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Jetzt schiebe ich ein bisschen was rein in meine Serie. Nämlich meine eigene Forschung, die gerade erschienen ist :-) Ich hatte im ersten Teil erzählt, dass Exoplaneten um kleine kühle M- und K-Sterne selbst dann habitabel sein können, wenn sie durch Gezeiten in eine Situation gebracht wurden, die ihnen eine ewige Tag- und Nachtseite beschert. Das alles steht und fällt allerdings mit der Zirkulation.

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Die Klimaanlage auf gezeitengebundenen Planeten. Aufsteigende heiße Luft auf der Tagseite strömt zur Nachtseite, kühlt ab, “fallt” herunter und kommt wieder zur Tagseite zurück. (Ludmila Carone, KU Leuven CmPA/IvS)

Und jetzt kommen folgende Überlegungen in’s Spiel. Felsige Planeten um kleine M-Sterne lassen sich besser entdecken und untersuchen als Planeten um größere Sterne. Und das geht um so besser je näher der Planet am Stern ist. Erstens ist dann die Wahrscheinlichkeit höher, dass der Planet von uns aus gesehen vor seinem Stern herzieht (also einen Transit ausführt) und dabei Sternenlicht durch die Atmosphäre streift, was wiederum uns auf der Erde erlaubt, zu sehen ob da eine Atmosphäre ist und wie die aussieht.  Zweitens sieht man mehr Transits innerhalb eines Beobachtungszeitraums. Mehr Daten erlauben eine robustere Interpretation der Atmosphäre von – sagen wir mal über einen Zeitraum von 3 Jahren, was der angepeilten Lebensdauer von einem typischen Weltraum-Teleskop entspricht, das unter anderem dazu da ist, nach Exoplaneten zu gucken – wie z.B. Kepler, CoRoT und wie geplant PLATO (1). Gleichzeitig sind M-Sterne so kalt, dass ein Planet sowieso recht nah dran sein muss, um das Erd-Äquivalent der Sonnenenergie abzukriegen. Zudem sind mindestens 70% aller sonnenähnlicher Sterne sowieso M-Sterne

Eine wirklich gründliche Studie mit 165 virtuellen Planeten um kleine M-Sterne

Es gibt also eine Reihe guter Gründe kleine potentiell habitable Planeten um M-Sterne mal genauer anzusehen. Und das haben wir – also meine Kollegen Rony Keppens und Leen Decin und ich auch getan. Wir haben erst einmal ein vereinfachtes Modell der Zirkulationsbewegung von Planeten mit ewigen Tag- und Nachtseiten gebaut (2). Wie Slartibartfass nur mit Windströmungen statt Fjorden :-)

Dann haben wir 165 hypothetische Planeten auf nen Supercomputer geschickt und angeschaut, was mit der Zirkulation passiert, wenn wir die Planeten-Größe zwischen 1-2 Erdradiien variieren und vor allem den Planeten immer näher an seinen Stern schieben. Wobei wir der Einfachheit halber immer angenommen haben, dass die mittlere Dichte der der Erde entspricht und dass der Planet immer das Erd-Äquivalent der Sonnenenergie abkriegt. Dabei haben wir die Planeten sogar auf eine 1-Tages-Umlaufperiode herunter gebracht. In unserer Studie ging es uns aber vor allem darum, das Klima und die Zirkulation gründlich zu verstehen. Und da lohnt es sich durchaus in die Vollen zu gehen und die Extreme auszuloten und sehr viele Fälle miteinander zu vergleichen.

Parameter_studie_vorher

Parameter_studie_nachher

Klimastudien für geseitengebundene Planeten um M -Sterne (vor Carone et al. 2015, oben) und mit Carone et al. 2015 (unten). Wie gesagt…wie haben uns wirklich viele verschiedene Fälle angesehen.

Dabei stellten wir fest, dass bei kurzen Umlaufperioden von etwa 12 Tagen – abhängig von der Planetengröße – sich die Luftzirkulation schlagartig verändern kann. Nennen wir das mal Kipp-Punkt I. Das war übrigens nicht ganz neu. Bereits 2011 haben Adam Edson und Kolleginnen einen solchen Kipp-Punkt gesehen (3). Wir haben uns das ganze allerdings nochmals viel genauer und auch für Supererden angesehen. Dabei haben wir sogar ein paar mehr solcher Klima-Übergänge und einen weiteren Kipp-Punkt gefunden. Kipp-Punkt II liegt bei 5 Tagen Umlaufperioden für Supererden.

Was passiert jetzt bei diesen Kipp-Punkten des Klimas? Oder welches Windsystem nehmen wir denn heute? I, II oder doch lieber III?

