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In 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 (1 Tag) Umlaufperioden um einen kühlen roten Stern vorgestellt. Dabei kann man davon ausgehen, dass diese Planeten sich zu ihrem Stern so verhalten wie der Mond sich zur Erde – sie wenden dem Körper, den sie umkreisen, immer dieselbe Seite zu. D.h. solche Planeten haben ewige Tag- und Nachtseiten. D.h. aber nicht, dass die Tagseite unerträglich heiß sein muss. Denn die Atmosphäre kann wie eine Art Klimaanlage agieren (Bild 1).

Zur Erinnerung: 3D Luftumwälzung macht Welten mit ewiger Tag- und Nachtseite (normalerweise) bewohnbar

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Bild 1: Mögliche Klimaanlage auf einem Planeten mit ewiger Tagseite. Heiße Luft steigt nach oben – vor allem am Äquator über dem substellaren Punkt, also da wo die Sterneneinstrahlung senkrecht auf die Oberfläche trifft. Die heiße Luft fließt in der oberen Atmosphäre zur Nachtseite – z.B. über die Pole. Auf der Nachtseite kühlt die Luft ab, sinkt zu Boden uns strömt wieder zum substellaren Punkt zurück. Es ensteht ein geschlossener Wärme-Austausch-Kreislauf – also eine Art natürliche Klimaanlage.

Zur Erinnerung: Erdwarme Welten auf sehr engen Umlaufbahnen um ihren kühlen roten Sternen können aus 3 Möglichlichkeiten für 3D Luftumwälzungen wählen – und eine davon ist “nicht so gut”

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Bild 2: Wenn die Superrotation im Weg ist (linke Seite) kann heiße Luft nur schwer zur Nachtseite transportiert werden. Die rechte Seite zeigt die ungestörte Situation.

Letztes Jahr haben meine Kollegen und ich aber festgestellt, dass diese natürliche Klimaanlage in der Atmosphäre gestört werden kann. Und zwar bei habitablen Planeten mit sehr kurzen Umlaufperioden – kürzer als 6 Tage – wenn sich ein starker Windstrom entlang des Äquators legt. Tatsächlich haben wir drei verschiedene Möglichkeiten für Windströmungen oder besser gesagt Klimasysteme gefunden, die auf Planeten auf sehr engen Bahnen herrschen können. Und eine dieser möglichen Szenarien  hat diese starke äquatoriale Windströmung, die dann dafür sorgt, dass heiße aufsteigende Luft auf der Tagseite nicht zur kühlenden Nachtseite transportiert werden kann. Die Superrotation ist einfach im Weg (Bild 2, linke Seite).

Je effektiver die Reibung zwischen Atmosphäre und Oberfläche, umso besser d.h. habitabler das Klima

In unseren neuen Studie haben wir an unserer Klimamodellierung rumgeschraubt. Unter anderem haben wir untersucht, was mit diesen Klimazuständen passiert, wenn wir die Stärke der “effektive Reibung”(2)  zwischen der Oberfläche des Planeten erhöhen und verringern. Dabei fanden wir heraus, dass dieses relativ einfache Verstellen einer kleinen Schraube eines 3D-Klimamodells, das gesamte Klima drastisch verändert und hier insbesondere welches Windsystem in der oberen Atmosphäre vorherrscht – da wo die heiße Luft vornehmlich von der Tagseite zur Nachtseite transportiert wird. Dabei gilt anscheinend: Je stärker die effektive Reibung zwischen Oberfläche und Atmosphäre, desto mehr wird Superrotation unterdrückt, d.h. die Tagseite-Nachtseite Klimaanlage ist damit sicherer vor Störungen (Bild 3).

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Bild 3: Oberflächentemperatur und Windströmung (untere Reihe) und Lufttemperatur und Windströmung in der oberen Atmosphäre (oben) für einen Planeten mit Umlaufdauer von einem Tag, der aber dennoch genau soviel effektive Hitze abkriegt wie die Erde. Der Planet ist 45% größer als die Erde. Die linke Seite zeigt die Situation für effektive Reibung mit Erdstärke. Die rechte Seite zeigt die Situation mit zehnmal so starker effektiver Reibung in “Bodennähe” (untere 2.8 km).

