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Sternengeschichten Folge 35: Das Paradoxon der schwachen jungen Sonne

Wir haben über das Universum schon jede Menge herausgefunden. Viele Dinge verstehen wir aber noch nicht und die sind fast noch interessanter als das, was wir schon wissen. Zum Beispiel das Paradoxon der schwachen jungen Sonne.

Unsere Sonne ist kein veränderlicher Stern. Ihre Leuchtkraft ist im wesentlichen immer die gleiche; sie wird nicht heller oder dunkler. Das ist auch gut so, denn wenn Helligkeit und Wärme auf der Erde wild schwanken würden, dann wäre das für das Leben auf unserem Planeten nicht so angenehm und vermutlich hätte es sich gar nicht erst entwickelt.

Die Intensität der Sonne ist aber nur nach unseren menschlichen Maßstäben konstant. Betrachtet man sehr lange Zeiträume, dann gibt es durchaus Änderungen. Es sind zwar keine wilden Schwankungen, aber die Sonne wird im Laufe der Zeit langsam immer heller und heller.

Das liegt an der Art und Weise, wie sie ihre Energie erzeugt. Das war ja auch schon Thema in den ersten Folgen der Sternengeschichten. Im Inneren der Sonne wird Wasserstoff durch Kernfusion zu Helium umgewandelt. Die dabei freiwerdende Energie dringt in Form von Strahlung aus dem Kern nach außen. Dabei trifft die Strahlung auf die Atome und Elektronen der Sonnenmaterie und drückt diese nach außen. Dieser Strahlungsdruck wirkt der Gravitationskraft entgehen. Denn der Stern möchte eigentlich gerne unter seinem eigenen Gewicht zusammenfallen, kann das aber zum Glück nicht, weil der Strahlungsdruck das Material der Sonne wieder nach außen treibt. In einem normalen Stern halten sich diese beiden Kräfte halbwegs die Waage und der Stern bleibt stabil.

Sonne! War früher hell und heute auch noch Bild: NASA/ESA)

Sonne! War früher hell und heute auch noch Bild: NASA/ESA)

Richtig dramatische Änderungen gibt es erst am Ende des Sternenlebens, wenn der Brennstoff verbraucht ist und der Strahlungsdruck plötzlich wegfällt. Aber auch schon davor tut sich ein bisschen was. Im Inneren der Sonne ist es heiß genug, damit Wasserstoff fusioniert werden kann. Die Temperatur bestimmt ja, wie schnell sich die Atome bewegen und sie müssen schnell genug sein, damit sie bei einer Kollision nicht voneinander abprallen, sondern miteinander verschmelzen. Wie gesagt, in der Sonne reicht die Temperatur aus, um den Wasserstoff schnell genug für die Fusion zu machen aus der Helium entsteht. Helium ist aber schwerer als Wasserstoff und kann sich im Inneren der Sonne NICHT schnell genug bewegen, um ebenfalls zu neuen Elementen fusioniert zu werden (das passiert erst später, am Ende des Sternenlebens). Das Helium sammelt sich also im Kern der Sonne an und liegt dort einfach rum. Und stört. Nur im Kern ist es heiß genug für die Fusion und je mehr Helium im Kern rumliegt, desto weniger Platz ist für Wasserstoff. Das klingt ja eigentlich so, als würde die Sonne dadurch im Laufe der Zeit immer kühler werden. Je mehr Helium erzeugt wird, desto weniger Wasserstoff kann fusioniert werden und desto weniger Energie wird produziert. Das stimmt auch, ist aber nicht die ganze Geschichte. Denn da ist ja noch die Gravitation.

Sinkt die Fusionsrate, dann sinkt auch der Strahlungsdruck. Und dann übernimmt sofort die Gravitation das Kommando und komprimiert den Stern. Dadurch wird es in seinem Kern aber DICHTER als vorher und das heißt, dass es auch WÄRMER wird. Der Bereich in dem Fusion möglich ist, wird ein klein wenig größer als vorher und effektiv erzeugt die Sonne nun mehr Energie. Je mehr Helium also produziert wird, desto WÄRMER wird die Sonne. Daraus folgt, dass sich ihre Leuchtkraft im Laufe der Zeit langsam erhöht.

Die Änderung ist nicht dramatisch groß. Sie leuchtet heute nur etwa um ein Drittel heller als vor 3,5 Milliarden Jahren. Das schafft aber trotzdem ein Problem, wenn man die junge Erde betrachtet. Wenn die Sonne früher schwächer geleuchtet hat, dann war es auf der Erde natürlich auch kühler. Es sollte sogar so kühl gewesen sein, dass das ganze Wasser damals gefroren war. Die geologischen und paläontologischen Untersuchungen zeigen uns aber, dass die Erde früher viel WÄRMER war als heute; das Wasser flüssig und das frühe Leben glücklich, zufrieden und nicht im geringsten erfroren. Die Sonne war also früher viel kühler als heute. Die Erde aber war viel wärmer. Das ist das Paradoxon der schwachen jungen Sonne und man hat bis heute noch keine abschließende und befriedigende Lösung für dieses Problem gefunden.

