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Ungewöhnlicher Schutzschirm

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 17.06.2010 16:31

Eines der vertracktesten Probleme im Zusammenhang mit der frühen Erde ist das sogenannte Paradoxon der schwachen jungen Sonne. Wie, so lautet es, kann eine Sonne, die um 30 Prozent schwächer war als heute, die gleichermaßen junge Erde auf lebensfreundliche Temperaturen aufgeheizt haben: sprich - in den Bereich von Temperaturen, bei denen Wasser flüssig ist. Zwei Atmosphärenphysiker aus den USA haben jetzt in "Science" eine interessante Hypothese vorgestellt und machten dafür Anleihen beim Saturnmond Titan.

ErdeWie konnte die Erde so warm werden wie heute, vielleicht sogar wärmer, wenn die junge Sonne viel schwächer war als heute", umreißt Brian Toon von der University of Colorado in Boulder das als "Paradoxon der frühen schwachen Sonne" bekannte Rätsel: Hauptreihensterne wie die Sonne geben im Laufe ihres Lebens immer mehr Strahlungsenergie ab, und diese Energie ist die Lebensgrundlage für alles auf der Erde. Vor rund drei Milliarden Jahren war die Sonne rund 30 Prozent schwächer als heute und hätte so die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde auf rund Minus 30 Grad Celsius gebracht. Da es aber Indizien für lebensfreundliche Bedingungen und flüssiges Wasser in großer Zahl gibt, und das praktisch seit der frühesten Kindheit des Planeten, muss noch ein zusätzlicher Faktor die Temperaturen an der Oberfläche angehoben haben. 

Bei der Suche nach der Lösung verhalf der in rund 1,2 bis 1,4 Milliarden Kilometern Entfernung um den Saturn kreisende Mond Titan Professor Brian Toon und seinem Doktoranden Eric Wolf von der Universität von Colorado in Boulder zu einer Eingebung. Die orangefarbene Titanatmosphäre ist reich an organischen Partikeln - und wenn es die auch in der Lufthülle um die junge Erde gegeben hat, böten sie einen hervorragenden Schutzschild vor den schädlichen UV-Strahlen der Sonne - und durch diesen Sonnenschutz könnten die Partikel auch dazu beigetragen haben, die Erde zu wärmen.

Heutzutage sorgen Wasserdampf, Kohlendioxid und anderen Gase in der Atmosphäre für einen Treibhauseffekt von rund 33 Grad und hieven so die globale Mitteltemperatur auf rund 14 Grad Celsius. Die Situation auf der jungen Erde war eine komplett andere: Weil die Sonneneinstrahlung viel schwächer war als heute, musste der notwendige Treibhauseffekt noch einmal um 20 Grad stärker sein. Und das Ganze musste auch noch in einer komplett anderen Atmosphäre wirken. Neben dem Hauptbestandteil Stickstoff gab es vermutlich viel mehr Kohlendioxid, dafür aber keinen Sauerstoff. Der Aufheizeffekt des Kohlendioxid könnte durch andere Treibhausgase gestärkt werden, Kandidaten dafür wären Methan oder das ebenfalls sehr stark wärmende Ammoniak, wovon man gar nicht soviel bräuchte, um einen Treibhauseffekt von mehr als 50 Grad zu erzielen. Diese Idee wird seit den 70er Jahren von den Experten für die frühe Erde diskutiert, seit Carl Sagan sie in der Zeitschrift "Science" vorstellte. "Aber Ammoniak wird sehr schnell durch UV-Strahlung zerlegt", nennt Eric Wolf den großen Haken dieser Theorie, "und die frühe Erde hatte keine Ozonschicht, die heute die UV-Strahlung abhält."

Polarwirbel auf dem TitanAlso brauchte die Erde eine Alternative. Und hier kommt die Titan-Analogie zum Tragen: "Titan zeigt, dass - wenn man Stickstoff und Methan in der Atmosphäre hat -  eine interessante Chemie abläuft", erklärt Brian Toon. Unter der harten UV-Strahlung bilden sich in photochemischen Reaktionen Kohlenwasserstoffe, die sich erst zu winzigen Kugeln und dann zu fraktalen Gebilden zusammenlagern. "Rund um die Erde bildeten sich Schleier aus diesen Kohlenwasserstoffen", so Wolf. Das ist keine neue Idee, neu ist allerdings, dass die Kohlenwasserstoffe nicht nur Kugeln sondern lose Strukturen wie die bekannten Mandelbrot-Männchen bilden. Diese Weiterentwicklung ist zentral, denn die kugelförmigen Kohlenwasserstoffe wirken stark abkühlend auf die Erdatmosphäre. "So aber würden die Moleküle einen hervorragenden UV-Schutz bilden", erläutert Eric Wolf die Ergebnisse seiner Studien, "und gleichzeitig ziemlich durchlässig für sichtbares Licht sein."

"Die Idee mit den fraktalen Kohlenwasserstoffen ist brillant und eröffnet eine Menge neuer Möglichkeiten", zollt Jim Kasting Beifall, ein weltweit führender Experte für die Atmosphäre der jungen Erde. Allerdings weisen sowohl Kasting, als auch Brian Toon und Eric Wolf darauf hin, dass das Ganze auf der Erde erst funktioniert, nachdem das Leben entstanden ist und die Evolution  methanproduzierende Bakterien „erfunden“ hat. Der Vulkanismus hat nach derzeitigem Wissensstand niemals in der Erdgeschichte bedeutende Mengen an Methan in die Luft geschleust. Diese abiotische Quelle wäre also viel zu klein.

Damit entfällt wohl auch ein anderer Effekt: Weder der Ursprung des Lebens noch seine frühe Entwicklung liefen unter einem Sonnenschirm ab. Sie müssen mit der harten UV-Strahlung anders fertig geworden sein. Denn UV-Strahlung ist etwas, was kein Lebewesen, egal ob Ein- oder Vielzeller, aushält. "Es ist ganz klar ein Szenario nach der Entstehung des Lebens", so Kasting. Die Frage bleibt daher, was schützte die ersten Organismen auf der frühen Erde.

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