In Bild 3 ist die Superrotation links oben als helles Band um den Äquator sichtbar, das von grauen Linien eingefasst sind. Rechts oben sieht es schon anders aus. Und deswegen wird die Tagseite bei exakt gleicher Energieeinstrahlung links unten heißer als rechts unten.

Was heißt das eigentlich “habitabel”?

Jetzt könnte man natürlich bei Blick auf Bild 3 anwenden, dass es selbst bei “kaputter Klimaanlage” genügend andere Stellen auf dem Planeten gibt, welche dann eben kühlere Temperaturen aufweisen und wo es eben nicht 100 Grad Celsius oder heißer ist.

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Kommentare (4)

  1. #1 Spritkopf
    Juli 15, 2016

    Hochinteressanter Blogpost, Ludmila, bei dem einem mal wieder bewusst wird, wieviele Stellschrauben es gibt und wieviele davon sich gegenseitig bedingen.

    Eine Abhängigkeit, die mir gerade eingefallen ist: Wenn es eine Atmosphäre auf dem Modellplaneten gibt, dann bedeutet das auch, dass wir Erosion in mehr oder weniger starker Ausprägung (je nachdem, ob es auf dem Planeten Niederschläge gibt) haben. Und wenn wir Erosion haben und an der Stellschraube “Atmosphärenreibung” drehen wollen, dann brauchen wir dafür Plattentektonik, derweil wir ansonsten keine Gebirge haben bzw. ursprünglich existierende Gebirge zu Flachlandschaften erodiert werden. D. h., wir haben durch Vulkanismus CO2-Eintrag in die Atmosphäre und (unter der Maßgabe, dass flüssiges Wasser vorhanden ist) einen CO2-Kreislauf ähnlich dem auf der Erde.

    Oder mache ich hier einen Gedankenfehler?

  2. #2 Ludmila Carone
    Juli 15, 2016

    @Spritkop Nein, absolut richtig. Wobei ich ja die Stellschraube auch in die andere Richtung gedreht habe. Hin zu weniger Reibung, was es dann sogar noch wahrscheinlicher macht, dass die Klimaanlage gestört wird.

    Für einen funktionierenden CO2-Kreislauf wie auf der Erde brauchst Du aber wahrscheinlich sowieso Plattentektonik. https://de.wikipedia.org/wiki/Kohlenstoffzyklus.

    Und auch die richtige Geochemie. https://de.wikipedia.org/wiki/Carbonat-Silicat-Zyklus

    Die Frage ist allerdings, ob das jetzt die einzigen Möglichkeiten sind oder ob es Alternativen gibt? Kollegen haben sich z.B. die Auswirkungen einer Welt angesehen, die komplett mit tiefen Ozeanen bedeckt ist. Also da gibt es durchaus spannende Entwicklungen, wenn man sich mal von der Vorgabe “Erd-Zwilling” löst.

  3. #3 Karl432
    Juli 29, 2016

    Wasser: Damit wird es wirklich interessant, dann bekommen wir Wetter und Klimazonen, vermutlich sehr unterschiedlich für Planeten, die wie auf der Erde Kontinentalplatten haben (also weitflächige tiefe Ozeane bilden können), oder (wie die Venus) nicht. In ersterem Fall ist es sicher auch unterschiedlich für einen substellaren Punkt über Kontinent oder über Ozean, was in geologischen Zeiträumen (z.B. bei Plattentektonik) auch wechseln kann (oder auch kurzfristig: bei Bahnextrentrizität Ost-West-Schwankung, bei anderen nicht exakt koplanar umlaufenden Planeten durch Achspräzession Nord-Süd-Schwankung).

