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Niederlande oder Spanien: Wer wird Fußballweltmeister 2010

Die beiden Mathematiker Dr. Javier López Peña und Dr. Hugo Touchette an der Queen-Mary University of London haben eine Methode entwickelt, den Ausgang von Fußballspielen (relativ)zuverlässig vorherzusagen. Ausgangspunkt der mathematischen Analyse, die auf der Graphentheorie beruht, ist die Frage, wie gut die jeweilige Mannschaft als Netzwerk funktioniert. Das wiederum läßt sich an der Zahl der Pässe ablesen, die sich die Fußballer untereinander zuspielen. Um damit rechnen zu können, wird  jedem Spieler der Parameter „Centrality“  (Zentralität) ermittelt, der anhand der gespielten und zugespielten Pässe beschreibt, wie gut der Spieler in das mannschaftliche Netzwerk eingebunden ist.
 
Mit ihrer mathematischen Analysemethode können Peña und  Touchette beispielsweise erklären, warum Deutschland im Achtelfinale gegen England gewonnen hat. Ein Blick auf die Spielnetzwerke beider Mannschaften gibt die entscheidende Hinweise:

Die Spielnetzwerke der deutschen (links) und der englischen Mannschaft (rechts) Quelle: http://www.maths.qmul.ac.uk/  Die Engländer hatten ein gut organisiertes Mittelfeld um die Spieler Frank Lampard (Nr.8), Steven Gerrard (Nr.4) und Gareth Barry (14). Lampard schoß übrigens das zweite, zu Unrecht nicht anerkannte Tor der Engländer. Der Ball war eindeutig hinter der Linie gewesen, das sahen selbst viele Zuschauer auf der Tribüne, der Schiedsrichter sah es aber nicht! Allerdings haperte es in der englischen Mannschaft am Zusammenspiel zwischen Mittelfeld und Sturm, denn ihr Offensivspiel war zu einseitig auf ihren Stürmerstar Wayne Rooney (Nr.10) am linken Flügel ausgerichtet. Wie man in der Netzwerkgrafik klar erkennt, wurden beinahe alle Pässe auf ihn gespielt. Sein Kollege Jermain Defoe (Nr.19) ging dagegen nahezu leer aus. Er blieb vom spielerischen Netzwerk der Mannschaft isoliert. Das englische Angriffsspiel war somit für die Deutschen leicht ausrechenbar. Es genügte Rooney auszuschalten, und das englische Offensivspiel war vollständig blockiert.

Fußballfeld  Quelle: Wikipedia

Auf deutscher Seite wurden insgesamt auffällig mehr Pässe gespielt als bei den Engländern, alles „flutschte“ einfach besser. Die Angriffe der deutschen Mannschaft wurden von den Verteidigern Philipp Lahm (Nr.16, Kapitän der Mannschaft) und Per Mertesacker (Nr.17), manchmal aber von Arne Friedrich (Nr.3) eingeleitet. Dann lief es meistens weiter über die Drehscheibe im deutschen Spiel, den Mittelfeldspieler Bastian Schweinsteiger (Nr.7), der dann entweder Lukas Poldolski (Nr.10) auf dem linken oder Thomas Müller (Nr.13) auf dem rechten Flügel anspielte. Alternativ wurde auch Mesut Oezil (Nr.8) dazwischengeschaltet. Dieser sorgte für einen schnellen Wechsel des Angriffsspiels von links nach rechts und umgekehrt. Die Deutschen hatten im Gegensatz zu den Engländern eine Sturmspitze, Miroslaw Klose (Nr.11), die immer wieder für Überraschungen gut war und wichtige Tore erzielte. 

Entscheidend für den Sieg Deutschlands war also die häufigeren Pässe und das effektivere, schwerer ausrechenbare Anfgriffsspiel, das sowohl über den linken und rechten Flügel, als auch durch die Mitte vorgetragen wurde.

Doch Deutschland ist im Halbfinale gegen Spanien ausgeschieden, das nun im Endspiel gegen die Niederlande steht. Wer von beiden wird gewinnen und Fußballweltmeister 2010? Die Antwort liefert möglicherweise wiederum ein Vergleich der Spielnetzwerke beider Fußballmannschaften…

Die Spielnetzwerke der niederländischen (links) und der spanischen Mannschaft (rechts) Quelle: http://www.maths.qmul.ac.uk/

… und da verschlägt es einem den Atem! Ein so gut ausbalanciertes und eng gewobenes Spielnetzwerk haben wir bisher noch nicht gesehen. Die Spanier zeigen das komplizierteste und effektivste Zusammenspiel aller an der Weltmeisterschaft teilnehmenden Mannschaften. Sie spielen doppelt so viele Pässe wie die Niederländer und immerhin noch 40% mehr als die so beeindruckenden Deutschen. Entsprechend schwer ausrechenbar ist das spanische Spiel.

Entscheidend für die Stärke der spanischen Mannschaft ist das Spiel im Mittelfeld mit Sergio Busquets (Nr.16), Xavi (Nr.8), Xabi Alonso (Nr.14) und Andres Iniesta (Nr.6). Sie kontrollieren das Spiel durch ihr ausgeklügeltes Kurzpaßspiel und gewinnen auch die meisten Zweikämpfe. Der Sturm ist gut an das Mittelfeld angebunden. Herausragend ist David Villa (Nr.7), der während der Weltmeisterschaft im Durchschnitt 37 Pässe pro Spiel zugespielt bekam, deutlich mehr als alle anderen Stürmer im Tunier. Auch die Verteidiger Joan Capdevilla (Nr.11) und Sergio Ramos (Nr.15) schalten sich oft in das Angriffsspiel ein, erkennbar an ihrem recht häufigen direkten Zusammenspiel mit den Stürmern.

Das Spielnetzwerk der Niederlande ist vergleichsweise schwach entwickelt und insgesamt schlecht ausbalanciert. Das Spiel in Mittelfeld und Sturm ist auf nur wenige Spieler wie Dirk Kuyt (Nr.7) and Wesley Sneijder (Nr.10) konzentriert. Andererseits ist sogar ein Mittelfeldspieler wie Demy de Zeeuw (Nr.14) praktisch überhaupt nicht am Spielgeschehen beteiligt. Es ist daher leicht das niederländische Spiel zu zerstören. Gegnerische Mannschaften brauchen sich nur auf die wenigen aktiven Spieler der Niederlande zu konzentrieren. Die Stärke des niederländischen Spiels liegt auf der linken Seite. Wenige, hauptsächlich offensiv ausgerichtete Pässe, das ist typisch für ein schnelles Konterspiel auf der Basis einer gesicherten Verteidigung. Häufig werden die Tore auch nach Standardsituationen erzielt. Bei Eckbällen oder Freistößen, da sind die Niederlande gefährlich.

Die beiden Mathematiker Dr. Javier López Peña und Dr. Hugo Touchette prognostizieren – wir können es uns inzwischen schon denken – einen Sieg der spanischen Mannschaft. Ob es tatsächlich so kommt, schon bald werden wir es mit eigenen Augen sehen. Anpfiff: 11 Juli 2010, 20:30 Uhr (unsere Zeit) in Johannesburg, Südafrika. 

Quelle: Queen Mary University of London

Jens Christian Heuer

Interessante Links: Weltfußballverband (FIFA), Deutscher Fußball Bund (DFB) 

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Der Marsmeteorit ALH 84001

6. Dezember 2009 2 Kommentare

ALH 84001

Vor 13 Jahren, im August 1996, machte ein kleiner Meteorit vom Mars weltweit Schlagzeilen. Ein Wissenschaftlerteam der NASA, darunter der Geologe, Geochemiker und Astrobiologe David S. McKay, die Geologen Everett K.Gibson und Christopher S.Romanek, die Biochemikerin Kathie L. Thomas-Keprta und dem Physikochemiker Richard N.Zare, ein Experte für Laser-Chemie (Analyse von Substanzen auf molekularer Ebene mit Lasersatrahlen) gab nach einer näheren Untersuchung des etwa 2kg schweren Gesteinsbrocken auf einer Pressekonferenz bekannt, sie hätten mehrere, recht eindeutige Hinweise auf ehemaliges bakterielles Leben gefunden. Damit war die Sensation perfekt. Zum ersten Mal direkte Anhaltspunkte für Leben außerhalb der Erde!

Der Mars. Quelle: Hubble-Teleskop, NASA

Der kleine Meteorit mit der wissenschaftlichen Bezeichnung ALH 84001 war schon Ende 1984 im Rahmen einer Expedition in die südliche Ostantarktis auf dem Alan Hills Eisfeld entdeckt worden. ALH steht für Alan Hills, 84 für das Entdeckungsjahr 1984 und 001 bedeutet, daß der Meteorit der erste auf der Liste der in diesem Jahr auf dem antarktischen Alan Hills Eisfeld gefundenen Meteoriten war. Auf schneebedeckten Eisfeldern wie Alan Hills lassen sich Meteoriten natürlich besonders leicht entdecken.

Der Marsmeteorit ALH 84001. Quelle: NASA

Durch beim Eintritt in die Erdatmosphäre entwickelnde Reibungswärme ist ALH 84001 wie alle Meteoriten von einer glasartigen Schmelzkruste überzogen.

Herkunft und Lebensgeschichte

Erst 1993 stellte sich heraus das ALH 84001 vom Mars stammt.Das gelang durch eine genaue Untersuchung der Isotopenzahlen in dem Gesteinsbrocken. Die Isotopenzahlen der verschiedenen Elemente variieren im Weltall von Ort zu Ort, unterscheiden sich also bei Gesteinen, welche beispielsweise von der Erde, vom Mond, von verschiedenen Asteroiden, Kometem oder vom Mars stammen. Es stellte sich nun heraus, daß ALH 84001 die für den Mars typischen Isotopenzahlen besaß. Darüber hinaus fand man Gaseinschlüsse mit der Isotopenzusammensetzung der Marsatmosphäre. Die Isotopenzahlen des Mars kannte man wiederum aus Untersuchungen der beiden amerikanischen Viking-Sonden, die 1976 weich auf dem Mars landeten.