Der Wind strömt in der oberen Atmosphäre nicht mehr symmetrisch von der Tag- zur Nachtseite. Auf einmal bilden sich Windströme, die entlang bestimmter geographischer Breiten wehen und recht schnell werden können. 100 km/h und mehr sind absolut drin. Genauer gesagt, gibt es an Kipp-Punkt I zwei Möglichkeiten und bei Kipp-Punkt II sogar drei Möglichkeiten, die das Klima des Planeten einnehmen kann.

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Kommentare (14)

  1. #1 MartinB
    September 15, 2015

    Ziemlich coole Forschung…

  2. #2 BreitSide
    Beim Deich
    September 15, 2015

    Interessant. Hochinteressant! Ich hatte bisher immer das Gefühl, die ganzen notwendigen Voraussetzungen (Goldilocks) seien so viele, dass selbst bei der ungeheuer großen Zahl von Planeten die Möglichkeiten für Leben im beobachtbaren Universum viel zu gering seien, als dass wir was beobachten könnten. You learn never out!

  3. #3 rolak
    September 15, 2015

    Sehr angenehm zu lesende Reihe – nur so richtig was einfallen zum Kommentieren will mir nicht. Deswegen nur eine Art LebensLesezeichen.

  4. #4 Herr Senf
    September 15, 2015

    Wenn von dort auch mal Funksignale kämen …

  5. #5 dgbrt
    September 16, 2015

    Sorry, aber solche vereinfachten Modellrechnungen können nicht ansatzweise das Chaos im Weltraum erklären. Die theoretischen Bahnen sind wohl alle kreisförmig, sonst müsste man doch mindestens die Libration berücksichtigen.

    Die Bewegung einer Atmosphäre hängt natürlich auch ganz stark von der Beschaffenheit der Oberfläche des Planeten ab (Berge, Täler, Ozeane,…). Entscheidend ist aber natürlich auch die Zusammensetzung der Atmosphäre.

    Interessant sind diese gebundenen Zustände trotz alledem. In unserem Sonnensystem würde man das eigentlich auch von Merkur erwarten. Der wird aber wohl durch die Perihel-Drehungen so durchgeschaukelt, dass er sich nicht auf eine gebundene Rotation einstellen kann. Bei Monden um Planeten ist das anders, da kann man diesen Effekt vernachlässigen.

    Solange wir aber die Atmosphären in unserem Sonnensystem noch überhaupt nicht modellieren können (Großer Roter Fleck, Stürme an den Polen des Saturn, …) sollte man mit der Prognose für habitable Exoplaneten sehr vorsichtig sein.

    Wir entdecken gerade in den letzten zwölf Monaten so viel neues in unserem Sonnensystem (Rosetta bei Tschuri, Dawn bei Ceres und New Horizons bei Pluto), mit einfachen Modellrechnungen würde es das alles nicht geben.

  6. #6 Ludmila Carone
    September 16, 2015

    @dgbrt
    Sorry, Du hast vor allem Halbwissen.

    aber solche vereinfachten Modellrechnungen können nicht ansatzweise das Chaos im Weltraum erklären. Doch können sie, Du meinst nur, dass das nicht so ist. Hat z.B. Florian bei Astrodicticum Simplex in seinem Forscher-Leben gemacht und ich hab dir bereits bei dem letzten Blogeintrag erklärt, dass selbst für die Erde solche “simplen” Modellrechnungen helfen, das große Ganze genauer zu erklären.

    Ich hab bereits hier darauf verwiesen, dass auch in unserem Sonnensystem und auch auf der Erde mit solchen einfachen Rechnungen angefangen, die immer weiter verfeinert wurden. Du kennst den Unterschied zwischen Verfeinern und komplett Umschmeissen?

    http://scienceblogs.de/planeten/2015/09/14/der-lange-weg-zu-habitablen-exoplaneten-i-welten-mit-ewigen-tag-und-nachtseiten/#comment-5914

    Was ist denn bitte nicht daran zu verstehen, dass man erst mal das grobe Grundgerüst verstehen muss, bevor man da ein komplexes Modell drauf schmeißt?

    Und außerdem:
    Mit “Chaos” lässt sich rechnen. Spätestens seit Lorenz https://de.wikipedia.org/wiki/Edward_N._Lorenz und eigentlich baut sogar die statistische Physik oder Thermodynamik drauf auf: Du kannst zwar nicht die Bewegung eines einzelnen Moleküls in nem Wassertopf vorhersagen, aber trotzdem vorhersagen, dass das Wasser im Topf bei 1 bar Luftdruck bei etwa 100 Grad Celsius kocht. Und selbst wenn das System komplett zufällig wird, wird nicht irgendwas rauskommen. Ein 6-seitiger Würfel, wird nicht irgendwann ne 12, 7 oder 18 zeigen, wenn man ihn lang genug wirft. Auch, das ist eine Möglichkeit mit Chaos klarzukommen. Indem man es eingrenzt.