Es ist wahrscheinlich, dass die Sache etwas mit der Atmosphäre der Erde zu tun hat. Die Temperatur eines Planeten wird ja nicht nur von der Sonnenstrahlung bestimmt, sondern auch von der Fähigkeit eines Planeten, diese Sonnenstrahlung festzuhalten. Je mehr Treibhausgase in der Atmosphäre des Planeten sind, desto wärmer wird es dort. Die Gase – zum Beispiel Wasserdampf oder Methan – lassen zwar das Licht der Sonne aus dem Weltall durch die Atmosphäre fallen. Dort können sie den Planeten erwärmen – und wenn der Boden die Wärme wieder abgeben will, erfolgt das in Form von Infrarotstrahlung, die von den Treibhausgasen NICHT MEHR durchgelassen wird. Die Wärme bleibt also auf dem Planeten. Man weiß allerdings noch nicht genau, ob und welche Treibhausgase vor ein paar Milliarden Jahren in der Atmosphäre waren und man weiß nicht, wie sie dort hingekommen sind, wenn sie dort waren. Natürlich gibt es viele verschiedene Möglichkeiten und Hypothesen. Aber keine davon ist bis jetzt wirklich zufriedenstellend. Denn es gab trotz der warmen Vergangenheit auch früher immer wieder mal große Eiszeiten bei denen die Erde sogar komplett zufror. Auch das muss man irgendwie berücksichtigen und erklären.

Es ist auch enorm schwer, etwas konkretes über die damaligen Bedingungen auf der Erde und vor allem über die Atmosphäre herauszufinden. Aber es gibt schöne und vor allem originelle Ansätze. Zum Beispiel die Erforschung fossiler Regentropfen. Das klingt absurd, ist aber möglich. Wie groß ein Regentropfen werden kann, hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der sie zu Boden fallen. Diese Geschwindigkeit hängt davon ab, wie dicht die Atmosphäre ist und das hängt wieder davon ab, aus welchen Gasen sie besteht. Auf der Erde kann ein Regentropfen heute nicht größer als 6,8 Millimeter werden. Aber früher war das vielleicht anders.

Der Regen der Vergangenheit ist natürlich schon längst verschwunden. Aber manchmal findet man noch Spuren. Wenn zum Beispiel ein Vulkan ausbricht und es direkt danach zu regnen beginnt, dann fallen die Tropfen in die noch frische Vulkanasche. Dort erzeugen sie kleine Krater, die von neuer Asche bedeckt werden und dann im Laufe der Jahrmillionen versteinern. Man kann also tatsächlich fossile Regentropfen finden! Genau das gelang in Südafrika – die Spuren die man dort fand stammten von einem Regenschauer, der vor 2,7 Milliarden Jahren stattfand. Die Wissenschaftler haben dann im Labor experimentiert und künstlichen Regen auf frische Vulkanasche fallen lassen um nachzusehen, wie die Kratergröße von der Größe der Tropfen abhängt. Mit diesen Ergebnissen und der Untersuchung der fossilen Regentropfen konnte man dann die Dichte der damaligen Atmosphäre wenn auch nicht exakt bestimmen, dann zumindest einschränken. Damit konnte man dann auch einige der konkurrierenden Hypothesen zur Erklärung des Paradoxons widerlegen.

Es bleiben aber immer noch genug übrig und man wird noch ein wenig forschen müssen, bevor man definitive Aussagen machen kann. Aber wie man am Beispiel des fossilen Regens sieht, können Wissenschaftler enorm kreativ sein. Sie werden einen Weg finden, um das Paradoxon der schwachen jungen Sonne zu lösen.

Kommentare (5)

  1. #1 Christian Berger
    28. Juli 2013

    Was ich toll finde an Deinen Sternengeschichten ist, dass sie immer über das hinausgehen was so normalerweise erklärt wird.
    Das Kräftegleichgewicht wird ja, zumindest im Ausland, ja oft sogar noch im Fernsehen erklärt. Aber das man den Faktor der Dichte der Atmosphäre mit fossilen Regentropfen(!) bestimmen kann ist halt der Moment an dem sich das Weltbild plötzlich öffnet.

    Wenn ich aber eine Sache anmerken darf. Du machst ja manchmal “extraordinary claims”, könntest Du bei solchen Sachen wie “fossilen Regentropfen” bitte gleich einen Link veröffentlichen, damit Du die entsprechenden “extraordinary evicence(s)” hast. Ich denke das wäre in unser aller Interesse.

  2. #2 Florian Freistetter
    28. Juli 2013

    @Christian: Naja, Links sind in Audio-Dateien halt immer ein wenig schwer. Aber vielleicht hilft dir das: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2012/04/06/der-regen-vor-27-milliarden-jahren/

  3. #3 Christian Berger
    28. Juli 2013

    Danke.

  4. […] immer gleich aus. Sie leuchtet vor sich hin und daran ändert sich nicht viel (sie wird zwar langsam immer heller, aber dieser Effekt lässt sich nur im Laufe von Jahrmillionen beobachten). Erst wenn man genauer […]

  5. […] dass die Erde in ferner Zukunft auf jeden Fall immer heißer werden wird. Denn die Sonne selbst strahlt im Laufe der Zeit immer heller und in ein paar hundert Millionen Jahren wird es zu heiß für das Leben auf der Erde werden. Wenn […]