Die neueste Forschung der University of Washington in den Vereinigten Staaten weist darauf hin, dass viele Exoplaneten, die bisher als „habitable Kandidaten“ galten, selbst wenn sie sich in der habitablen Zone ihrer Sterne befinden und Oberflächentemperaturen haben, die für die Existenz von flüssigem Wasser geeignet sind, bei zu trockener Lage immer noch sehr wahrscheinlich völlig ungeeignet für Leben sind.
Das Forscherteam fand heraus, dass bei einem felsigen Planeten ähnlicher Größe wie die Erde das Oberflächenwasservolumen mindestens etwa 20 bis 50 % des Gesamtvolumens der Ozeane der Erde erreichen muss, um über einen langen geologischen Zeitraum hinweg eine stabile und bewohnbare Oberflächenumgebung aufrechtzuerhalten. Dies bedeutet, dass eine große Zahl sogenannter „Wüstenplaneten“ – selbst wenn ihre Umlaufbahnen „genau richtig“ liegen – im Hinblick auf die Wasserressourcen wahrscheinlich alles andere als geeignet sind, Leben zu unterstützen.
Bisher haben Astronomen mehr als 6.000 Exoplaneten bestätigt und es wird erwartet, dass es in der gesamten Milchstraße Milliarden ähnlicher Objekte gibt. Ein erheblicher Teil davon liegt in der bewohnbaren Zone des Sterns, wo die Temperaturen theoretisch die Existenz von flüssigem Wasser ermöglichen. Das Team der University of Washington betont jedoch, dass es nur ein Teil der Gleichung ist, „am richtigen Ort“ zu sein; Der Planet muss weiterhin über einen langfristig stabilen Klimaregulierungsmechanismus verfügen, und dieser hängt weitgehend davon ab, wie Wasser mit der Lithosphäre und der Atmosphäre interagiert.
Haskell White-Giannella, Erstautorin des Artikels und Doktorandin der Erd- und Weltraumwissenschaften, sagte, dass wir bei der Suche nach Leben im riesigen Universum und bei begrenzten Beobachtungsressourcen lernen müssen, einige Planetenziele gezielt „auszublenden“. Diese Studie konzentriert sich auf trockene Planeten mit extrem geringen Oberflächenwasserreserven, weit weniger als ein ganzer Ozean auf der Erde, um zu beurteilen, ob sie tatsächlich bewohnbar sind.
Die Forschungsergebnisse wurden im Planetary Science Journal veröffentlicht. Der Kern liegt im Schlüsselprozess des planetarischen geologischen Kohlenstoffkreislaufs. Auf der Erde transportiert dieser wassergetriebene Kreislauf über Millionen von Jahren Kohlenstoff zwischen der Atmosphäre und dem Planeteninneren und trägt so zur Regulierung der globalen Oberflächentemperaturen bei.
Auf der Erde geben Vulkane Kohlendioxid in die Atmosphäre ab, das sich dann im Regenwasser auflöst. Regenwasser reagiert chemisch mit Oberflächengesteinen und Flüsse transportieren kohlenstoffhaltige Materialien in den Ozean, wo sie sich auf dem Meeresboden ablagern. Im Zuge plattentektonischer Bewegungen wurde kohlenstoffreiche Meereskruste unter Kontinente abgezogen, und bei Prozessen wie der Gebirgsbildung wurde Kohlenstoff über einen langen Zeitraum wieder an die Oberfläche gebracht.
Wenn es einem Planeten jedoch an ausreichend Wasser mangelt, um gleichmäßige und großflächige Niederschläge aufrechtzuerhalten, fällt dieser „Thermostat“ des Kohlenstoffkreislaufs aus. Wenn Niederschlag und Verwitterung nachlassen, nimmt die Effizienz, mit der Kohlendioxid aus der Atmosphäre „gezogen“ wird, erheblich ab, während die vulkanische Freisetzung anhält. Die Folge ist, dass sich Kohlendioxid in der Atmosphäre weiter ansammelt, der Treibhauseffekt verstärkt wird, die Temperatur weiter ansteigt und das verbleibende Wasser schneller verdunstet, was letztendlich zu einem Teufelskreis führt, der die Oberfläche des Planeten zu heiß und unbewohnbar macht.
White-Giannella wies darauf hin, dass dies bedeutet, dass selbst trockene erdähnliche Planeten in der bewohnbaren Zone höchstwahrscheinlich keine idealen Ziele für die Suche nach Leben sind. Die Studie erinnert auch daran, dass in früheren theoretischen Arbeiten der Mechanismus des Kohlenstoffkreislaufs auf trockenen Planeten relativ wenig systematisch untersucht wurde, was die Menschen möglicherweise zu optimistisch macht, was das bewohnbare Potenzial von „Wüsten-Exoplaneten“ angeht.
