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Planetologen und Astrobiologen sind sich heute darin einig, dass ein Planet nicht viel kleiner als die Erde sein darf, um lebensfreundlich zu sein. In diesem Artikel will ich erklären, warum er auch nicht viel grösser sein darf.
Wäre die Erde etwas kleiner, könnte sie kein Leben, wie wir es kennen, tragen. Denn wäre sie kleiner, würde sie schneller auskühlen – dies hätte zur Folge, dass die Plattentektonik bereits wieder zum erliegen gekommen wäre. Ohne Plattentektonik gibt es aber keinen lebenswichtigen Kohlenstoffzyklus und keinen neuen Gesteine für Kontinente – die Erosion würde die Kontinente langsam ins Meer waschen. Wäre die Erde etwas kleiner, hätte sie wohl auch keinen Geodynamo – und damit auch kein planetares Magnetfeld, das stark genug ist, um die relativ dünne Erdatmosphäre vor Erosion durch Strahlung und Sonnenwind zu schützen. Die Gravitation wäre geringer, womit die Atmosphäre – insbesondere der lebenswichtige Wasserstoff – schneller entweichen würde.
All diese Überlegungen haben Planetologen und Astrobiologen nun schon seit einigen Jahren darauf schliessen lassen, dass die Erde sich in Sachen Masse / Grösse am untersten Ende der möglichen Spannbreite lebensfreundlicher Planeten befinden muss – viel massivere bewohnbare Planeten, etwa von 2, 3, 5 Erdmassen sollten demnach möglich sein, aber weniger als 0.9 oder gar 0.95 Erdmassen dürfte ein Planet nicht aufweisen. Eine solche Aussage sollte einen aber immer aufhorchen lassen: es ist per se nicht sehr wahrscheinlich (aber durchaus „möglich“, so wie es auch möglich ist, im Lotto zu gewinnen…), dass wir innerhalb einer beliebigen Verteilung eine Extremposition einnehmen. Aussagen, die unbesehen hinnehmen, dass wir „extrem“ sind, sollten immer kritisch unter die Lupe genommen werden. In diesem Fall heisst das: möglicherweise ist die Spannbreite lebensfreundlicher Planeten einfach sehr schmal. Schon Planeten mit etwas höherer Masse müssten dann bereits nicht mehr bewohnbar sein. Ist das denkbar? Und wenn ja – was sind die Mechanismen?
Komplexes Leben, wie wir es kennen, benötigt freien Sauerstoff in der Atmosphäre. Dieser bietet in Kombination mit biologischem Material die chemische Energie, die „Tiere“, also Lebewesen, die sich unter Freisetzung gespeicherter chemischer Energie bewegen können, überhaupt erst möglich macht. Ohne Sauerstoff gäbe es nur primitive Bakterien auf der Erde, die klein und energiesparend genug sind, um ihre Energie direkt aus der Photosynthese zu beziehen. Die meisten Lebewesen (alle Tiere) brauchen aber einen Mindestanteil an Sauerstoff in der Luft (bzw im Wasser), um zu überleben – rund 17% sind es etwa beim Menschen. Es ist nicht etwa die Menge Sauerstoff in der Luft, die den Unterschied zwischen lebensfreundlich oder lebensfeindlich ausmacht, sondern der Partialdruck (der Gesamtanteil) des Sauerstoffs.
[i]NACHTRAG: Hier muss ich etwas ergänzen. Ein beliebiger Sauerstoff-Partialdruck zwischen 0.16 und 1.6 bar ist prinzipiell atembar. Das Problem ist damit nicht in erster Linie nicht nicht-Verfügbarkeit von Sauerstoff, sondern die Anwesenheit von grossen Mengen CO2 in der Luft, die nicht so schnell in Form von Kalk gebunden werden können. Eine zu hohe CO2-Konzentration macht das Atmen unmöglich (siehe auch den zehnten Kommentar unten am Artikel).[/i]
Sauerstoff ist aber ein chemisch hochreaktiver Stoff – würde er durch photosynthetische Bakterien, die ihn als Abfallprodukt der Photosynthese freisetzen, nicht permanent nachgefüllt, würde er innert weniger Millionen Jahre mit den Oberflächengesteinen der Erde reagieren und so gebunden. Der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre lässt sich nur in der Anwesenheit von Leben halten und musste sich erst über eine lange Zeit aufbauen – diese „Oxygenisierung der Atmosphäre“, einer der Schlüsselmomente der Erdgeschichte, fand vor etwa 2.5 Milliarden Jahren statt. Damals stieg der Sauerstoffgehalt innert rund einer Milliarde Jahre auf einen Partialdruck von etwas über 20%, und ist bis heute stabil.
Was hat dies mit einem grösseren Planeten zu tun? Ganz einfach: grössere Planeten haben massivere Atmosphären. Wenn die Atmosphäre aus der Entgasung des Planeten selbst stammt, dann wächst die Masse einer Atmosphäre mit der dritten Potenz zur Masse des Planeten. Die Oberfläche eines Planeten wächst mit dem Quadrat des Radius, der seinerseits (bei einem Planeten von erdähnlicher Zusammensetzung) etwa mit einem Exponent von 0.27 von der Masse abhängt (Beispiel: Ein Planet mit 3 Erdmassen hat einen 3^0.27 = 1.35fach grösseren Radius als die Erde). Das heisst, die Oberfläche eines Planeten wächst nur gerade mit ungefähr der Wurzel (0.27 + 0.27 = 0.54, Wurzel = 0.5) der Planetenmasse. Das heisst, die Atmosphärenmasse pro Flächeneinheit, ein anderer Ausdruck für den Atmosphärendruck, steigt mit zunehmender Masse sehr steil an, ungefähr mit der 5.5ten (3/0.54) Potenz. Ein Planet mit 3 Erdmassen hätte also bereits einen um den Faktor ~450 höheren Atmosphärendruck. Und das unter der eher konservativen Annahme, dass ein vulkanisch hochaktiver Planet mit 3 Erdmassen nicht einen grössern Anteil seiner Gase ausgast als die Erde. Weiter wurde hier nicht berücksichtigt, dass ein Grossteil der Erdatmosphäre (~98-99%) in der Form von Kalk in Gesteinen gebunden wurde (im Gegensatz zur Venus) – hier nehmen wir an, dass dieser Prozess auf der Supererde genau so effizent verläuft wie auf der Erde, was angesichts der proportional viel kleineren Oberfläche sehr optimistisch geschätzt ist.
Natürlich dauert es damit bei praktisch gleicher Produktion von Sauerstoff (die etwas grössere Oberfläche fällt kaum ins Gewicht) rund 450 Mal länger, um auf einem 3-Erdmassenplaneten den gleichen Sauerstoffpartialdruck zu erreichen wie auf der Erde. Nach 450 Milliarden Jahren ist aber der Stern des Planeten längst erloschen, oder die Plattentektonik des Planeten zum Erliegen gekommen. Wenn wir innerhalb von freundlich geschätzten 10 Milliarden Jahren (während der sich der Planet in der bewohnbaren Zone seines Sterns befindet) auf genügend Sauerstoff für komplexes Leben kommen wollen, darf der Planet nach der oberen Rechnung nicht mehr als etwa 1.3 Erdmassen besitzen.