Der Salzgehalt der Ozeane beeinflusst das Klima der Erde – wie ist es auf Exoplaneten?

Es besteht ein Zusammenhang zwischen dem Salzgehalt der Ozeane auf der Erde und ihrem Klima. Salzgehalt kann dramatische Auswirkungen auf das Klima jedes erdähnlichen Planeten haben, der einen sonnenähnlichen Stern umkreist. Aber wie steht es mit Exoplaneten um M-Zwerge?

Jeder Planet hat ein messbares Albedo, also den Prozentsatz des Sternenlichts, das er in den Weltraum zurückreflektiert. Es wird auf einer Skala von 0 (ein schwarzes Objekt, das kein Licht reflektiert) bis 1,00 (ein Objekt, das alles Licht reflektiert) gemessen. Da ein höheres Albedo mehr Sternenlicht reflektiert, hat es einen kühlenden Effekt auf das Klima eines Objekts.

In unserem Sonnensystem hat der Saturnmond Enceladus das höchste Albedo. Enceladus ist mit hellem, reflektierendem Eis bedeckt, das den Großteil des Sonnenlichts reflektiert, das ihn erreicht. (Beachten Sie, dass es verschiedene Messungen für das Albedo gibt und diese sehr unterschiedlich sein können, was zu einiger Verwirrung führen kann.)

Merkur hat das niedrigste Albedo, da er überwiegend von dunklem Gestein bedeckt ist. (Objekte wie Kometen können sogar noch niedrigere Albedos haben.)

Die Albedo der Erde beträgt etwa 0,3, was größtenteils auf die wolkige Atmosphäre unseres Planeten zurückzuführen ist. Das Eis in der Antarktis, in Grönland und das saisonale Packeis in der Arktis tragen ebenfalls dazu bei. Die Albedo der Erde ändert sich im Laufe der Jahreszeiten, wenn sich das Eis ausdehnt und zurückzieht. Kurz gesagt: Die Albedo der Erde trägt dazu bei, das Klima des Planeten zu regulieren.

Der Salzgehalt des Ozeans beeinflusst, wie viel Meereis sich bildet, und hat wiederum Einfluss auf das Albedo der Erde. Je mehr Salz vorhanden ist, desto stärker sinkt der Gefrierpunkt, wodurch die Eisbildung erschwert wird. Ein höherer Salzgehalt bedeutet weniger Eis, was wiederum bedeutet, dass das Albedo geringer ist und weniger Sonnenlicht in den Weltraum zurückreflektiert wird.

Aber wie würde sich der Salzgehalt der Ozeane auf Exoplaneten auswirken, die andere Sterne als unsere Sonne umkreisen? Das ist die Frage hinter neue Forschung veröffentlicht in der arXiv Preprint-Server mit dem Titel „Klimatische Auswirkungen des Salzgehalts der Ozeane auf M-Zwerg-Exoplaneten“. Der Hauptautor ist Kyle Batra von der Abteilung für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften der Purdue University. Batra ist auch Mitglied des Exo-Ozeanographie-Teams des NASA Network for Ocean Worlds.

M-Zwerge werden auch Rote Zwerge genannt und ihr Licht unterscheidet sich von dem der Sonne. Es wurde viel über den Salzgehalt der Ozeane und seine Gesamtwirkung auf das Klima der Erde geforscht. Laut den Autoren mangelt es an Forschung, wenn es um Rote Zwerge geht. „Allerdings wurde nicht untersucht, wie sich die Zusammensetzung der Ozeane unter verschiedenen Bedingungen, etwa um verschiedene Arten von Sternen oder an verschiedenen Positionen innerhalb der bewohnbaren Zone, auf das Klima auswirkt“, schreiben die Autoren.

M-Zwerge sind besonders wichtig, wenn es um die Erforschung von Exoplaneten und ihrer potenziellen Bewohnbarkeit geht. M-Zwerge sind Sterne mit geringer Masse, die eine extrem lange, stabile Lebensdauer haben. Das ist ein Vorteil für die potenzielle Bewohnbarkeit. M-Zwerge sind auch der am häufigsten vorkommende Sterntyp, daher beherbergen sie logischerweise die meisten Gesteinsplaneten, und Beobachtungen zeigen, dass sie nur wenige Gasriesen beherbergen.