    “Chaos” ist nicht das Buzzword für “alles ist möglich” oder “alles ist falsch”. “Chaos” verhindert auch nicht, dass man trotzdem Aussagen über das Gesamtsystem machen kann. Gesetze der Stroemungsmechanik sind Gesetze der Stroemungsmechanik. Und die steckt man in so ein Modell rein und lässt mal machen.

    Die Bewegung einer Atmosphäre hängt natürlich auch ganz stark von der Beschaffenheit der Oberfläche des Planeten ab
    Hasst Du Dir mal die Ausdehnung der Atmosphäre gegenüber den Bodenerhebungen angesehen? Global gesehen, ist das erst mal nicht so wild. Daher kann man das auf solchen groß-skaligen Modellen erst nur über Reibung und als Wärmequelle einrechnen. Hier reichen bereits Annahmen erster Ordnung. Woher ich das weiß? Erde, Mars, Venus, Titan…Wir haben das alles schon in der Vergangenheit gemacht und es funktioniert.

    auch von Merkur erwarten (…) dass er sich nicht auf eine gebundene Rotation einstellen kann.
    Meine Fresse, der Merkur ist in einer gebundenen Rotation durch Gezeitenkraefte und zwar in einer 2:3 Resonanz. Aufgrund seines Trägheitsmoments, was an seinem enorm großen Eisenkern liegt. Aber ja, die relativ hohe Exzentrizität der Bahn ist auf jeden Fall auch ein notwendiger Bestandteil, damit diese Resonanz auch aufrechterhalten werden kann. Mann, mann, mann, mir Gezeitenkraefte erklären, aber nicht mal in der Lage sein in Wikipedia nachzusehen, wo das sogar mit der 2:3 Resonanz steht.

    Sonst müsste man doch mindestens die Libration berücksichtigen.
    Ja, sie sind kreisförmig. Weil sie in einer 1:1 Resonanz sind. Das eine bedingt das andere. Siehe Mond: Da ist Exzentrizität und daher Libration erst mal vernachlässigbar. Und wenn Du schon klugscheissen wolltest, hättest Du mal eher die Obliquitaet d.h. die Neigung der Planetenachse gegenüber der Bahnachse eingeworfen. Das muss man als erstes anschauen, bevor man die Libration überhaupt anpackt. Erde -> Jahreszeiten. (Libration…mann,mann,mann)

    Aber ja, hab ich hier beides vernachlässigt – aufgrund der Gezeitenkraefte und weil ich erst mal das Große und Ganze verstehen will. Jahreszeiten sind auf den Skalen auch erst mal “ein Detail” und ändern nichts daran, wie das Klima-System im Großen und Ganzen funktioniert. Vereinfachte Erdklima-Modelle ohne Jahreszeiten sind bis heute im Einsatz, um zu untersuchen, wie der Klimawandel das ganze System groß-skalig beeinflusst.

    Und jetzt komme ich mal zum folgende Nicht-Argument: Ihr könnt Detail x,y,z nicht erklären, also wisst ihr gar nichts. “Mimimimimi* Wir ignorieren also erst mal Jahrzehnte erfolgreicher Atmosphären-Forschung. die schon jede Menge erklären kann. Warum z.b. Jupiter, diese vielen Sturm-Bänder hat oder warum die Venus-Oberfläche so heiß ist. (Carl Sagan 1960), weil ist ja alles nach Meinung von dgbrt “nichts”. Echt, so argumentieren nur verwöhnte Leute mit null Sinn dafür, dass man in bis zu den 60ern extrem wenig über die Atmosphären anderer Planeten wusste. Noch nicht mal, woraus sie bestehen. Geschweige denn, wie da das Klima funktioniert.

    Solange wir aber die Atmosphären in unserem Sonnensystem noch überhaupt nicht modellieren können (Großer Roter Fleck, Stürme an den Polen des Saturn, …

    Ja, sorry, Tschuldige, dass es da noch lokale Details gibt, die es zu erforschen gibt, so dass wir unsere Modelle weiter verfeinern müssen. Schlimm so was. Diese doofen Forscher, die ja echt von nichts ne Ahnung haben. Woher weißt Du das noch mal von dem roten Fleck oder den Stürmen auf Saturn? Ach von den Forschern? Ja, sieh mal einer guck.

  7. #7 cimddwc
    September 16, 2015

    Ich schließe mich einfach mal den ersten 3-4 Kommentaren an und erwarte gespannt, was in der Serie noch alles kommen mag. :)

  8. #8 Alderamin
    September 16, 2015

    @Ludmila

    Coole Artikelserie.

    Wenn das Temperaturproblem bei gebundener Rotation gelöst ist, wie schaut’s mit den Flares aus? Wäre man auf der Rückseite geschützt? Kann ein gebunden umlaufender Planet ein Magnetfeld haben? Die Bremse, die der Mond auf die Erde ausübt, entfiele ja.

