (Williams & EBM Model (Williams & Kasting)Kasting)

• bezieht den Carbonat-Silicat-Zyklus mit einbezieht den Carbonat-Silicat-Zyklus mit ein

• zuerst Vergleich mit GCM (run 1)zuerst Vergleich mit GCM (run 1)

• dann Berechnung des Gleichgewichts-CO2-dann Berechnung des Gleichgewichts-CO2-Niveaus das erforderlich ist für Ausgleich Niveaus das erforderlich ist für Ausgleich zwischen Produktion (Vulkane) und zwischen Produktion (Vulkane) und Umwandlung (Verwitterung, Ablagerung in Umwandlung (Verwitterung, Ablagerung in Erdkruste)Erdkruste)

• Gleichgewichts-CO2-Levels für Planeten Gleichgewichts-CO2-Levels für Planeten weiter außerhalb in der HZ weiter außerhalb in der HZ L = 0.6, 0.5, 0.5 L L = 0.6, 0.5, 0.5 LSonneSonne, e und a konstant, e und a konstant

Resultate: Resultate: EBM EBM

Vergleich der globalen mittleren Temperatur Vergleich der globalen mittleren Temperatur für GCM run 4, EBM run 1 und 2. A, B und C für GCM run 4, EBM run 1 und 2. A, B und C zeigen die Position des Planeten für die zeigen die Position des Planeten für die Temperaturkarten. Temperaturkarten.

Resultate: EBMResultate: EBM

• Trend: CO2-Erhöhung als Reaktion auf Trend: CO2-Erhöhung als Reaktion auf schwächere Leuchtkraft:schwächere Leuchtkraft:– Verwitterungsrate verlangsamt sich bei Verwitterungsrate verlangsamt sich bei

niedrigen Temperaturen niedrigen Temperaturen CO2 akkumuliert CO2 akkumuliert in Atm. in Atm.

– bewirkt Temperaturbewirkt Temperaturerhöhung erhöhung von 12 auf von 12 auf 17°C (wärmer als Erde bei 1 AU!)17°C (wärmer als Erde bei 1 AU!)

– Problem: Bildung von CO2 WolkenProblem: Bildung von CO2 Wolken

• für L=0.4LSonne und e=0.7, bewegt für L=0.4LSonne und e=0.7, bewegt sich der Planet zwischen einer skalierten sich der Planet zwischen einer skalierten solaren Distanz von 0.4AU im Perihel solaren Distanz von 0.4AU im Perihel und 2.26AU im Aphel!und 2.26AU im Aphel!

Vergleich der Vergleich der ModellierungenModellierungen

FazitFazit• Kurzzeitige extreme Klimaschwankungen auf Kurzzeitige extreme Klimaschwankungen auf

elliptischen Orbits schließen Möglichkeit für elliptischen Orbits schließen Möglichkeit für Leben nicht ausLeben nicht aus

• Langzeitstabilität hängt hauptsächlich vom Langzeitstabilität hängt hauptsächlich vom mittleren stellaren Fluss über einen gesamten mittleren stellaren Fluss über einen gesamten Orbit ab, nicht so sehr von der Zeit in der HZOrbit ab, nicht so sehr von der Zeit in der HZ

• Einige der bisher entdeckten extrasolaren Einige der bisher entdeckten extrasolaren Gasplaneten könnten trotz hoher Exzentrizität Gasplaneten könnten trotz hoher Exzentrizität auf ihren Monden Bedingungen für die auf ihren Monden Bedingungen für die Entwicklung von Leben bietenEntwicklung von Leben bieten

• Größere Anzahl von Planeten als angenommen Größere Anzahl von Planeten als angenommen könnten für Leben geeignet sei!könnten für Leben geeignet sei!