Die Analyse der Isotope war auch der Schlüssel, um das Alter des Marsmeteoriten ALH 84001 zu ermitteln und seinen „Lebensweg“ zu rekonstruieren.Dabei sieht man sich die radioaktiven Isotope näher an, welche (als Elternisotope) mit unterschiedlichen Halbwertszeiten (in Tochterisotope) zerfallen. Für die Langzeitdatierung eigenen sich insbesondere Rubidium-87, das zu Strontium-87 und Kalium-40, das zu Argon-40 (ein flüchtiges Edelgas) zerfällt. Das Verhältnis zwischen den jeweiligen Eltern- und Tochterisotopen erlaubt eine recht genaue Altersbestimmung. Mit Rubidium-87/Strontium-87 ergab sich ein Alter von 4,5 Milliarden, mit Kalium-40/Argon-40 dagegen nur ein Alter von 4 Milliarden Jahren. Daraus folgerte man, daß sich das Gestein des Meteoriten ALH 84001 vor 4,5 Milliarden Jahren gebildet hatte, aber vor 4 Milliarden Jahren noch einmal aufgeschmolzen wurde. Dabei war alles bisher gebildete Argon-40 ausgegast und so die Kalium-40/Argon-40 Uhr wieder auf Null gestellt, d.h. es gab zu diesem Zeitpunkt nur noch Elternisotope (Kalium-40), aber keine Tochterisotope (Argon-40) mehr!

Vor 15 Millionen Jahren wurde ALH 84001 durch den Einschag eines Asteroiden vom Mars weggesprengt und umkreiste seitdem die Sonne bis er schließlich vor 13000 Jahren von der Erde eingefangen wurde und über der Antarktis abstürzte. Im freien Weltraum war ALH 84001 ungeschützt der kosmischen Partikelstrahlung ausgesetzt. Unter dem Beschuß dieser schnellen Partikel (Protonen, Heliumkerne, weitere vollständig ionisierte Atomkerne und Elektronen) bilden sich im Gestein neue radioaktive Isotope und später auch ihre Zerfallsprodukte, aus deren Anzahl sich die Dauer des Weltraumaufenthalts bestimmen lässt.

Carbonate

Der Marsmeteorit ALH 84001 besteht zwar vor allem aus Orthopyroxen, einem Magnesium-Eisen-Silikatgestein, enthält aber mit 1% der Gesamtmasse auch einen erstaunlich hohen Carbonatanteil, der von außen nach innen zunimmt. Das spricht übrigens auch eindeutig gegen eine nachträgliche Kontamination auf der Erde. ALH 84001 ist förmlich von Carbonaten durchsetzt, die sich als winzige Kügelchen (0,025-0,25mm Durchmesser), gelegentlich auch als flache Scheibchen, in den im Meteoriten zahlreich vorhanden feinen Spalten abgelagert haben. Carbonate bilden sich auf der Erde fast immer unter Wasser und meistens aus den Schalen (auch einzelliger) Meeresorganismen, daneben aber auch anorganisch durch Ausfällung. Die meisten Carbonatkügelchen sind orangefarben, da sie eisenhaltige Mineralien enthalten (s.u.). Die Kügelchen haben einen schwarz-weissen Rand.In Gestalt und Struktur ähneln die Carbonatkügelchen bakteriell erzeugten Carbonatablagerungen auf der Erde.

Die Carbonateinschlüsse in ALH 84001. Quelle: Geochimica et Cosmochimica Acta Volume 73, Issue 21, 1 November 2009

Die Isotopenanalyse ergab ein Alter von 3,6 Milliarden Jahren. Zu dieser Zeit gab es viel Wasser auf dem Mars, Flüsse und Seen, ja sogar Ozeane. Die Marsatmosphäre war wesentlich dichter als heute, die Temperaturen deutlich höher (bis auf die Polarregionen meist über dem Gefrierpunkt) und der Planet besaß ein intaktes globales Magnetfeld, das die gefährliche kosmische Strahlung von der Oberfläche fernhielt. Kurzum der Mars war im Gegensatz zu heute eine lebensfreundliche Welt.

Magnetische Kristalle

Der schwarz-weisse Rand der Carbonatkügelchen enthält die magnetischen Mineralien Eisensulfid (Pyrrhotit, Greigit) und Eisenoxid (Magnetit).Es handelt sich um eindomänige magnetische Kristalle, die perlschnurartig aufgereiht erscheinen.

Magnetit kann entstehen, wenn eisenhaltiges, geschmolzenes Gestein abkühlt oder eisenhaltige Carbonate stark erhitzt werden (wobei CO2 entweicht) und die dann auskristallisierenden Eisenmineralien durch das Magnetfeld des Planeten magnetisiert werden. Aber es gibt zumindest auf der Erde auch (magnetotaktische) Bakterien, die enzymatisch magnetische Kristalle erzeugen und für die Orientierung am äußeren planetaren Magnetfeld nutzen. Die Magnetkristalle werden jeweils von einer Biomembran umhüllt. Jede Bakterienzelle enthält mehrere solcher Magnetosomen, die darin Ketten bilden wie Perlen auf einer Schnur (so.).

Magnetische Kristallkette in irdischen (magnetotaktischen) Bakterien (oben und mitte links) und im Marsmeteoriten ALH 84001 (unten). Quelle: NASA (verändert)

Typisch für die biologische Entstehung sind eindomänige, für die abiologische thermische Entstehung (s.o.)dagegen mehrdomänige magnetische Kristalle. Innerhalb einer magnetischen Domäne sind alle Elementarmagnete (magnetische Dipolmomente der Atome bzw.deren Hüllelektronen) parallel ausgerichtet.Ein mehrdomäniger Kristall enthält mehrere Bezirke unterschiedlicher magnetischer Ausrichtung. Die Magnetkristalle in den Carbonatkügelchen des Meteoriten waren eindomänig, was ja eher auf eine biologische Entstehungsweise hindeutet (s.o). Nur direkt unter der Kruste des Meteoriten fand man mehrdomänige Kristalle, denn hier wurde das Material beim Eintritt in die Erdatmosphäre stark erhitzt und aufgeschmolzen. Dabei zerfällt die einheitlichen Domänen in mehrere Bezirke mit unterschiedlicher Ausrichtung der Elementarmagnete, werden also mehrdomänig.

Die magnetische Kristalle in ALH 84001 sind in einer Kette angeordnet und eindomänig, ein deutlicher Hinweis auf einen biologischen Ursprung! Auch die ungewöhnliche Verteilung der magnetischen Kristalle, die sich im äusseren Rand konzentrieren, aber kaum im Inneren der Carbonatkügelchen vorkommen, spricht dafür.

Die neuesten Untersuchungen im Jahre 2009 zeigen zudem, daß die Magnetkristalle in ALH 84001 keinerlei Verunreinigungen enthalten, was (nach derzeitigem Kenntnisstand) nur mit einer biologischen Entstehungsweise zu erklären ist. 

Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe

Die Carbonatkügelchen enthalten auch organische Substanzen, vor allem Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAH), aber auch Aminosäuren und zwar immer in direkter Nachbarschaft zu den magnetischen Kristallen.PAHs, die aus mehreren miteinander verbundenen aromatischen Ringsystemen bestehen, bilden sich bei der Zersetzung oder unvollständigen Verbrennung (Pyrolyse) von organischem Material. Es könnte sich hier also um die Überreste von (magnetotaktischen) Bakterien handeln. Diese Erklärung liegt nahe, wenn man bedenkt, daß die räumliche Verteilung der PAHs in den Carbonatkügelchen ziemlich genau mit derjenigen der magnetischen Kristalle übereinstimmt.

PAHs findet man allerdings auch in kohlenstoffhaltigen Meteoriten, Kometen und interstellaren Wolken, feinen Gas- und Staubschleiern zwischen den Sternen, wo sie (wahrscheinlich) anorganisch entstehen.

Die PAHs in ALH 84001 wurden in einer Vakuumkammer ohne jeden unmittelbaren Kontakt laserchemisch analysiert. Mit einem Infrarotlaser wurde von einer mit dem Mikroskop sorgfältig ausgewählten Stelle etwas Material abgesprengt. Direkt danach wurde ein ultravioletter Laserstrahl auf die Materiewolke abgefeuert und dadurch einige Moleküle ionisiert. Durch die Wahl der Ultraviolettfrequenz des Lasers konnte man die zu ionisierende Molekülklasse bestimmen. Durch ein elektisches Feld wurden die unterschiedlichen schweren ionisierten Molkeküle einer Klasse unterschiedlich stark beschleunigt. Auf diese Weise konnte man die Häufigkeitsverteilung innerhalb der zu untersuchenden Molekülklasse bestimmen (Massenspektroskopie).Die meisten PAHs in AL 84001 enthielten nur zwei, drei oder vier Benzolringe und einige wenige auch noch Kohlenwasserstoffseitenketten.Im Gegensatz dazu ist das Verteilungsmuster der PAHs, wie sie auf der Erde in Kohle,Erdöl und industriellen Abgasen vorkommen wesentlich komplexer.Auch Seitenketten sind hier häufiger.Das einfache Verteilungsmuster der PAHs in AL 84001 ist so, wie man es bei der Zersetzung von Bakterien erwarten würde.Es unterscheidet sich auch deutlich von dem Verteilungsmuster in interstellarer Materie und Kometen.

Das Verteilungsmuster der PAH im Marsmeteoriten ALH 84001 ist einfach, wie man es auch bei zersetzten Bakterien erwarten würde. Es überwiegen PAHs mit zwei, drei oder vier aromatischen Ringsystemen. Die Konzentration der PAHs nimmt von außen nach innen zu. Bei einer Kontamination auf der Erde wäre es genau umgekehrt. Quelle:  Science 16 August 1996: Vol. 273. no. 5277, pp. 924 – 930 (und http://www.daviddarling.info/).

Die Konzentration der PAHs nimmt im Marsmeteoriten ALH 84001 von außen nach innen zu.Zusammen mit dem andersartigen Verteilungsmuster spricht das eindeutig gegen eine äußere Kontamination auf der Erde.

Fossilien

Die für den Uneingeweihten beeindruckensten Hinweise auf mögliches außerirdisches Leben fanden die Wissenschaftler mit dem Elektronenmikroskop in Form von Strukturen auf der Oberfäche der Carbonatkügelchen, die an versteinerte Überreste (Fossilien) von Bakterien erinnern, wie man sie auch in irdischem Gestein gefunden hat. Es sind mehr oder weniger längliche, ovale, teilweise auch segmentierte Strukturen. Oftmals treten sie auch in grösseren Anhäufungen auf, wobei es sich um ehemalige Bakterienkolonien handeln könnte.

Mögliches Bakterienfossil in ALH 84001 mit segmentierter Struktur. Quelle: NASA Johnson Space Center

Die Strukturen sind aber deutlich kleiner als gewöhnliche Bakterien auf der Erde.Kritiker bezweifelten daher, daß der Platz für die biochemische Maschinerie einer Zelle überhaupt reicht.

Mögliche Bakterienkolonie in ALH 84001. Quelle: NASA Johnson Space Center

Allerdings wurden inzwischen auch in irdischem Gestein winzige Bakterien, die sogenannten Nanobakterien gefunden, die in Größe und Aussehen den möglichen Bakterien vom Mars ähneln.

