Was ist die beste Mischung aus Ozeanen, um für einen bewohnbaren Planeten zu landen?

Die Erde besteht zu etwa 29 % aus Land und zu 71 % aus Ozeanen. Wie wichtig ist dieser Mix für die Bewohnbarkeit? Was sagt uns das über die Bewohnbarkeit von Exoplaneten?

Es gibt nur sehr wenige Orte auf der Erde, an denen das Leben keinen Halt hat. Mehrere Faktoren tragen zur allgemeinen Bewohnbarkeit unseres Planeten bei: reichlich flüssiges Wasser, Plattentektonik, Massenzusammensetzung, Nähe zur Sonne, Magnetosphäre usw.

Welche Rolle spielt das Verhältnis von Ozeanen zu Land?

Unser Verständnis von Bewohnbarkeit ist an dieser Stelle ziemlich grob, obwohl es auf Beweisen basiert. Wir verlassen uns auf die bewohnbare Zone um Sterne herum, um potenziell bewohnbare Exoplaneten zu lokalisieren. Es ist ein Faktor, der aus großer Entfernung leicht festzustellen ist und auf dem Potenzial für flüssiges Wasser auf Planeten basiert.

Wir zeichnen immer noch ein größeres, detaillierteres Bild der Bewohnbarkeit, und wir wissen, dass Dinge wie Plattentektonik, Massenzusammensetzung, eine Magnetosphäre, atmosphärische Zusammensetzung und Druck und andere Faktoren eine Rolle bei der Bewohnbarkeit spielen. Aber was ist mit dem Verhältnis von Ozeanen zu Land auf einem Planeten?

Eine neue Studie untersucht dieses Verhältnis im Detail. Die Arbeit wurde bei der Zeitschrift eingereicht Astrobiologie und ist auf der Preprint-Site verfügbar arXiv. Es wurde noch nicht von Experten begutachtet.

Die Autoren sind Dennis Höning und Tilman Spohn. Höning ist vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung in Deutschland, wo er sich auf die Schnittstelle zwischen Planetenphysik und Erdsystemwissenschaften konzentriert. Spohn ist Exekutivdirektor des International Space Science Institute in Bern, Schweiz. Spohn war auch der Hauptforscher für das „Maulwurf“-Instrument des InSight-Landers, das Heat Flow and Physical Properties Package (HP3).

Die Plattentektonik und verwandte Faktoren sind die Wurzel des Problems. Plattentektonik ist die Bewegung der Kontinentalplatten auf der Erdoberfläche, während sie auf dem Mantel entlang reiten. Die Plattentektonik ist immer noch ein aktives Forschungsgebiet, und trotz allem, was wir gelernt haben, gibt es immer noch vieles, was Wissenschaftler nicht wissen.

Einer der kritischen Faktoren in der Plattentektonik ist das „Förderband“-Prinzip. Es besagt, dass, wenn Platten an konvergierenden Plattengrenzen zurück in den Mantel subduziert werden, neue ozeanische Kruste an divergierenden Grenzen entsteht, was als Ausbreitung des Meeresbodens bezeichnet wird. Das Ergebnis ist, dass das Land-zu-Ozean-Verhältnis der Erde konstant bleibt.

Da dieses Verhältnis konstant bleibt, bleiben auch andere Faktoren konstant. Und wenn diese Faktoren die Biosphäre fördern, ist das gut für die Bewohnbarkeit. Eines dieser Dinge sind Nährstoffe.

Freiliegendes Land ist der Verwitterung ausgesetzt, die Nährstoffe um den Globus transportiert. Die Festlandsockel der Erde sind biologisch reiche Gebiete. Ein Grund dafür ist, dass alle Nährstoffabflüsse der Kontinente in den Regalen landen. Die Kontinente und ihre Regale enthalten also den größten Teil der Biomasse der Erde, während es in der Tiefsee viel weniger gibt.