Da die direkte Beobachtung felsiger Exoplaneten immer noch äußerst schwierig ist, verlassen sich Wissenschaftler häufig auf numerische Simulationen, um ihre langfristige Klimaentwicklung und die Eigenschaften des Wasserkreislaufs zu untersuchen. In dieser Arbeit verbesserte das Forschungsteam das bestehende Kohlenstoffkreislaufmodell, charakterisierte Schlüsselprozesse wie Verdunstung und Niederschlag neu, insbesondere für trockene Umgebungen, und führte Faktoren ein, die in der Vergangenheit oft ignoriert wurden, wie etwa den Einfluss von Windfeldern auf die Wasserdampfverteilung und die Verdunstungseffizienz.
Joshua Krissanson-Totten, Co-Autor des Artikels und Assistenzprofessor am Department of Earth and Space Sciences der University of Washington, sagte, dass diese Art von verfeinertem „mechanismusbasiertem“ Kohlenstoffkreislaufmodell ursprünglich zum Verständnis der Klimaentwicklung und Temperaturregulierung der Erde in ihrer langen geologischen Geschichte verwendet wurde und nun auf die Untersuchung von Exoplaneten ausgeweitet wird. Die neuen Ergebnisse zeigen, dass selbst wenn ein trockener Planet in den frühen Stadien über eine gewisse Menge an Oberflächenwasser verfügt, die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass er aufgrund eines Ungleichgewichts im Kohlenstoffkreislauf in späteren Stadien Wasser verliert und sich von einer potenziell bewohnbaren Welt zu einem heißen und unbewohnbaren „unausgeglichenen Planeten“ entwickelt.
Die Forschung richtete ihre Aufmerksamkeit auch auf ein nahegelegenes „natürliches Experiment“: Venus. Die Venus hat eine ähnliche Größe wie die Erde und entstand etwa zur gleichen Zeit. Einige Modelle deuten sogar darauf hin, dass sie in ihren frühen Tagen möglicherweise genauso viel Wasser wie die Erde hatte. Doch heute ist die Oberflächentemperatur der Venus vergleichbar mit der eines holzbefeuerten Pizzaofens und der Oberflächendruck ist so hoch, dass „es sich anfühlt, als würden zehn Blauwale gleichzeitig darauf drücken.“
Die wissenschaftliche Gemeinschaft diskutiert seit langem darüber, warum Erde und Venus so unterschiedliche Entwicklungswege eingeschlagen haben. White-Giannella und Crisanson-Totten vermuteten, dass die Venus möglicherweise frühzeitig ein Ungleichgewicht im Kohlenstoffkreislauf und einen außer Kontrolle geratenen Treibhausprozess ausgelöst hat, weil sie näher an der Sonne war und eine etwas geringere anfängliche Wassermenge hatte. Da sich weiterhin Kohlendioxid in der Atmosphäre ansammelt und die Temperatur allmählich ansteigt, geht schließlich eine große Menge Wasser verloren und Leben, sofern es einmal existierte, verliert seinen Lebensraum.
In den kommenden Jahren werden voraussichtlich mehrere Missionen zur Venus dieses „Schwesterplaneten-Rätsel“ lösen und wichtige Schlussfolgerungen des oben erwähnten Kohlenstoffkreislaufmodells testen. White-Giannella glaubt, dass, obwohl es für Menschen fast unmöglich ist, in absehbarer Zeit auf der Oberfläche eines echten Exoplaneten zu landen, die Venus – „das nächste Analogon erdähnlicher Exoplaneten“ – ein einzigartiges Fenster bietet.
Das Forschungsteam geht davon aus, dass die Daten dieser Missionen dazu beitragen werden, den theoretischen Rahmen des Ungleichgewichts des Kohlenstoffkreislaufs auf trockenen Planeten zu überprüfen und zur Interpretation der atmosphärischen Eigenschaften und Entwicklungsstadien entfernter Exoplaneten verwendet werden. Krissanson-Totten stellte fest, dass diese Forschung wichtige Auswirkungen darauf hat, wie wir den „realen Bestand“ potenziell bewohnbarer Planeten im Universum beurteilen. Viele Ziele, die einst grob als „bewohnbare Kandidaten“ eingestuft wurden, werden wahrscheinlich nach strengeren Kriterien für Wassergehalt und Kohlenstoffkreislauf neu klassifiziert.