Kugelförmige Mikrofossilien im Nakhla-Marsmeteoriten. Quelle: Johnson Space Center

Inzwischen fanden die Wissenschaftler auch in einem weiteren Marsmeteoriten, dem im Jahre 1911 in Ägypten niedergegangenen, 1,2 Milliarden Jahre alten Nakhla-Meteoriten mögliche fossile Spuren.Genauere Untersuchungen laufen.

Leben auf dem Mars heute?

Vor einiger Zeit entdeckten der europäische Marsorbiter „Mars Express“ und dann auch erdgestützte Teleskope konnten zur allgemeinen Überraschung sowohl mittels , als auch durch den europäischen Marssatelliten „Mars Express“ Spuren von Methan in der Marsatmosphäre. Eine Riesenüberraschung, denn Methan ist sehr instabiles Gas, das unter Marsbedingungen schon innerhalb nur weniger Marsjahre abgebaut wird (http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2008/11/mars-science-la.html). Es muß also natürliche Quellen geben, die ständig Methan nachliefern.Infrage kommen aktive Vulkane in größerem Umfang oder methanproduzierende Mikroorganismen (methanogene Bakterien). In der Marsatmosphäre wurden aber keine messbaren Mengen an Schwefeldioxid gefunden, was man bei aktiven Vulkanen eigentlich erwarten würde. Interessanterweise ist das Methan auch nicht gleichmäßig in der Marsatmosphäre verteilt, sondern es gibt eindeutig auszumachende Quellen, wo erhöhte Konzentrationen gemessen werden. Dort wo die Marsatmosphäre viel Methan enthält, gibt es gleichzeitig auch relativ viel Wasserdampf, der aus ausgedehnten Eisfeldern unter der Planetenoberfläche stammt (http://www.esa.int/esaCP/SEMAK21XDYD_index_0.html)! Könnte das ein Hinweis auf methanproduzierende Bakterien sein, die unter dem Eis recht annehmbare Lebensbedingungen vorfinden?

Fazit

Der Marsmeteorit ALH 84001 weist drei Besonderheiten auf, die in ihren Zusammentreffen auf engstem Raum eigentlich nur den Schluß zulassen, daß es zumindestens früher auf dem Mars mikrobielles Leben gab:

Der Meteorit ist mit Carbonatkügelchen durchsetzt, die sich in seinen zahlreichen Haarrissen abgelagert haben, als der Gesteinsbrocken auf dem Mars von Wasser umspült wurde. Die Carbonatkügelchen enthalten vor allem in ihrer äußeren Schicht magnetische Kristalle, welche in dieser Form (soweit bekannt) eigentlich nur durch Bakterien produziert sein können, um sich mit Hilfe des globalen planetaren Magnetfeldes zu orientieren (magnetotaktische Bakterien).

Die Carbonatkügelchen enthalten Polycyclische Aromatische Kohlenwasserstoffe (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAH), welche möglicherweise beim Zerfall von Bakterien entstanden sind. Dafür ihr Verteilungsmuster und vor allem auch ihre räumliche Verteilung in den Carbonaten, die mit derjenigen der Magnetkristalle übereinstimmt.

Auf der Oberfläche der Carbonatkügelchen entdeckte man auf Elektronenmikroskopaufnahmen Strukturen, die an fossilierte Bakterien erinnern und teilweise auch in Kolonien vorkommen.Dabei könnte es sich um Nanobakterien handeln. 

Es sieht tatsächlich so aus, als ob der Marsmeteorit die konkretesten Hinweise auf außerirdisches Leben enthält, die jemals gefunden wurden!

Jens Christian Heuer

Quellen: 1)“Search for Past Life on Mars: Possible Relic Biogenic Activity in Martian Meteorite ALH84001″David S. McKay, Everett K. Gibson Jr., Kathie L. Thomas-Keprta, Hojatollah Vali, Christopher S. Romanek, Simon J. Clemett, Xavier D. F. Chillier, Claude R. Maechling, Richard N. Zare; Science 16 August 1996: Vol. 273. no. 5277, pp. 924 – 930 2)“Origins of magnetite nanocrystals in Martian meteorite ALH84001″ Kathie L. Thomas-Keprta, Simon J. Clemett,David S. McKay, Susan.J.Wentworth; Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 73, iss. 21, p. 6631-6677. 3)“Life on Mars: New evidence from Martian Meteorites“ David S. McKay, Kathie L. Thomas-Keprta, Simon J. Clemett, Lauren Spencer, Susan.J.Wentworth; Proc.of Spie Vol.7741 744102-1 4)“Die Jagd nach Leben auf dem Mars“ Dr. Donald Goldsmith Scherz-Verlag 1996 5)NASA Johnson Space Center(http://www.nasa.gov/centers/johnson/news/releases/) 6)Wikipedia

Kategorien:Wissenswertes

Telegramm 23: Gewitterstürme auf dem Saturn

Auf dem Ringplaneten Saturn wurden von der NASA-Sonde Cassini langanhaltende Gewitterstürme fotografiert:

Die Gaia-Theorie des James Lovelock

12. September 2009 3 Kommentare

Die Entdeckung

Anfang der 1960er Jahre nahm der englische Wissenschaftler James Ephraim Lovelock an einem Projekt des Jet Proplsion Laboratory (Pasadena, California)der NASA zur Suche nach Leben auf dem Mars teil. Lovelock, ein begabter Erfinder hatte die Aufgabe Instrumente zum Nachweis von Leben für eine geplante unbemannte Marssonde zu entwickeln. Da Leben auf dem Mars sich durchaus vollkommen von irdischem Leben unterscheiden könnte, hielt es Lovelock für sinnvoll, nach möglichst allgeneinen Eigenschaften des Lebens bzw. deren Auswirkungen zu suchen: Leben nimmt unter Energieverbrauch notwendige Stoffe aus seiner Umgebung auf und scheidet Abfallstoffe wieder aus.  Dabei wird zwangsläufig auch die Atmosphäre des betreffenden Planeten verändert. Man müsste demzufolge, allein schon durch eine spektroskopische Untersuchung der Marsatmosphäre, Hinweise auf mögliches Leben finden können, auch ohne Raumschiff mit Instrumenten von der Erde aus.

James_Lovelock_Sandy_Lovelock

James Ephraim Lovelock (geb.1919) Quelle: http://www.ecolo.org/

James Lovelock und seine Kollegin Diane Hitchcock begannen mit der Analyse der chemischen Zusammensetzung der Marsatmosphäre und verglichen sie mit derjenigen der Erde, die ja nun ohne Zweifel ein belebter Planet ist. 

Dabei entdeckten sie einen interessanten Unterschied: Die Atmosphäre des Mars bestand, wie die des anderen, inneren Nachbarplaneten Venus hauptsächlich (zu 95%) aus Kohlendioxid (CO2).Daneben gab es noch etwas Stickstoff (N2, 2,7%), Spuren von Sauerstoff (O2, 0,13%) und das Edelgas Argon (Ar, 1,6%). Ganz anders als auf der Erde, deren Atmosphäre als Hauptbestandteil Stickstoff (N2, 78%), grosse Mengen Sauerstoff (O2, 21%); Argon (Ar, 1%) und in deutlichen Spuren Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) enthält. 

Mars Hubble cyclone

Mars ist ein Wüstenplanet, verfügt aber auch über grössere Wasser(eis)vorkommen. Auf der Nordhalbkugel sieht man einen Wirbelsturm, ähnlich den Hurrikanen auf der Erde. Quelle: Hubble, NASA

Während sich die Marsatmosphäre danach praktisch im chemischen Gleichgewicht  befand, gab es in der Erdatmosphäre Gase, die leicht miteinander chemisch reagieren können, wie etwa Sauerstoff und Methan und das auch noch in beachtlichen Mengen. Um eine gleichbleibende Konzentration dieser Gase in der Atmosphäre aufrecht zu erhalten, musste es eine aktive Quelle geben, welche ständig die durch chemische Reaktionen verbrauchten Gase nachlieferte. Diese Quelle ist eindeutig das Leben auf der Erde schloss Lovelock.

Gaia, der lebendige Planet

Das Leben auf der Erde hat vor mindestens 3,5 Milliarden begonnen, wie Mikrofossilien in den ältesten auffindbaren Gesteinen belegen und in dieser Zeit die Zusammensetzung der Atmosphäre tiefgreifend verändert.   

Earth Gaia 1

Die Erde, Natural Color RGB: Diese Bilder werden in 3 Wellenlänenbereichen aufgenommen:rot, gün und blau. Vegetation erscheint grün, da das Chlorophyll der Pflanzen grün deutlich besser reflektiert als rot und blau. Wolken aus kleinen Wassertröpfchen reflektieren alle Wellenlängen und sind daher hellweiss,  Eiswolken  jedoch cyanblau, weil  Eis rotes Licht stark absorbiert. Der unbewachsene Boden erscheint braun, denn rot wird besser reflektiert als blaues. Die Ozeane absorbieren alle Wellenlängen und sind daher beinahe schwarz. Quelle: MeteoSat, EUMETSAT

Algen und später auch Landpflanzen entfernten durch Photosynthese (Umwandlung von Sonnenenergie in energiereiche organische Verbindungen unter Verwendung vonKohlendioxid und Wasser) Kohlendioxid (CO2) direkt aus der Atmosphäre und setzten Sauerstoff (O2) als Abfallprodukt frei. Wie Lovelock gemeinsam mit der amerikanischen Mikrobiologin Lynn Margulis herausfand, beschleunigen Bakterien und Landpflanzen bei ihrer Atmung (s.u.) die unter feuchten Bedingungen (Regenwasser mit gelöstem CO2, Kohlensäüre) stattfindende (natürliche) chemische Gesteinsverwitterung (um das 1000 fache!), indem sie Säuren freisetzen und das Kohlendioxid (CO2) am Boden konzentrieren. Die dabei gebildeten Carbonate (und Silikate) gelangen in Wasser gelöst in die Ozeane, wo sie in Kalkschalen von ein- und mehrzelligen Meeresorganismen eingebaut werden, um nach deren Tode bis auf weiteres am Meeresgrund abgelagert zu werden.Im Rahmen der Plattentektonik gelangen die Carbonate durch Subduktion (Untertauchen einer Erdkrustenplatte unter die andere) ins Erdinnere und werden aufgeschmolzen. Das dabei freigesetzte Kohlendioxid (CO2) löst sich im Magma. Über Vulkane und Sea-floor spreading(tektonischer Prozess bei dem durch aufsteigendes Magma Erdkrustenplatten auseinandergeschoben werden und gleichzeitig neuer Meeresboden entsteht) kehrt es später dann wieder in die Erdatmosphäre zurück. Der Kohlenstoffkreislauf ist damit geschlossen.