Hitze ist ein weiterer Faktor in der Plattentektonik und Bewohnbarkeit. Die Kontinente wirken wie eine Decke über dem Mantel und helfen der Erde, Wärme zu speichern. Aber dieser Deckeneffekt wird durch den Abbau radioaktiver Elemente im Mantel gemildert. Der radioaktive Zerfall von Elementen wie Uran im Mantel erzeugt Wärme, die durch den Deckeneffekt der Kontinente eingeschlossen wird. Gleichzeitig bringt die Krustenerneuerung durch Tektonik mehr dieser Elemente in die Kruste, wo ihre Wärme effizienter abgegeben wird.

Auch der Kohlenstoffkreislauf der Erde ist entscheidend für die Erhaltung des Lebens. Dieser Zyklus wird von der Plattentektonik und auch vom Land-zu-Ozean-Verhältnis beeinflusst. Die Verwitterung von Kontinenten entfernt Kohlenstoff aus der Atmosphäre ungefähr im Gleichgewicht mit dem Kohlenstoff, der von Vulkanen aus dem Mantel emittiert wird.

Dann gibt es noch den Wassergehalt im Mantel. Mehr Wasser im Mantel senkt die Viskosität des Mantels, definiert als Strömungswiderstand. Der Mantelwassergehalt ist Teil einer Rückkopplungsschleife mit der Manteltemperatur. Je mehr Wasser in den Mantel eintritt, desto leichter fließt es. Das erhöht die Konvektion, wodurch mehr Wärme aus dem Mantel freigesetzt wird.

Wie das Papier erklärt, hängen alle diese Faktoren zusammen, normalerweise in Rückkopplungsschleifen.

All diese Faktoren und andere vereinen sich auf der Erde, um eine robuste Bewohnbarkeit zu schaffen. Wenn das Verhältnis von Land zu Wasser auf der Erde zu mehr Land tendieren würde, wäre das Klima viel trockener, und große Teile der Kontinente könnten kalte, trockene Wüsten sein, und die Biosphäre wäre möglicherweise nicht groß genug, um eine sauerstoffreiche Atmosphäre zu erzeugen.

Umgekehrt, wenn viel mehr Wasser vorhanden war, kann es aufgrund der kontinentalen Verwitterung zu einem Mangel an Nährstoffen kommen. Dieser Mangel an Nährstoffen verhindert auch eine ausreichend große Biosphäre, die benötigt wird, um die sauerstoffreiche Atmosphäre zu erzeugen, die für komplexes Leben und eine reichere Biosphäre erforderlich ist.

Die Tektonik der Erde weist eine außergewöhnliche Menge an Details auf, und es ist unmöglich, sie alle zu modellieren. Zumal sich die Wissenschaftler über viele Details noch nicht einig sind. Vieles davon ist den Forschern verborgen. Sie haben noch nicht genügend Beweise, um solide Schlussfolgerungen zu ziehen.

Diese Studie stützte sich auf wissenschaftliche Modellierung, um zu verstehen, wie Planeten unterschiedliche Land-zu-Ozean-Verhältnisse haben. Höning und Spohn modellierten die drei Hauptprozesse, die das Land-zu-Ozean-Verhältnis erzeugen: Wachstum der kontinentalen Kruste, Wasseraustausch zwischen den Reservoirs an und über der Oberfläche (Ozeane, Atmosphäre) und im Mantel sowie Abkühlung durch Mantelkonvektion.

Aus dem Papier:

„Diese Prozesse sind durch Mantelkonvektion und Plattentektonik verknüpft mit:

subduktionszonenbedingtes Schmelzen und Vulkanismus sowie kontinentale Erosion, die das Wachstum der Kontinente bestimmt

Mantelwasserentgasung durch Vulkanismus und Wiedervergasung durch Subduktion bestimmen den Wasserhaushalt

Wärmeübertragung durch Mantelkonvektion, die die thermische Entwicklung bestimmt.“

