In diesem Forschungsgebiet konzentrieren wir uns auf die Wechselwirkungsprozesse von Sonnen- und Sternenstrahlung sowie Plasma mit den oberen Atmosphären terrestrischer Planeten (z. B. Venus, Erde, Mars). Wir untersuchen die Entwicklung planetarer Atmosphären von der Primär- über die Dampf- zur Sekundäratmosphäre. Variationen von Isotopen und flüchtigen Elementen in verschiedenen planetaren Reservoirs liefern Informationen über den Atmosphärenverlust, die Zusammensetzung und sogar die Herkunft des akkretierten Materials.
Sekundäre Atmosphären werden im Rahmen der vergleichenden Planetologie untersucht, wobei der Fokus auf den aeronomischen Prozessen zwischen Venus, Mars, Erde und terrestrischen Exoplaneten liegt. Zur Untersuchung der Entwicklungsprozesse werden bekannte atmosphärische Isotopen- und Elementverhältnisse für evolutionäre Reproduktionsversuche herangezogen. So liefern beispielsweise die atmosphärischen 36Ar/38Ar und D/H-Verhältnisse, wichtige Erkenntnisse über die Entwicklung der Marsatmosphäre (siehe schematische Darstellung) und ihre potenziell frühere Bewohnbarkeit (für detaillierte Informationen siehe z. B. Scherf und Lammer 2021 sowie Lichtenegger et al. 2022).
Ein besseres Verständnis der Entstehung und Entwicklung der Erdatmosphäre und -biosphäre wird auch unser Wissen über Exoplaneten Systeme erweitern, insbesondere im Hinblick auf die potenzielle Bewohnbarkeit erdähnlicher Exoplaneten. Wie sogenannte erdähnliche Lebensräume – also Gesteinsplaneten mit N₂-O₂-dominierten Atmosphären und geringen CO₂-Anteilen – entstehen und sich entwickeln, sowie ihre Häufigkeit in der Galaxie, ist eine der zentralen Fragen, die die Forschungsgruppe untersucht.
In einer Sonderausgabe der Fachzeitschrift Astrobiology vom Oktober 2024 mit dem Titel "Eta-Earth Revisited: How Common are Earth-Like Habitats?" präsentieren wir eine neue Formel, die realistische Argumente einbezieht, um die maximale Anzahl von Gesteinsplaneten mit erdähnlichen, N₂- und O₂-dominierten Atmosphären in der Milchstraße abzuschätzen (Lammer et al. 2024, Scherf et al. 2024). Im Gegensatz zur Drake-Formel werden astrophysikalische und planetare Parametercluster anstelle spezifischer Kriterien verwendet. Dieser Ansatz führt zu einer flexibleren Gleichung, die nicht an einzelne spekulative oder umstrittene Parameter gebunden ist. Korrelationen, zeitliche Entwicklungen, räumliche Unterschiede und Parameterbereiche können anstelle von Punktparametern berücksichtigt werden. Dadurch lassen sich Sterne und Planeten unterscheiden, die die Entstehung erdähnlicher Lebensräume ermöglichen, und solche, die dies nicht tun. Die derzeit unbekannten Parameter der Formel können durch die Charakterisierung der Atmosphären mit zukünftigen Weltraum- und bodengebundenen Teleskopen fein abgestimmt und eingegrenzt werden.
Durch Anwendung dieses neuen Formalismus zeigt sich, dass diese Planeten, d. h. erdähnliche Lebensräume sind wahrscheinlich selten. Die maximal plausible Anzahl liegt bei 2,5+71.6-2.4 × 105 – 6,0+27.1-0.59 × 105 Planeten, die potenziell N2-O2-dominierte Atmosphären mit sehr niedrigen CO2-Mischungsverhältnissen aufweisen können (Scherf et al. 2024). Diese Ergebnisse stützen die sogenannte "Rare Earth Hypothesis" und legen nahe, dass komplexes Leben und außerirdische Intelligenz in der Milchstraße wahrscheinlich selten sind. Es ist jedoch zu beachten, dass die tatsächliche Anzahl erdähnlicher Lebensräume geringer ausfallen dürfte, da viele Planeten vermutlich keine funktionierende Plattentektonik aufweisen oder Probleme bei der Beseitigung möglicher ursprünglicher H2-He-dominierter Atmosphären hatten.
Ein erdähnlicher Lebensraum muss daher bestimmte Anforderungen erfüllen, um lebensfreundliche Bedingungen für die Entwicklung komplexen Lebens zu bieten. Dazu gehören beispielsweise die Zusammensetzung des Planeten und die Menge an Wasser, die er während seiner Entstehung anreichern und speichern kann (Lammer et al. 2025). Es wurde festgestellt, dass auch die Menge an H2 und He, die ein wachsender Planet aus der protoplanetaren Scheibe aufnehmen kann, von großer Bedeutung ist. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Planet, der am Rand der protostellaren Scheibe auf eine erdähnliche Masse anwächst und sich in der habitablen Zone eines schwach aktiven, sonnenähnlichen Sterns befindet, beträchtliche Mengen an Helium und Wasserstoff binden kann.
Etwa 200 bar Helium und 80 bar Wasserstoff würden über Milliarden von Jahren auf dem Planeten verbleiben. Dies entspricht dem 280-fachen Druck unserer heutigen Atmosphäre, dem Dreifachen des Atmosphärendrucks der Venus oder dem Druck in etwa 3 Kilometern Meerestiefe. Wäre die Erde innerhalb der ersten 4 Millionen Jahre auf ihre endgültige Größe angewachsen, hätte sie immer noch eine dichte, heliumdominierte Atmosphäre, und komplexes Leben an ihrer Oberfläche wäre wahrscheinlich unmöglich und hätte sich auf der Erde nicht entwickeln können (Lammer et al. 2025).
Das niedrige Sauerstoff-Sauerstoff-Verhältnis, das in einer heliumdominierten Uratmosphäre zu erwarten wäre, würde komplexes Leben, wie wir es von der Erde kennen, kaum ermöglichen. Helium, das die Lungen von Säugetieren füllt, erzeugt bekanntermaßen einen Diffusionsgradienten, der den im Blut gespeicherten Sauerstoff verdrängt und dessen Konzentration innerhalb von Sekunden auf ein tödliches Niveau sinken lässt. Ein ausreichend hohes Sauerstoff-zu-Sauerstoff-Verhältnis in der Atmosphäre ist jedoch entscheidend für die Evolution komplexer Organismen mit einer Größe von Zentimetern bis zu Metern – und auch für die Entwicklung von Menschen oder hypothetischen außerirdischen Zivilisationen. Erdähnliche Planeten, selbst solche in der habitablen Zone, bieten daher keine Garantie für wirklich lebensfreundliche Bedingungen für komplexe Lebensformen.
Auf Grundlage dieser Forschungsergebnisse lässt sich schlussfolgern, dass ein umfassendes Verständnis des komplexen Zusammenspiels zwischen der Massenanreicherungsrate eines Planeten und der damit verbundenen Lebensdauer der Gasscheibe, der Anreicherung der Uratmosphären und der Aktivitätsentwicklung des Muttersterns von grundlegender Bedeutung ist, um die Entstehung erdähnlicher Lebensräume und damit auch das Entstehen komplexen Lebens nachvollziehen zu können.