Es gibt auch Bakterien, die andere abgestorbene Organismen zerlegen und dabei aus den abgebauten organischen Verbindungen die Gase Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) freisetzen. Bei diesem Fäulnisprozess wird aber nicht der gesamte  Kohlenstoffs in gasförmiger Form in die Atmosphäre entlassen, sondern ein kleiner Teil in fester oder flüssiger Form deponiert und so dem Kohlenstoffkreislauf (vorerst) entzogen. Auf diese Weise entstanden auch die fossilen Brennstoffe Kohle und Erdöl. Zuweilen werden Methan und andere flüchtige Kohlenwasserstoffe auch als Erdgas unterirdisch mit eingeschlossen.

Das Leben gestaltet also aktiv die Zusammensetzung der Erdatmosphäre und bietet damit gleichzeitig die Voraussetzungen für mindestens drei Lebensweisen:

Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien, die unter Nutzung der Sonnenenergie aus Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) energiereiche organische Verbindungen herstellen und aus diesen durch Vergärung oder durch Atmung, also die kalte Verbrennung mit Sauerstoff (O2) die zum Leben notwendige Energie gewinnen;

Fäulnisbakterien (methanogene Bakterien), die unter Freisetzung von Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) durch Zersetzung organischer Verbindungen abgestorbenen Lebewesen Energie gewinnen und

Konsumenten (Tiere), die andere Lebewesen oder ihre Ausscheidungen fressen und die enthaltenen organischen Verbindungen durch Atmung verwerten (kalte Verbrennung mit Sauerstoff (O2)).

Gleichzeitig beeinflusst das Leben, indem es ganz wesentlich die Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmt, aber auch die Temperatur und sorgt dafür, dass sie im lebensfreundlichen Bereich bleibt.

Alles keine Selbstverstänlichkeit, denn es ist keinesfalls so, dass die Erde durch einen glücklichen Zufall von Anfang die Sonne in einem Abstand umrundete, so dass der Planet stets die richtige Strahlungsenergie bekam, um milde Temperaturen aufrecht zu erhalten, die dem Leben förderlich waren.

Ganz im Gegenteil, als das Leben vor mehr als 3,5 Milliarden Jahren begann (s.o.), war die Leuchtkraft der Sonne um beinahe 1/3  geringer als heute. Unter diesen Bedingungen hätte der Planet eigentlich komplett zugefroren sein müssen. Stattdessen tummelte sich aber schon das erste Leben in Form von Bakterien und Algen in flüssigen Ozeanen. Seitdem hat die Leuchtkraft der Sonne kontinuierlich zugenommen. Das ist ganz normal im Lebenslauf eines durchschnittlichen Sterns wie der Sonne. Durch die energieliefernden Kernfusionsprozesse im Sonneninneren werden Wasserstoffatomkerne fortlaufend in die schwereren Heliumatomkerne umgewandelt. Die Dichte im Sonnenkern nimmt zu, der sich daraufhin unter dem Einfluss der Schwerkraft langsam immer weiter zusammenzieht. Dabei steigen Kerntemperatur, Kernfusionsrate und infolgedessen auch die Leuchtkraft der Sonne.

Das die Erde in der Anfangszeit des Lebens wegen der schwachen Sonne nicht zugefroren war lag am überreichlich vorhandenen Kohlendioxid (CO2), das als Treibhausgas die Erde so warm hielt, dass Wasser in flüssiger Form auf der Oberfläche des Planeten existieren konnte. Hinzu kam später noch Methan (CH4), ein wesentlich stärkeres Treibhausgas als Kohlendioxid (CO2), das von den methanogenen Bakterien durch Zersetzung abgestorbenen Lebens freigesetzt wurde (s.o.). Methan (CH4) ersetzte bis zu einem gewissen Grade das Kohlendioxid ( CO2), welches durch die von Bakterien und Landpflanzen beschleunigte chemische Verwitterung aus der Atmosphäre entfernt wurde und verhinderte so eine zu starke Abkühlung der Erde durch den beschleunigten CO2-Schwund.

Bei der Photosynthese wurden grössere Mengen Sauerstoff (O2) frei, die jedoch zunächst (fast) vollständig durch reduzierende Substanzen (Wasserstoff (auch in organischen Verbindungen), Eisen u.a.m.) an der Erdoberfläche gebunden wurden. Später reicherte sich der Sauerstoff (O2) in der Atmosphäre an, wo es für das meiste Leben tödlich wirkte. Erst das Aufkommen sauerstoffatmender Pflanzen und der Konsumenten brachte Erleichterung. Diese waren in der Lage den Sauerstoff zur Energiegewinnung aus organischen Substanzen zu nutzen, was wesentlich effektiver ist als diese einfach nur zu vergären. bei der Atmung findet im Gegensatz zur Gärung ein vollständiger Abbau (bis zu Kohlendioxid und Wasser) statt, wobei mehr Energie frei wird. Die methanbildenden Bakterien, die überhaupt keinen Sauerstoff ( O2) vertrugen, zogen sich in sauerstofffreie Nischen im Untergrund zurück (z.B. Sümpfe). Später besiedelten sie auch die Därme von Tieren.

Dem Leben auf der Erde gelang  jedenfalls das Kunststück, immer soviel von den Treibhausgasen Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) aus der Atmosphäre zu entfernen, wie notwendig war, eine Überhitzung des Planetens durch die zunehmende Leuchtkraft der Sonne zu vermeiden. Eine mehr als bemerkenswerte Tatsache, die so zu erklären ist:

Wird es wärmer, so wachsen Algen, Bakterien und Landpflanzen besser. Durch gesteigerte Photosynthese der Algen und Landpflanzen wird mehr Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre „abgepumpt“. Wegen der erhöhten Wasserverdunstung fällt mehr (kohlensaurer)Regen, was zusammen mit der grösseren Aktivität von Bodenbakterien und Landpflanzen die chemische Verwitterung beschleunigt und so den CO2-Gehalt der Atmosphäre weiter verringert. Der Rückgang des Teibhausgases Kohlendioxid (CO2) bringt dann die Abkühlung. Dieser Mechanismus funktioniert natürlich auch umgekehrt.

Das Leben auf der Erde kontrolliert also die Atmosphäre, die Temperatur und damit auch das Klima. es sorgt dafür das der Planet trotz sich verändernder Sonneneinstrahlung bis heute lebensfreundlich blieb. Für James Lovelock bildet die Erde mit ihren Lebensformen eine Art Superorganismus, der sich selbst reguliert, um seine Weiterexistenz zu sichern. Lovelock  nannte diesen Superorganismus Erde „Gaia“, die lebendige Erde, so wie es ihm sein Nachbar und Freund, der Schriftsteller William Golding vorgeschlagen hatte, nach der griechischen Erdgöttin. Im Jahre 1979 machte Lovelock seine neue Gaia-Theorie mit dem Buch „Gaia: A New Look at Life on Earth“ einer breiten Öffentlichkeit bekannt.

Lovelock entdeckte später noch weitere Rückkopplungen, mit denen Gaia für lebensfreundliche Bedingungen sorgt.

Da wäre beispielsweise die Sache mit dem Salzgehalt der Ozeane.  Für Meeresorganismen ist das im Meereswasser gelöste Salz eine echte Herausforderung. Der Salzgehalt liegt bei knapp 3,5%. Damit kommen sie noch zurecht. Schon bei etwas über 4% würde allerdings die elektrische Ladung der gelöstenSalzionen den Zusammenhalt der Zellmembranen gefährden, welcher ebenfalls auf elektrischen Kräften beruht. Dasselbe gilt für die Funktionstüchtigkeit wichtiger Enzyme des Stoffwechsels. Bei einem noch höheren Salzgehalt würden (fast) alle Meereslebewesen absterben. Doch es hat zumindest während der letzten 500 Millionen Jahre niemals ein Massenaussterben wegen zuviel Salz gegeben. Stattdessen lag der Salzgehalt der Ozeane immer um die gut verträglichen 3,5%. Das ist schon erstaunlich, wenn man bedenkt das durch chemische Verwitterung und Sea-floor spreading ein ständiger Salzeintrag stattfindet. Auch hier ist wieder ein selbstregulierender Mechanismus am Werke.  Mikrorganismen des Meeres mit Schalen aus Kieselsäure nehmen über ihre Zelloberflächen in Wasser gelösten Salze auf, um nach ihrem Tode abzusinken und so die überschüssigen Salze so auf dem Meeresboden zu deponieren. Insgesamt stellen Mikroorganismen nur 10-40% der Biomasse in den Ozeanen, doch wegen ihrer grossen Oberfläche im Vergleich zum Volumen 70-90& der biologisch aktiven Oberflächen.

Um mit dem normalen Salzgehalt von 3,5% fertig zu werden, benutzen vor allem mehrzellige Meeresorganismen membranständige Pumpen mit denen sie eindingende Salzionen wieder aus ihren Zellen herausbefördern. Da dies energetisch sehr aufwendig ist, behelfen sich die einzelliegen Meeresalgen auf andere Weise.  Sie bilden Dimethylsulfonpropionat (DMSP), eine ionische Verbindung, deren Molekül eine positive und eine negative Ladung enthält, welche sich beide aber nach aussen hin neutralisieren. Daher ist DMSP für die Algen unschädlich. Indem sie  Salze durch DMSP ersetzen halten die Meeresalgen ihren Salzgehalt niedrig, denn DMSP verringert den osmotischen Druckgradienten zwischen Meerwasser und Zellinnerem. Sterben Meeresalgen ab, so wird DMSP freigesetzt und im Wasser bakteriell abgebaut. Dabei entsteht gasförmiges Dimethylsulfid (DMS). DMS gelangt an die Luft und wird durch den atmosphärischen Sauerstoff (O2) zu Sulfaten oxidiert. Diese ziehen als Sulfataerosole Wasser an und wirken dadurch  als Kondensationskeime für die Wolkenbildung . Dadurch bilden sich mehr Wolken mit kleineren Wassertröpfchen, die das Sonnenlicht verstärkt reflektieren und so direkt abkühlend wirken.

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Meeresalgen fördern die Wolkenbildung. Quelle: Wikipedia

Die intensivierte Wolkenbildung begünstigt darüber hinaus durch Freisetzung von mehr latenter Wärme die Entstehung von Tiefdruckwirbeln. Deren Winde durchmischen die oberen und unteren Wasserschichten und verbessern so wiederum die Mineral- und Nährstoffzufuhr für die Meeresalgen und andere Meeresorganismen.  

Daisyworld

Die Gaia-Theorie erweckte grosses Aufsehen in der Öffentlichkeit und löste kontroverse Debatten unter den interessierten Wissenschaftlern aus. Kritiker wandten ein, eine Selbstregualtion der Erde erfordere eine Absprache aller beteiligten Lebewesen, also absichtsvolles Handeln. Das sei ein absurder Gedanke, ein absoluter Widerspruch zur Darwinschen Evolution durch zufällige (genetische) Variationen, Anpassung und Selektion.