    Es gibt eine Menge mehr rote Zwerge als sonnenähnliche Sterne (so um die fünfmal so viele, wenn ich’s recht in Erinnerung habe) und dennoch befinden wir uns im Orbit um einen G-Stern. Wenn man aus diesem einen Datenpunkt etwas schließen kann, dann spricht die Wahrscheinlichkeit mit 80% dafür, dass höheres / intelligentes Leben um einen sonnenähnlichen Stern bessere Chancen hat, als um einen roten Zwerg. Aber da gibt’s vielleicht auch einfaches Leben, das man anhand von Biosignaturen (Sauerstoff und Methan gleichzeitig in der Atmosphäre) von hier aus erkennen könnte. Höheres Leben ist ohnehin nicht erkennbar, wenn es uns nicht gerade Funksignale zusendet.

  9. #9 dgbrt
    September 17, 2015

    @Ludmila Carone: “Sorry, Du hast vor allem Halbwissen.”
    Erst mal vielen Dank für diese Einschätzung meiner Person.

    Ich antworte jetzt nicht auf alles, aber dass der Merkur in einer 2:3 Resonanz steht ist mir durchaus bekannt. Bei dieser Rotation zeigt aber eben nicht immer die selbe Seite zur Sonne. An einem Merkurtag kann es sogar zu zwei Sonnenauf- oder -untergängen kommen. Unter gebundener Rotation verstehe ich das, was die meisten Monde in unserem Sonnensystem machen.

    Die Exzentrizität verursacht Libration und die Obliquität ergibt Jahreszeiten. Was soll das mit der Neigung der Achse? Nehmen wir als Beispiel mal den Uranus, die Achse ist um ca. 90 Grad geneigt (in Wirklichkeit ist es 7 Grad mehr). Selbst wenn da der Tag genauso lange dauern würde wie das Jahr, das wäre keine gebundene Rotation und im Laufe eines Jahres werden alle Bereiche von der Sonne beleuchtet.

    Ich habe in den 1980er Jahren Physik studiert, da gab es noch keine Exoplaneten und auch noch fast keine Schwarze Löcher. Heute entwickle ich Software und das Endprodukt sieht immer so aus, wie der Kunde es haben möchte.

    Das ist bei Simulationen natürlich anders, man füttert das Programm und wartet, bis die Ergebnisse ausgespuckt werden. Eine größere Transparenz bei den Eingangsparametern würde ich mir aber doch wünschen. Also: keine Exzentrizität, keine Achsenneigung, … Vielleicht werden solche Planeten ja gefunden, das halte ich aber gerade für unwahrscheinlich.

  10. #10 Ludmila Carone
    September 17, 2015

    @dgrbt:
    Vielleicht werden solche Planeten ja gefunden, das halte ich aber gerade für unwahrscheinlich.
    Wurden sie bereits 1995. Viele “heiße Jupiter” sind in einer 1:1 Resonanz auf kreisrunden Bahnen und mit vernachlässigbarer Obliquität – aufgrund von Gezeitenkräften. Das ist Stand-der-Dinge seit jetzt 20 Jahren. Ist das nicht toll, was Du alles aufgrund des Wissensstand der 80er für unwahrscheinlich hältst, aber von dem wir heute wissen, dass es trotzdem so ist? Forschung erweitert halt den Horizont ungemein 😉

    Ich meine ernsthaft, die Diskussion hatten wir bereits bei den Mini-Neptuns, die es ja angeblich nicht geben kann. Doch, doch…Da hat sich echt ne ganze Menge getan seit den 80ern. Willkommen im Jahr 2015! Ist schön hier, kann ich Dir sagen 😉

  11. […] sind besser als ihr Ruf, mein Bloggerin Ludmilla bei Hinterm Mond gleich links. Um zu zeigen, dass auch jene mit einer festen Tag- und Nachseite durchaus habitabel sei könnten, […]

  12. #12 MartinB
    Oktober 1, 2015

    Hab’s erst jetzt gesehen – wow:
    http://www.nature.com/nature/journal/v525/n7570/full/525429a.html
    Herzlichen Glückwunsch, das ist ja mal was zum stolz rumerzählen…

  13. #13 rolak
    Oktober 1, 2015

    wow:

    Ui, da bleibt nur ein Anschließen: Glückwunsch!

    (Hab mir allerdings trotzdem die 8@€ verkniffen und werds in der UB lesen…)

  14. […] meinem letzten Blogpost hatte ich über mein 2015-Paper berichtet und meine Ergebnisse für habitable Exoplaneten mit erdähnlichen Atmosphären mit kurzen (100 Tagen) bis  ultra-kurzen …. Dabei kann man davon ausgegangen, dass diese Planeten sich zu ihrem Stern so verhalten wie der […]