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
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”
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).
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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