Um dieser Kritik zu begegnen entwickelte Lovelock das Daisyworld-Modell, um zu zeigen wie die Selbstregulation eines Planeten auch ohne bewusste Absicht seiner Bewohner funktionieren kann.

Daisyworld ist ein durch mathematische Gleichungen beschriebener Modellplanet, der in seinen Eigenschafte der Erde ähnelt. Allerdings existieren auf ihm nur zwei Lebensformen, helle und dunkle Gänseblümchen (Daisies). Die Gänseblümchen können nur in einem Temperaturbereich zwischen +5°C und +40°C überleben. Optimal sind 22°C. Der Planet umrundet einen durchschnittlichen Stern, dessen Leuchtkraft wie bei der Sonne allmälich zunimmt.

Die hellen Daisies reflektieren das Sonnenlicht und kühlen sich damit ab, die dunklen Daisies absorbieren das Sonnenlicht und halten sich damit warm. Das Wachstum beider Arten hängt von den herrschenden Temperaturverhältnissen, der Populationsdichte, dem noch vorhandenen unbewachsenen Flächen und der natürlichen Lebensdauer der Pflanzen ab. Lovelock benutzte dafür Gleichungen, die das Leben wirklicher Gänseblümchen (Daisies) angemessen beschreiben. Die Wachstumsrate der beiden Arten passen sich den jeweils herrschenden Verhältnissen an.

Zunächst ist der Planet zu kalt und es gab kein Leben. Ist die Leuchtkraft der Sonne hoch genug, um auf Daisyworld +5°C zu erreichen entwickeln sich in der Äquatorregion die ersten dunklen Daisies, die es verstehen sich ausreichend warm zu halten. Ist ihre Anzahl gross genug, so erwärmen sie durch ihre den gesamten Planeten, dessen Albedo abnimmt. Die hellen Daisies haben allerdings noch keine Chance. Mit zunehmender Leuchtkraft der Sonne und fortschreitender Erwärmung breitet sich die dunkle Variante in Richtung der Pole aus und bald erscheinen am Äquator auch die ersten hellen Daisies, die hier nach und nach wegen ihrer kühlenden Eigenschaften einen Vorteil bekommen. In den gemässigten Breiten mit optimaler Temperatur koexistieren helle und dunkle Daisies. Wird der Planet noch wärmer, so ziehen sich die dunklen Daisies in die Polregionen zurück, während die helle Variante den übrigen Planeten beherrscht, seine Albedo erhöht und ihn deshalb abkühlt. Über die gesamte Zeit, in der die gesamte Planetenoberfläche bewohnt ist, halten sich auch die Temperaturen in einem lebensverträglichen Bereich. Mit noch weiter fortschreitender Erwärmung wird die Äquatorregion von Daisyworld zu heiss und unbewohnbar. Es verbleiben die hellen Daisies die sich immer weiter in die Polregionen zurückweichen müssen. Schliesslich wird die Population der hellen Daisies so gering, dass sie den Planeten nicht mehr ausreichend kühlen können. Der gesamte Planet wird zu heiss und stirbt.

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Der Modellplanet Daisyworld mit Leben kann trotz zunehmender Leuchtkraft der Sonne über einen langen Zeitraum milde, lebensfreundliche Temperaturen aufrecht erhalten. Ohne Leben gelingt ihm das nicht.

Trotzdem gelingt es Daisyworld mit seinen hellen und dunklen Daisies über einen langen Zeitraum lebensfreundliche Temperaturen aufrecht zu erhalten, was ohne Leben niemals möglich wäre.

Das Daisyworld-Modell zeigte eindrücklich, dass prinzipiell ein lebendiger Planet selbst für lebensfreundliche Bedingungen sorgen kann, ganz ohne bewusste Absicht! Erst wenn die Leuchkraft der Sonne einen kritischen Wert überschreitet ist das System mit der Selbstregulation überfordert und bricht zusammen. Obwohl alle Lebewesen nur mit dem eigenen Überleben beschäftigt sind, dienen sie wie von einer Unsichtbaren Hand gelenkt dem Gesamtwohl des Planeten.

Auch realitätsnähere Varianten von Daisyworld in denen mehr Gänseblümchenarten vorkommen, aber auch Pflanzenfresser und Fleischfresser, welche sich wiederum von den Pflanzenfressern ernähren, funktionieren einwandfrei.

Gaia und Klimawandel

Die Gaia-Theorie ist auch für die laufende Diskussion über den menschengemachten Klimawandel durch die fortgesetzte Emission fossiler Brennstoffe von hohem Erkenntniswert.  Der Erde ist es vor allem durch das Abpumpen und des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre gelungen, einer Überhitzung infolge der immer weiter ansteigenden Leuchtkraft der Sonne zu entgehen. Und genau dieses Kohlendioxid (CO2) setzt die Menschheit jetzt wieder durch die Nutzung fossiler Brennstoffe im Rekordtempo frei. Das sollte eigentlich auch die Klimaskeptiker nachdenklich stimmen, die immer wieder behaupten, die Sonne bestimme (fast) allein das Klima und bei der Sache mit den Treibhausgasen handele es sich um ein Scheinproblem!

In den Abschätzungen des International Panel on Climate Change (IPCC,  http://www.ipcc.ch/) wird von einem allmälichen Temperaturanstieg bei zunehmender Treibhausgaskonzentration ausgegangen. Vergleicht man etwa die Projektionen des IPCC mit der seitdem tatsächlich stattgefundenen Entwicklung, so befinden wir uns derzeit nahe dem oberen Rand dieser Szenarien. das gilt nicht nur für die global gemittelte Temperatur, sondern auch für den globalen Meeresspiegelanstieg.

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Mit einem Klimamodell, das auf den Prinzipien von Daisyworld basiert, aber auch den entscheidenden Einfluss der Meeresalgen (Beeinflussung der Wolkenbildung) und Landpflanzen (Abpumpen des CO2) auf das Klima  mit einbezieht, fand Lovelock schon im Jahre 1994 heraus, dass sich der Klimawandel zu einer wärmeren Welt nicht langsam und gemächlich, sondern sehr abrupt vollziehen könnte.

Überschreiten die Wassertemperaturen der Ozeane einen kritischen Wert so nimmt die Dichte der oberen Schichten derart ab, dass sich eine stabile Schichtung ausbildet (Stratifizierung). Ein Austausch mit den mineral- und nährstoffreichen Schichten ist dann kaum mehr möglich. Die Meeresalgenpopulationen, die ja nur in den oberen Schichten existieren können, wo es hell genug für ihre Photosynthese ist, sterben zu grossen Teilen ab.

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In dem Klimamodell von Lovelock passierte nun folgendes: Bei einer atmosphärischen CO2-Konzentration von 500 ppm (parts per million) – heute sind es bereits 390 ppm(!)-  erreichten die Wassertemperaturen der Ozeane so hohe Werte, dass die meisten Meeresalgen starben und damit ihre klimaregulierenden, abkühlenden Fähigkeiten verloren. Die Wolkenbedeckung ging zurück, und es kam zu einem abrupten globalen Temperaturanstieg um 6°C ! Ein neues Gleichgewicht stellte sich ein, das auch bei einem weiteren CO2 Anstieg (vorerst) stabil blieb. Die Landpflanzen allein übernahmen nun die Hauptrolle bei der Regulation des Klimas. Ein globaler Temperaturanstieg von 6°C hätte natürlich katastrophale Folgen. Der Meeresspiegel würde vor allem durch das Abschmelzen des Festlandeises in Grönland und in der Westantarktis um mehrere Meter ansteigen und weltweit die meisten Hafenstädte früher oder später in den Fluten versinken.

 Doch Leben auf dem Mars?

Zur allgemeinen Überraschung fanden vor wenigen Jahren der europäische Marssatellit „Mars Express“ und später auch erdgebundene Teleskope beachtliche Mengen an Methan (CH4) in der Marsatmosphäre. Methan (CH4) ist, worauf  Lovelock während seiner Zeit bei der NASA ja bereits hingewiesen hatte, ein sehr reaktives Gas, das mit dem vorhandenen Sauerstoff binnen kurzen zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) reagiert. Es muss also natürliche Quellen geben, welche ständig Methan (CH4) nachliefern. Das Gas ist interessanterweise nicht gleichmässig in der Marsatmosphäre verteilt, sondern weist ein charakteristisches Muster erhöhter Konzentrationen auf: Genau dort wo es viel Methan(CH4) gibt, treten auch hohe Wasserdampfkonzentrationen und genau dort gibt es auch Wassereisvorkommen unter der Marsoberfläche (http://www.esa.int/esaCP/SEMAK21XDYD_index_0.html)! Es liegt nahe auf die Existenz methanogener Bakterien zu schliessen, die unter dem Eis vielleicht recht erträgliche Lebensbedingungen vorfinden.

Und noch etwas wurde womöglich bisher übersehen. Der Sauerstoffgehalt der Marsatmosphäre ist zwar nur gering, aber immerhin 30.000 mal höher als bei allen anderen Planeten unseres Sonnensystems ausser der Erde. Gibt es auch hier natürliche Quellen? Könnten es Algen sein, die ebenfalls unter schützendem Eis ihr Dasein fristen?

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 Algen in der Südpolarregionn des Mars? Quellen: NASA, ESA, Mars Astrobiology Group ( http://www.colbud.hu/esa/), verändert.

Wissenschaftler der ESA (European Space Agency) halten das für möglich. In den Dünenfeldern der Südpolarregion des Mars erscheinen und verschwinden mit dem Wechsel der Jahreszeiten dunkle Flecken, die so genannten “Dark Dune Spots”(DDS) Die Flecken tauchen zu Frühlingsbeginn auf, werden dann kräftiger (Maximum im späten Frühling), um mit dem beginnenden Sommer wieder zu verblassen. Die DDS werden vor allem auf der Südhalbkugel bis hinauf zu -60° SÜD angetroffen, genau dort, wo auch grössere Wassereisvorkommen gefunden wurden.

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So könnte der Lebenszyklus möglicherweise algenähnlicher Marsorganismen (Mars Surface Organism, MSO) aussehen. Quelle: http://www.colbud.hu/esa/

Das gleichzeitige Vorhandensein nennenswerter Mengen an Sauerstoff (O2) und Methan (CH4), zwei sehr reaktiver Gase darf nach der Gaia-Theorie als Indiz für Leben auf dem Mars gewertet werden. Allerdings würde es nur ein Leben auf Sparflamme sein, zu schwach, um den Planeten in Richtung lebensfreundlicher Bedingungen zu regulieren, vielleicht die Überreste einer einstigen Gaia auf dem Mars, deren gute Zeit schon vorüber ist.