Die Forscher arbeiteten in ihren Modellen mit mehreren Schlüsselvariablen, unter anderem mit der Frage, wie sich die Instellation im Laufe der Lebenszeit eines Sterns verändert.

Die Forscher verwendeten ein allgemeines Zirkulationsmodell (GCM) für Ozean und Atmosphäre, um zu untersuchen, wie M-Zwerge und G-Sterne wie unsere Sonne auf den Salzgehalt der Ozeane reagieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Sterne wie unsere Sonne dramatischer auf Veränderungen des Salzgehalts der Ozeane reagieren. „Wir stellen fest, dass eine Erhöhung des Salzgehalts der Ozeane von 20 auf 100 g/kg in unserem Modell zu einer nichtlinearen Eisreduzierung und Erwärmung auf G-Sterne-Planeten führt, was manchmal abrupte Übergänge zu anderen Klimazuständen verursacht“, schreiben sie.

Genau wie auf der realen Erde zeigten die G-Sternensimulationen, dass Meereis auf hohe Breiten beschränkt war und dass seine Bedeckung mit steigendem Salzgehalt abnahm. Die Bedeckung sank von 19,5 % bei 35 Gramm Salz pro kg auf 3,5 % bei 100 Gramm pro kg. Das ist ein scharfer Übergang.

Auf M-Zwergen verliefen die Übergänge weniger abrupt. „Umgekehrt reagiert das Meereis auf M-Zwergplaneten allmählicher und linearer auf zunehmenden Salzgehalt“, schreiben sie.

Die Forscher ermittelten außerdem, wie sich Salzgehalt und Eisbedeckung auf die Oberflächentemperaturen auswirkten. Auf der Erde stieg die durchschnittliche Oberflächentemperatur von 8°C auf 14°C, als der Salzgehalt von 35 auf 100 Gramm/kg anstieg. Bei M-Zwergplaneten war kein ähnlicher Anstieg der Oberflächentemperatur zu beobachten.

„Darüber hinaus geht die Verringerung des Meereises auf M-Zwergplaneten nicht mit einer signifikanten Erwärmung der Oberfläche einher wie auf G-Stern-Planeten“, erklären sie.

Planeten in bewohnbaren Zonen um M-Zwerge haben noch eine weitere Gemeinsamkeit. Da die bewohnbare Zone um einen M-Zwerg so viel näher am Stern liegt als um einen sonnenähnlichen Stern, ist bei vielen Planeten davon auszugehen, dass sie gezeitengebunden sind. Das hat Auswirkungen auf ihr gesamtes Klima.

„In diesem Szenario ist das Meereis sogar noch weniger an das planetare Albedo gekoppelt als in unseren Simulationen mit erdähnlicher Rotation, da das Eis auf der Nachtseite nicht mit der einfallenden Strahlung interagieren würde“, erklären die Autoren.

In einem Szenario mit Gezeitenkräften weist die Vermischung zwischen Ozean und Atmosphäre mehr dynamische Variablen auf. „Unter verschiedenen Rotations- und Zirkulationsregimen kann die Klimasensitivität gegenüber dem Salzgehalt daher unterschiedlich sein“, erklären die Forscher. Sie überlassen es künftigen Forschungsarbeiten, diese Szenarien zu untersuchen.

Diese Ergebnisse sind sehr interessant, aber leider wird sich in naher Zukunft keine Gelegenheit ergeben, sie anhand von Beobachtungen zu überprüfen, da wir den Salzgehalt der Ozeane nicht im entferntesten Sinne messen können. Tatsächlich sind wir uns nicht einmal sicher, ob die scheinbaren Exoplaneten mit Ozeanen tatsächlich Ozeane haben. Aber zumindest zeigt diese Arbeit, welche Auswirkungen der Salzgehalt der Ozeane auf die zahlreichen Gesteinsplaneten haben kann, die die M-Zwerge unserer Galaxie umkreisen.

„Dies ist ein ermutigendes Ergebnis, das nahelegt, dass Unsicherheiten hinsichtlich des Salzgehalts in den Exo-Ozeanen für das Verständnis des Klimas und der Bewohnbarkeit von M-Zwergplaneten weniger wichtig sind als für G-Sterne-Planeten“, schlussfolgern sie.