    Wasser, das auf der Nachtseite ausfriert, entzieht sich einem Kreislauf auch nicht zwangsläufig. Es kommt zurück:
    1.) in jedem Fall durch Gletscherfluss (da Eis spezifisch leichter als Krustengestein ist, sinkt auch bei hydrostatischem Gleichgewicht durch Schneefall gebildete Eis nicht vollständig auf Gesteinsniveau ab, sondern bildet Erhebungen),
    2.) möglicherweise durch Plattentektonik oder sonstige geologische Vorgänge: überfrorene Bereiche der Nachtseite gelangen wieder auf die Tagseite,
    3.) wenn tiefe Ozeane vorhanden sind, frieren diese auf der Nachtseite vollständig durch (und verhindern somit Strömungen), oder reichen tiefe Strömungen für einen Wasseraustausch zwischen Tag- und Nachtseite aus? Der Temperaturgradient in einer eisbedeckten Nachtseiten-Oberfläche in Abhängigkeit von Dicke, Lufttemperatur und innerer Wärme des Planeten (auf jeden Fall wie bei der Erde Zerfall von K40, U238 usw.; auch Aufheizung des Magmas durch Gezeiteneffekte durch andere Planeten im System, die Achspräzession und variierende Bahnextentrizität bedingen können) ist sicher interessant speziell in Hinblick auf die Tiefe, ab der Wasser wieder flüssig ist.

  4. #4 Alderamin
    Februar 28, 2017

    In Anbetrachtt von Trappist-1 und einer Diskussion, die wir bei Florian im entsprechenden Artikel führen, fielen mir Deine Artikel wieder ein und mir stellt sich die Frage:

    Wie stabil mag so eine Klimaanlage langfristig sein?

    Ein synchron rotierender Planet, bei dem es auf der Nachtseite ständig unter 0°C ist (und wenn auch nur in höheren Breiten) könnte sein gesamtes Wasser dort als große Gletscher deponieren, was die Atmosphäre des Treibhausgases “Wasser” berauben würde. CO2 könnte sich dann wohlmöglich ebenfalls niederschlagen (beim Mars schwankt der Druck der CO2-Atmosphäre um 1/3, wenn sich in den Wintern Trockeneis an den Polen ablagert) und die Atmosphäre weiter abkühlen. Sinkender Luftdruck könnte wiederum den Wärmetransport zur Nachtseite verlangsamen. Ein Zustand, bei dem die Atmosphäre auf der Rückseite des Planeten komplett ausgefroren wäre, wäre wohl stabil und unumkehrbar.

    Auf der anderen Seite bestünde die Möglichkeit, dass das gesamte Wasser als Dampf in der Atmosphäre endet und einen Runaway-Treibhauseffekt wie auf der Venus verursacht. Dieser Zustand ist zumindest auf der Venus offenbar ebenfalls stabil (die, so viel ich weiß, ihr Wasser durch Photolyse dann größtenteils verloren hat).

    Wie schmal ist der Grat zwischen diesen beiden Extremen? Da die Helligkeit eines Sterns nicht über das gesamte Leben auf der Hauptreihe konstant ist, ist es nicht sehr wahrscheinlich, dass ein gebunden rotierender Planet in der habitablen Zone langfristig in die eine oder andere Richtung kippt?

    Auf der Erde sollen die Plattentektonik und die Meere das Klima stabilisieren, indem erstere CO2 in die Atmosphäre bringt, wenn die Erde zufriert und letztere sollen CO2 als Kalkgestein im Wasser binden, wenn der CO2-Gehalt zu hoch wird. Würden solche Mechanismen auf einem gebunden rotierenden Planeten ebenfalls reichen, das Klima zu stabilisieren, oder wären die Verhältnisse dort zu extrem? Denn sie wirken ja auf sehr großen Zeitskalen.

    Habt Ihr diese Aspekte schon mal untersucht, oder beschränkt Ihr Euch auf die Betrachtung einer augenblicklichen Stabilität des Klimas einer solchen Welt?