Jens Christian Heuer

Bücher von James E. Lovelock: 1) Gaia: A New Look at Life on Earth; TB Oxford University Press  2) Ages of Gaia: A Biography of Our Living Earth; TB Oxford University Press (dt. Das Gaia- Prinzip. Die Biographie unseres Planeten.; Insel TB)  3)The Revenge of Gaia: Earth’s Climate Crisis & the Fate of Humanity; Basic Books (dt. Gaias Rache: Warum die Erde sich wehrt; TB Ullstein) 4)The Vanishing Face of Gaia: A Final Warning; Basic Books

Bisher kleinster Exoplanet entdeckt

Ein internationales Astronomenteam unter Leitung von Michel Mayor hat mit einem 3,6m Spiegelteleskop an der Europäischen Südsternwarte in La Silla, Chile den bisher kleinsten extrasolaren Planeten gefunden. Michel Mayor ist in der Exoplanetenforschung kein Unbekannter, denn er entdeckte im Jahre 1995 zusammen mit dem auch diesmal auch wieder beteiligten Didier Queloz  den ersten echten Exoplaneten der überhaupt jemals gefunden wurde, einen heissen Gasriesen auf einer sehr engen Umlaufbahn (1 Jahr dauert dort nur 4 Tage) um den sonnenähnlichen Stern 51 Pegasi.2886487207_c2d21dd579

Der schweizerische Astronom und Exoplanetenentdecker Michel Mayor Quelle: http://www.flickr.com/

Der jetzt neu gefundene Exoplanet wurde mit dem HARP-Instrument der ESO nach der Doppler-Methode gefunden,  mit deren Hilfe Planeten bei anderen Sternen ausserhalb unseres Sonnensystems auf indirekte Weise aufgespürt werden können (Stichwort Exoplaneten, s.u.).

Es handelt  sich um eine felsige, sogenannte „Supererde“, mit nur 1,9 Erdmassen. Sie umkreist den 20,5 Lichtjahre entfernten Roten Zwergstern Gliese 581 im Sternbild Waage.

Der Exoplanet mit der Bezeichnung Gliese 581 e, der für einen Umlauf um seine Sonne nur gut 3 Tage benötigt,  ist bereits der der vierte, der bei Gliese 581 entdeckt wurde. Wegen seiner geringen Entfernung zum Stern dürften auf ihm Temperaturen wie in einem Backofen herrschen. Von den 3 übrigen Planeten ist der eine (Gliese 581 b) mit 16 Erdmassen etwa so schwer wie der Neptun in unserem Sonnensystem, die beiden anderen sind „Supererden“ mit 5 Erdmassen (Gliese 581 c) bzw. 7 Erdmassen (Gliese 581 d).

Gliese 581 c machte bei seiner Entdeckung vor 2 Jahren als mögliche Zweite Erde viele Schlagzeilen, da sich nach den damaligen Berechnungen der Planet  in der sogenannten habitablen Zone befinden sollte. Planeten innerhalb der habitablen Zone eines Sterns erhalten gerade die richtige Wärmemenge, so dass die Oberflächentemperaturen flüssiges Wasser und damit prinzipiell auch Leben erlauben. Der Planet muss natürlich auch massereich genug sein, um eine ausreichend dichte Atmosphäre zu halten.

Da Gliese 581 ein roter Zwergstern mit deutlich schwächerer Leuchtkraft als die Sonne ist, liegt seine habitable Zone dementsprechend näher am Stern.

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Das Hertzsprung-Russel Diagramm setzt Oberflächentemperatur und Leuchtkraft der Sterne zueinander in Beziehung. Man erkennt sofort die wesentlich höhere Leuchkraft der sonnenähnlichen Gelben Zwergsterne, welche in der Mitte der Hauptreihe liegen, im Vergleich zu den Roten Zwerdsternen, die fast ganz am unteren Ende der Hauptreihe zu finden sind. Die Leuchkraft ist masseabhängig. Je grösser die Masse, umso stärker wird der Stern im Inneren zusammengepresst und umso intensiver verlaufen dort auch die Kernverschmelzungsprozesse, was zu einer erhöhten Strahlungsleistung führt.  Allerdings wird auch der Kernbrennstoff schneller verbraucht, so dass die Lebensdauer des Sterns mit zunehmender Leuchtkraft kürzer wird. (Quelle: Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik)

Klimaforscher des PIK Potsdam äusserten allerdings Zweifel an der potentiellen Lebensfreundlichkeit des Planeten, nachdem sie ein Klimamodell für Gliese 581 b durchgespielt hatten. Ihre Argumente:

Der Abstand des Planeten zu Gliese 581 ist so gering, dass es zu einer gebundenen Rotation kommt, so dass der Exoplanet seinem Stern immer dieselbe Seite zuwendet, was nicht gerade günstig für das dort herrschende Klima ist. Die dem Stern zugewandte Hälfte des Planeten wird extrem aufgeheizt, die dem Stern abgewandte Hälfte ist dagegen bitterkalt. Zwar sorgt die bewegte Atmosphäre des Planeten für einen gewissen Temperaturausgleich, aber infolge des gewaltigen Temperatur- und damit auch Druckgradienten entwickeln sich dabei fortwährend allerheftigste Stürme. Als „Supererde“ ist der Planet ausserdem auch 5 mal schwerer als die Erde. Da er so langsamer auskühlt, ist eine stärkere Plattentektonik und mehr Vulkanismus als auf der Erde zu erwarten, was wiederum zu einer um einiges dichteren Atmosphäre mit einem höheren Konzentration des Treibhausgases Kohlendioxid führt. Dadurch dürften die Oberflächentemperaturen deutlich höher sein, als nach der Entfernung des Planeten zu seinem Stern zu erwarten.

Die Entdeckung von Gliese 581 e ermöglichte nun eine noch genauere Bahnbestimmung im Planetensystem um Gliese 581. Dabei rückte Gliese 581 b an den inneren Rand, aber dafür Gliese 581 d in die habitable Zone, wodurch der Planet nun plötzlich als mögliche Heimat für Leben in Frage kommt.

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Das Planetensystem bei Gliese 581 und unser Sonnensystem mit den jeweiligen habitablen Zonen im Vergleich. Quele: ESO

Allerdings ist der Planet derart massiv, das die Wissenschaftler davon ausgehen, dass es sich nicht um einen reinen Felsplaneten handeln kann. Vielmehr dürfte der Planet über einen sehr grossen Wsseranteil und zudem über eine sehr mächtige Atmosphäre verfügen. Der ganze Planet, so spekulieren die Wissenschaftler, könnte von einem mehrere hundert Kilometer tiefen Ozean bedeckt sein. Der Planet würde damit zu der theoretisch schon früher vorhergesagten Klassse der sogenannten Wasserwelten gehören. Diese sollen immer dann entstehen, wenn grösserere Planeten, aber keine Gasriesen, sich jenseits der „Schneegrenze“ (Stichwort Exoplaneten, s.u.) bilden, daher neben dem Gestein auch sehr viel Eis enthalten und infolge Wechselwirkungen mit der protoplanetaren Scheibe nach innen wandern. Die dann grössere Wärmezufuhr durch den Stern lässt das viele Eis schmelzen, so dass sich ein den ganzen Planeten bedeckender Ozean bildet. 

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Künstlerische Darstellung der bisher bekannten Planeten bei dem Roten Zwergstern Gliese 581: Im Vordergrund der neu entdeckte Felsplanet Gliese 581 e mit nur 1,9 Erdmassen und einer Umlaufzeit von nur 3,15 Tagen. Als innerster Planet des Planetensystems um Gliese 581 ist er für Leben viel zu heiss. Der kleine weisse Punkt links neben dem Stern ist der neptunähnliche Gliese 581 b mit 16 Erdmassen.Der lichtschwache Fleck genau in der Bildmitte ist Gliese 581 c mit 5 Erdmassen. Er wurde zeitweise als Kandidat für die Zweite Erde gehandelt. Der blau erscheinende Planet, Gliese 581d, ist womöglich komplett von einem Ozean bedeckt. Diese Wasserwelt hat 7 Erdmassen und umkreist als äusserster Planet den Roten Zwergstern in knapp 67 Tagen. Quelle: ESO

Auf so einem Planeten ist zumindest theroretisch auch die Existenz von Leben denkbar.

Stichwort Exoplaneten: Exoplaneten sind Planeten ausserhalb unseres Sonnensystems, denn sie umkreisen  nicht unsere, sondern eine andere Sonne. Sie gehören also zu einem fremden Planetensystem um einen fremden Stern. Die Bildung von Planeten ist eine normale Begleiterscheinung bei der Sternentstehung und läuft in etwa so ab: 

Eine interstellare Wolke (Durchmesser ca. 1Lichtjahr) aus Gas (99%) und Staub (1%) kollabiert unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft, zieht sich zusammen, beginnt zu rotieren, wird dabei immer schneller (wegen der Erhaltung des Drehimpulses) und im Zentrum immer dichter und wärmer bis sich schliesslich ein Stern bildet. Durch die Rotation formt sich eine Scheibe, die sich langsam abkühlt, so dass es zu Kondensationsvorgängen kommt, wobei die vielen Staubteilchen  als Kondensationskerne wirken. Die schwerer werdenden Staubteilchen sinken durch die Schwerkraft und die Bremswirkung des Gases zur Scheibenebene, wo sie sich zunehmend anreichern. Dadurch beschleunigt sich wiederum das Wachstum der Staubteilchen, weil sie sich immer häufiger begegnen und aneinander haften bleiben. Es bilden sich die ersten Planetesimale mit Durchmessern von bis zu einigen Kilometern.

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Planetenentstehung Quelle: http://www.mhhe.com/physsci/astronomy/arny/indexnew.mhtml

In Abhängigkeit von der Temperatur der Scheibe, die von innen nach aussen abnimmt, kondensieren im inneren, heissen Bereich bis 0,5 AE vorwiegend metallische Teilchen, ab 1 AE Abstand überwiegen dann die Silikate. Bei 3 AE wird schließlich die sogenannte „Schneegrenze“ erreicht, wo dann auch Eisteilchen auftreten 1 Astronomische Einheit (AE) entspricht der Entfernung der Erde zur Sonne (150 Millionen km). Die Planetesimale sind bald gross genug um weitere Materie anzusammeln. Die Grösseren wachsen zu Protoplaneten heran, die Kleineren stossen aufeinander und zerfallen, oder werden von den Protoplaneten weggeschleudert und bilden einen äusseren Ring, den Kuiper – Gürtel. Manche stürzen auch in den zentralen Stern. Da jenseits der „Schneegrenze“ mehr Kondensationsmaterie zur Verfügung steht als weiter innen, entstehen dementsprechend grössere Planetesimale, die wiederum auch mehr Material einsammeln können. Diese sehr grossen Protoplaneten (bis 10 Erdmassen und mehr) ziehen nun auch grössere Mengen Gas an, wodurch die sogenannten Gasriesen (z.B. Jupiter und Saturn in unserem Sonnensystem) entstehen. Weiter innen bilden sich kleinere Protoplaneten, die Metalle (vorwiegend Eisen und Nickel) und Gestein (Silikate) einsammeln, aber kein Gas das hier wegen der zu hohen Temperaturen nicht auskondensiert. Die noch vorhandenen kleineren Planetesimale bombardieren die felsigen Protoplaneten, die so heiss werden, dass sie aufschmelzen und eine innere Differenzierung stattfinden kann. Eisen und Nickel sinken zur Mitte und bilden den Kern, die leichteren Silikate den Mantel und die Kruste (erdähnliche Planeten). Ein Teil der dann immer noch übrig gebliebenen Planetesimale bilden einen oder auch mehrere Asteroidengürtel.