Die Autoren kamen zu einer grundlegenden Schlussfolgerung. „… die Ausbreitung der kontinentalen Bedeckung auf erdähnlichen Planeten wird durch die jeweilige Stärke der positiven und negativen Rückkopplung beim kontinentalen Wachstum und durch die Beziehung zwischen thermischer Bedeckung und Abbau radioaktiver Isotope beim Wachstum der kontinentalen Kruste bestimmt“, schreiben sie. „Die Unsicherheit in diesen Parameterwerten stellt die Hauptunsicherheit im Modell dar.“

Diese Rückkopplungsschleifen werden auf jedem Planeten mit tektonischer Aktivität und Wasser vorhanden sein. Die relative Stärke dieser Schleifen ist schwer zu quantifizieren. Es gibt wahrscheinlich eine verwirrende Anzahl von Faktoren, die in der Exoplanetenpopulation eine Rolle spielen.

Kein Forscher kann jeden einzelnen Faktor modellieren, aber diese Forschung läuft auf die Rückkopplungsschleifen zwischen allen Faktoren hinaus und ob sie positiv oder negativ sind. Starkes negatives Feedback „…würde zu einer Entwicklung führen, die weitgehend unabhängig von den Ausgangsbedingungen und der Frühgeschichte des Planeten wäre, was einen einzigen stabilen heutigen Wert der kontinentalen Oberfläche implizieren würde“, schlussfolgern sie.

Starke positive Rückkopplungsschleifen führen jedoch zu unterschiedlichen Ergebnissen. „Bei starkem positiven Feedback kann der Ausgang der Evolution jedoch je nach Ausgangsbedingungen und Vorgeschichte ganz unterschiedlich ausfallen“, schreiben sie.

Die Frage ist, formen diese gleichen Rückkopplungsschleifen Exoplaneten? Können auch Exoplaneten mit Plattentektonik ein Gleichgewicht zwischen Land- und Ozeanbedeckung erreichen? Wird ein Planet von ungefähr der Größe der Erde und mit einem ähnlichen Wärmehaushalt der Erde mit ihrer lebensfördernden Stabilität ähneln?

Zunächst einmal zeigt die Forschung, dass sowohl Landplaneten als auch Ozeanplaneten möglich sind, was nicht überraschen sollte. Und natürlich wissen wir, dass Mischplaneten wie die Erde möglich sind.

In einer früheren Arbeit in Physik der Erde und Planeteninnere, kam das gleiche Autorenpaar zu dem Schluss, dass Landplaneten das wahrscheinlichste Ergebnis sind. Das nächstwahrscheinlichste Ergebnis sind Ozeanplaneten.

Die Autoren weisen darauf hin, dass es bei all diesen Arbeiten natürlich Unsicherheiten gibt und dass es an Daten mangelt. Dennoch wirft ihre Arbeit Licht auf die Mechanismen, die unterschiedliche Verhältnisse von Land zu Ozean auf Planeten erzeugen. „Unsere Diskussion zielt darauf ab, ein besseres qualitatives Verständnis der Feedback-Prozesse zu liefern; wir geben zu, dass Daten für ein detailliertes Verständnis quantitativer Unterschiede fehlen“, schreiben sie.

Auch andere Forscher haben sich mit diesem Thema beschäftigt. Eine Studie aus dem Jahr 2015 untersuchte Planeten um M-Zwerge, den häufigsten Sterntyp in der Milchstraße, und wo wir wahrscheinlich die meisten Exoplaneten finden werden. Diese Studie fand „… eine ähnliche bimodale Verteilung der aufgetauchten Landfläche, wobei die Oberfläche der meisten Planeten entweder vollständig mit Wasser bedeckt ist oder mit deutlich weniger Oberflächenwasser als die Erde“, schreiben die Autoren. Diese Studie befasste sich jedoch mit anderen Faktoren und konzentrierte sich nicht nur auf das kontinentale Wachstum.

Was bedeutet diese Studie für die Erde? Wie können wir die Frage in der Überschrift beantworten: „Was ist die beste Mischung aus Ozeanen für einen bewohnbaren Planeten?“

So anthropozentrisch oder terrzentrisch es auch klingen mag, wir könnten von der Antwort leben.