Die meisten Exoplaneten wurden bisher auf indirektem Wege gefunden, davon der ganz überwiegende Teil mit der Doppler-Methode: In einem Planetensystem zieht nicht nur der Stern den ihn umlaufenden Planeten an, sondern auch der Planet übt umgekehrt eine Kraft aus. Diese Anziehungskraft zwingt den Stern auf eine kreisförmige oder elliptische Bahn um den gemeinsamen Schwerpunkt, welche wiederum im Kleinen die Umlaufbahn des Planeten widerspiegelt. Da der Stern viel schwerer ist als der Planet, liegt der gemeinsame Schwerpunkt immer innerhalb des Sterns. Die Schwierigkeit liegt nun darin, aus einer so grossen Entfernung die außerordentlich geringe Bewegung des Sterns zu messen. Eine Möglichkeit ist die spektroskopische Untersuchung des Sternenlichtes unter Zuhilfenahme des Doppler-Effekts. Wenn sich der Stern auf seiner kleinen Bahn einmal in Richtung Erde und dann wieder von ihr weg bewegt, werden die von ihm ausgesandten Lichtwellen abwechselnd etwas zusammen oder auseinander gezogen. Dabei werden die Lichtwellen erst zum blauen (kurzwelligen) und dann zum roten (langwelligen) Ende des Spektrums hin verschoben. Aus dieser periodischen Dopplerverschiebung des Lichts können die Astronomen die Bahn des Sterns ermitteln und daraus mit den Newtonschen Gesetzen die Masse, Umlaufzeit, den Abstand des Planeten von seinem Stern und sogar die Form der Umlaufbahn (kreisförmig oder elliptisch) bestimmen.

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Mit der Doppler-Methode wurden bisher die meisten Exoplaneten gefunden. Quelle: ESO

Die ermittelte Masse des Exoplaneten stimmt aber nur, wenn die Beobachtung des fremden Planetensystems genau von der Seite geschieht. Ist die Bahn des Explaneten jedoch gegen die Beobachtungsrichtung geneigt, so wird seine Masse unterschätzt, weil die Geschwindigkeit der Hin- und Herbewegung von der Erde aus betrachtet geringer erscheint als sie ist. Die gemessene Doppler-Verschiebung täuscht einen zu leichten Planeten vor. Der Neigungswinkel der Bahnebene des fremden Planetensystems lässt sich nur ermitteln, wenn außerdem noch eine Staubscheibe oder aber ein Vorübergang des Planeten vor dem Stern (Planetentransit) beobachtbar ist. Der Planetentransit führt zu einer winzigen Helligkeitsabnahme des Sterns und ist deshalb eine eigenständige Methode zur Entdeckung von Exoplaneten.

Quellen: http://www.eso.org/, Wikipedia

 Jens Christian Heuer

Kategorien:Wissenswertes

Das Rätsel der Dark Dune Spots (DDS) auf dem Mars

Auf neuesten Aufnahmen, welche der amerikanischen Marssonde Mars Reconaissance Orbiter (MRO) im Januar 2009 gelangen, entdeckten NASA-Wissenschaftler der University of Arizona merkwürdige dunkle Flecken am Kraterrand des Marsvulkans Malea Patera. Dieser nach augenblicklichem Kenntnisstand erloschene Marsvulkan befindet sich inmitten des 2300 km durchmessenden Einschlagsbeckens Hellas Planitia auf der Südhalbkugel des Mars.

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Die Topographie des Mars. Hellas Planitia ist der dunkelblaue Krater im Süden der östlichen Hemisphäre (rechtes Bild links unten). Quelle: NASA

Der Boden dieses riesigen Kraters, der durch den Einschlag eines grösseren Himmelskörpers in der Frühzeit des Mars entstand, liegt 7km tiefer als die unmittelbare Umgebung. Der Luftdruck ist hier deshalb mit 14 hPa doppelt so hoch wie direkt oberhalb des Kraters. Das ist ausreichend, damit Wasser in flüssiger Form über längere Zeit existieren kann. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die dunklen Flecken aus schwarzer Vulkanasche bestehen, die aufgrund ihrer dunklen Färbung das Sonnenlicht besonders gut absorbieren und so im Marsfrühling darüberliegndes Eis schon frühzeitig auftauen. Doch warum soll die Vulkanasche so scharf gezeichnete Ränder ergeben, wie sie alle Flecken nun einmal aufweisen? Eine plausible Erklärung wären austretende heisse vulkanische Gase, die von unten das Eis auftauen. Soweit die Überlegungen der NASA-Wissenschaftler. 

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Die rätselhaften dunklen Flecken  des Marsvulkans Malea Patera. Quelle.: NASA MRO http://hirise.lpl.arizona.edu/

Es ist nun allerdings nicht das erste Mal, dass derartig merkwürdige dunkle Flecken auf dem Mars gesichtet werden. Ganz im Gegenteil: das Phänomen wurde über Jahre hinweg immer wieder beobachtet.

Auf Aufnahmen des “Mars Global Surveyor” (MGS), beispielsweise, einer Vorgängersonde des Mars Reconaissance Orbiter(MRO) fand man ebenfalls dunkle Flecken. Diese “Dark Dune Spots”(DDS) genannten Flecken erscheinen und verschwinden in Dünenfeldern der Südpolarregion mit dem Wechsel der Jahreszeiten auf dem Mars. Die Flecken tauchen zu Frühlingsbeginn auf, werden dann kräftiger (Maximum im späten Frühling) und verblassen dann mit dem beginnenden Sommer. Auch der Mars-Reconaissance-Orbiter (MRO) fotografierte mehrfach diese Flecken.

Die meisten Wissenschaftler erklären bis heute die Flecken mit dem abwechselnden Gefrieren und Auftauen der Dünen. Im Winter gefrieren sie und tauen wieder auf im Frühling, wenn es wärmer wird. Wegen des geringen Luftdrucks auf dem Mars (6-10 hPa) gehen das zunächst noch gefrorene Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) direkt vom gasförmigen in den festen bzw. vom festen in den gasförmigen Zustand über (Sublimation). Diese Vorgänge werden durch die Oberflächenstruktur und die inneren physikalischen Eigenschaften der Dünen entscheidend bestimmt, wodurch sich Lage und Anordnung der DDS ergeben.

Im Jahre 2001 stellten mehrere ungarische ESA-Wissenschaftler aus Budapest in der Zeitschrift “Lunar and Planetary Science” eine faszinierende Theorie  zur Erklärung des DDS – Phänomens vor:

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Dark Dune Spots (DDS):  ESA (oben links), NASA MGS und MO (oben rechts, unten links, unten mitte, mitte links), NASA MRO (unten links), Vegetation in Australien (oben mitte) Quelle: WetterJournal (ESA, NASA)

Nach der Analyse von über 100 Detailaufnahmen, die jeweils ein 1-3 km breites und 20-80 km langes Gebiet zeigen, wobei die zumeist kreisförmigen DDS Abmessungen zwischen einigen dutzend und einigen hundert Metern haben, kommen die ESA-Wissenschaftler zu überraschenden Ergebnissen:

Der Aufenthaltsort, die Form und die Anordnung der DDS ist unabhängig von der genauen Oberflächenstruktur der Dünen. Die DDS folgen nicht dem Höhenprofil der Landschaft, sondern scheinen radial nach außen zu “wachsen”. Während des Frühlings beginnen die einzelnen, ursprünglich kreisförmigen DDS hangabwärts zu fliessen, so dass ein sehr charakteristisches Muster paralleler Fliessrinnen entsteht. Die DDS verlaufen wie Tinte auf einem senkrecht gehaltenen Blatt Löschpapier. Das deutet nun aber nicht auf Sublimationsvorgänge, sondern auf flüssiges Wasser hin.

Die DDS entstehen vorwiegend nicht  oben auf den Dünen, sondern weiter unten, und sie entstehen auch nicht an den der Sonne besonders ausgesetzten Bereichen, wie es eigentlich zu erwarten wäre, wenn die konventionelle Erklärung stimmen würde. Ausserdem tauchen die DDS in den meisten Fällen in aufeinander folgenden Jahren immer wieder an denselben Stellen auf. Hieraus ergibt sich, das komplizierte Sublimationsvorgänge als Erklärung für das Erscheinen und die weitere Entwicklung der DDS nicht überzeugen.

Eine alternative Erklärung ist die mögliche Existenz einfacher photoautotropher (d.h. nur lichtabhängiger)Organismen, sogenannter Mars Surface Organism (MSO) in den DDS. Wenn es auf dem Mars Leben gibt, so muss es an die jeweiligen örtlichen Gegebenheiten angepasst sein. Die MSO könnten den folgenden Lebenszyklus durchlaufen:

Im Winter ist der Boden unter den DDS tief gefroren. Die DDS sind mit Eis, Schnee und einer darüberliegenden Trockeneisschicht (CO2-Eis) bedeckt. Die Organismen (MSO) befinden sich in einer Schicht zwischen dem Boden und der Eis- und Schneedecke und liegen (als Sporen?) in einer Art ” Winterschlaf”.

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Lebenszyklus der Mars Surface Organism (MSO). Quelle: http://www.colbud.hu/esa/

Da Eis lichtdurchlässig ist, absorbieren die MSO das erste einfallende Sonnenlicht des beginnenden Frühlings, nehmen ihren lichtabhängigen Stoffwechsel wieder auf, erwärmen sich dabei und schmelzen so das umgebende Eis, wodurch die Sublimation der oberen Trockeneisschicht beschleunigt wird. Die MSO schwimmen nun in einem wässrigen Medium und kommen so auch an die aus dem darunter liegenden Boden herausgelösten Mineralstoffe heran. Die oben aufliegende Eis- und Schneedecke schützt sie vor Kälte, Austrocknung und den gefährlichen UV-Strahlen. Die MSO wachsen und vermehren sich. Immer mehr Eis schmilzt, und es kommt zum Auslaufen der DDS. Wenn die schützende Eisschicht im Frühsommer abgeschmolzen ist verdampft das vorher flüssige Wasser schlagartig und die MSO werden gefriergetrocknet, wodurch die DDS verblassen. Sie müssen sich vorher rechtzeitig in eine dauerhafte und widerstandsfähige Form (Sporen o.ä.) verwandelt haben. Die DDS werden in der südpolaren Region bis hinauf zu -60° SÜD angetroffen. In genau diesem Bereich fand die “Mars Odyssey” (MO), eine weitere amerikanische Marssonde, besonders grosse Mengen an Wasser durch Neutronenspektroskopie.

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In den Gebieten mit den grössten Wasservorkommen erscheinen auch die Dark Dune Spots (DDS). Sie erscheinen und verschwinden mit dem Wechsel der Jahreszeiten. Quelle: http://www.colbud.hu/esa/

Gemessen wurde ein deutliches Defizit an schnellen Neutronen, was auf eine große Menge an Wasser hinweist, das die schnellen Neutronen durch  Zusammenstösse abbremst. Bei den photoautotrophen MSO könnte es sich womöglich um algenartige Lebensformen handeln, ähnlich wie im Eis der Antarktis. Dies würde auch zu dem Befund passen, dass die Marsatmosphäre verglichen mit der Erde zwar nur sehr wenig Sauerstoff enthält, verglichen mit den anderen Planeten des Sonnensystems aber ausserordentlich viel;  immerhin um den Faktor 30.000 mehr !

Das Neutronenspektrometer (NS) der Mars Odyssey: Der Neutronendetektor (NS) bestimmt vom Mars kommende Neutronen in 3 Energiebereichen (Bändern): Thermische Neutronen, epithermische Neutronen und schnelle Neutronen. Neutronen entstehen durch den Beschuss von Oberflächenmaterial mit kosmischer Strahlung. Wasser moderiert Neutronen, d.h. es nimmt ihnen durch Zusammenstösse die Energie. Aufgrund dieser Tatsache kann der Neutronendetektor grössere Mengen an Wasser (ab einer Schichtdicke von 1 m) entdecken. Das Instrument ist ein rechteckig und besteht aus 4 Prismen. Ein Prisma schaut zur Planetenoberfläche, eines in den Weltraum, eines zur Mars Odyssey (MO) und eines in Bewegungsrichtung der Raumsonde. Jedes Prisma besteht aus mit Bor versetztem Kunststoff und mit einer Photomultiplierröhre verbunden. Ein Neutron stößt mit den Wasserstoff- und Kohlenstoffkernen des Kunststoffes zusammen und wird abgebremst. Schliesslich erreicht er eine Geschwindigkeit die ausreicht aus um von Bor-Atomkern eingefangen zu werden. Der Kern des Boratoms zerfällt daraufhin zu einen Lithiumkern. Dies verursacht wiederum einen Lichtblitz, der durch Photomultiplierröhren verstärkt und dann registriert wird. Während ein Prisma die Neutronen vom Mars detektiert, erfasst das zweite Prisma Neutronen aus dem kosmischen Hintergrund. Die beiden anderen Detektoren erfassen thermische Neutronen, welche sich in ihrer Bewegungsenergie entsprechend der Geschwindigkeit der Raumsonde unterscheiden. Dadurch kann man sehr genau zwischen thermischen, von der Oberfläche kommenden oder schnellen Hintergrundneutonen unterscheiden, indem man einfach die Daten zweiter Prismen voneinander abzieht.  

Jens Christian Heuer

Quellen: High Resolution Imaging Science Experiment http://hirise.lpl.arizona.edu/, ESA Mars Astrobiology Group http://www.colbud.hu/esa/

Kategorien:Wissenswertes

Treibhauseffekt auf Pluto

Pluto galt bis vor kurzem als Neunter Planet unseres Sonnensystems, wurde dann aber von der Internationalen Astronomischen Union (IAU) zu einem Zwegplaneten herabgestuft. Er umrundet die Sonne in knapp 248 Jahren auf einer, verglichen mit den 8 grossen Planeten unseres Sonnensystems, deutlich elliptischeren Bahn. Die Entfernung zur Sonne schwankt dabei zwischen knapp 30 und etwas über 40 AE (AE=Astronomischen Einheit, entspricht dem mittleren Abstand Erde-Sonne, also rund 150 Millionen km). entsprechend ). Pluto hat einen Durchmesser von etwa 1/5 der Erde, dreht sich in 6 Tagen einmal um die eigene Achse und verfügt über eine ausserordentlich dünne Atmosphäre, hauptsächöich Stickstoff, daneben geringe Mengen Methan, Kohlenmonoxid und weitere Spurengase. Der Planet selbst besteht vorwiegend aus Gestein und Wassereis. An der Oberfläche gibt es noch eine Schicht ausgefrorenener Gasen der Atmosphäre.

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So etwa könnte es auf der Oberfläche von Pluto aussehen. Über dem Horizont ist Charon, der grösste der 3 Monde von Pluto. Er ist mit einem Durchmesser von 1200 km immerhin fast halb so gross wie der Planet. Die beiden anderen Monde Nix und Hydra sind dagegen deutlich kleiner (Durchmesser 40 bzw. 160 km). Wegen der grossen Entfernung erscheint die Sonne nur noch als besonders heller Stern. Quelle: http://www.eso.org/public/

Ein Wissenschaftlerteam um Emmanuel Lellouch an der Europäischen Südsternwarte (European Southern Observatory, ESO) in Chile fand kürzlich mit einem Spektrografen (Cryogenic InfraRed Echelle Spectrograph (CRIRES)), der an eines der vier Grossteleskope (Very Large Telescope,VLT) angeschlossenen war einen unerwartet hohen Methananteil von 0,5% in der Plutoatmosphäre. Ausserdem zeigten Temperaturmessungen anhand der Spektren, dass die Atmosphäre des Pluto bis in die unteren Schichten um immerhin 40-50°C wärmer ist als die  mit -220°C äusserst kalte Planetenoberfläche (Temperaturzunahme 3-15°C pro Höhenkilometer). Für diese Temperaturinversion (also die Umkehr des normalen Temperaturrückgangs mit zunehmender Höhe, auf der Erde z.B. durchschnittlich 6°C pro Höhenkilometer) ist vor allem das  Methan verantwortlich, das einen starken Treibhauseffekt in der Atmosphäre erzeugt.

Die Planetenoberfläche absorbiert zunächst erst einmal die recht spärlich eintreffende Sonnenstrahlung und wandelt sie in Wärme um. Dadurch wird  die Atmosphäre von unten direkt erwärmt, aber die Planetenoberfläche gibt auch einen erheblichen Teil der empfangenen Wärme als Infrarotstrahlung ab (Bodenstrahlung). Aus dieser Infrarotstrahlung absorbiert das Treibhausgas Methan bestimmte Wellenlängen, welche bestimmten, Schwingungsmöglichkeiten des infrarotaktiven Methanmoleküls entsprechen. Das Molekül funktioniert damit so ähnlich wie eine Radioantenne, die mit ihrem Schwingkreis aus einem Wellensalat die richtigen,  jeweils eingestellten Radiosender herausfiltert. Die  empfangene Energie wird durch durch Stösse an noch nicht angeregte Nachbarmoleküle weitergegeben, so dass die  Atmosphäre insgesamt wärmer wird. Die angeregten Methanmoleküle entwickeln eine infrarote Eigenstrahlung mit den den entsprechenden Wellenlängen. Ein Teil davon erwärmt als infrarote Gegenstrahlung die Planetenoberfläche, die somit etwas von ihrer verlorenen Wärme zurückerhält.

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Das 5-atomige tetraederförmige Methan hat zahlreiche Eigenschwingungsmöglichkeiten und absorbiert daher auch bei vielen Wellenlängen im Infraroten. Das mit CRIRES aufgenommene Spektrum von Pluto (schwarze Kurve) stimmt mit den Modellannahmen (rote Kurve) gut überein. Quellen: http://osulibrary.oregonstate.edu/ und http://www.planetary.org/blog/ (verändert)

Doch warum ist dann die Planetenoberfläche trotzdem so kalt? Auch das hängt mit dem Methan zusammen, das an der Planetenoberfläche zunächst in gefrorener Form vorliegt. Durch die Sonne und die infrarote Gegenstrahlung wird es dann aber soweit erwärmt, dass es sublimiert, also direkt vom festen in den gasförmigen Zustand übergeht. Dabei wird der Planetenoberfläche viel Energie entzogen (Sublimationskälte).

Den Wissenschaftlern um Lellouch bestimmten ausserdem Plutos Durchmesser und die Mächtigkeit seiner Atmosphäre. Wegen seiner grossen Entfernung zur Erde ist das Abbild Plutos in Teleskopen viel zu klein, um damit genau seine Grösse direkt  zu vermessen. Es ist jedoch auf indirektem Wege möglich, indem man sich Sternbedeckungen zunutze macht, wo der Planet,  von der Erde aus gesehen, vor einem Hintergrundstern vorbeizieht und ihn vorübergehend verdeckt. Wurde zuvor die Bahngeschwindigkeit des Planeten bestimmt,  kann anhand der gemessenen Sternbedeckungszeit auch leicht der Planetendurchmesser berechnet werden. Verfügt  der  Planet jedoch über eine Atmosphäre, so wird die Angelegenheit ein wenig komplizierter, denn das Sternenlicht wird schon abgeschwächt bevor der Planet selbst sich vor den Stern schiebt. Ja mehr noch, die Atmosphäre lenkt das Sternenlicht durch Lichtbrechung  ab, wodurch die Zeitmessung der Sternbedeckung noch zusätzlich verfälscht wird. All das erschwert natürlich die Bestimmung des Planetendurchmessers, erlaubt aber andererseits auch eine Abschätzung der Mächtigkeit der Atmosphäre, wenn es gelingt bei der Messung der Sternbedeckung die Effekte des Planeten selbst von den Effekten  seiner Atmosphäre zu trennen. Genau das scheint den Wissenschaftlern an der Europäischen Südsternwarte gelungen zu sein. Nach ihren neuesten Messungen soll der Durchmesser Plutos zwischen
2338 to 2,344 km liegen und seine Atmosphäre eine Mächtigkeit zwischen 17 und 24 km haben. Eine bisher noch nicht gekannte Genauigkeit!

Im Jahre 2015 wird die amerikanische Raumsonde New Horizon den Pluto erreichen, um erstmals den Zwergplaneten aus der Nähe zu fotografieren und direkte Messungen vor Ort durchzuführen.

Jens Christian Heuer

Quellen:  http://www.planetary.org/blog/article/00001860/
und http://fr.arxiv.org/abs/0901.4882 (Originalarbeit von E. Lellouch, B. Sicardy, C. de Bergh, H.-U. Käufl, S. Kassi und A. Campargue)