Forschung

Vergleichende Aeronomie und die Evolution erdähnlicher Lebensräume

Stern/Sonnen-Planeten-Wechselwirkungen für unmagnetisierte und magnetisierte Planeten. Bildnachweis: NASA/GSFC

In diesem Forschungsbereich konzentrieren wir uns auf die Wechselwirkungs-prozesse von solarer/stellarer Strahlung und Plasma auf die oberen Atmosphärenschichten von terrestrischen Planeten und Körpern ohne Atmosphäre (z. B. Merkur, Mond und andere Satelliten, Kometen, Asteroiden und Planetenembryos). Die Entwicklung planetarer Atmosphären von Primordialen-, Dampf- zu Sekundäratmosphären wird studiert. Der Ursprung und die Flucht von Exosphären von Körper ohne Atmosphären und die Auswirkungen auf die Modifikation von Oberflächenzusammensetzungen werden ebenfalls untersucht. Variationen von Isotopen und flüchtigen Elementen in verschiedenen planetaren Reservoirs enthalten Informationen über Atmosphärenfluchtprozesse, Atmosphärenzusammensetzung und sogar die Quelle des akkretierten Materials.

Schematische Darstellung der atmosphärischen Entwicklung auf dem Mars. Bildnachweis: M. Scherf

Sekundäre Atmosphären werden im Rahmen der vergleichenden Planetologie mit Fokus auf aeronomische Prozesse zwischen Venus, Mars, Erde und terrestrischen Exoplaneten untersucht. Zur Untersuchung der evolutionären Prozesse werden bekannte atmosphärische Isotopen- und Element-verhältnisse für evolutionäre Reproduktionsversuche verwendet. Atmosphärische 36Ar/38Ar- und D/H-Verhältnisse geben beispielsweise wichtige Einblicke in die Entwicklung der Marsatmosphäre (siehe schematische Darstellung) und ihre potenzielle frühere Bewohnbarkeit (für detaillierte Informationen siehe z. B. Scherf und Lammer 2021, und Lichtenegger et al . 2023). Für die Venus zeigt die starke Fraktionierung in ihrer Atmosphäre, dass im Laufe ihrer Geschichte große Mengen an H2O in den Weltraum verloren gegangen sein müssen (siehe z. B. Gillmann et al. 2022).

Ein besseres Wissen darüber, wie die Atmosphäre und Biosphäre der Erde entstanden und sich entwickelt haben, wird auch unser Verständnis von exoplanetaren Systemen verbessern, insbesondere im Hinblick auf die potenzielle Bewohnbarkeit erdähnlicher Exoplaneten. Wie sogenannte erdähnliche Lebensräume, d. h. felsige Exoplaneten mit N2-O2-dominierten Atmosphären und geringen Mengen an CO2, entstehen und sich entwickeln, zusammen mit ihrer Verbreitung in der Galaxie, ist eine der Schlüsselfragen, die die Gruppe zu verstehen versucht.

Abbildung a) zeigt die wahrscheinlichsten Proto-Erde-Akkretionsszenarien, eingeschränkt durch verschiedene Isotopendaten (D-H, atmosphärisches Ar & Ne, primordiale 3He-Häufigkeit im tiefen Mantel) und Isotopenchronometer (Hf-W, U-P) in Abhängigkeit von der protoplanetaren Scheibe, Lebensdauer und Aktivität der jungen Sonne. Das Szenario wurde durch das IWF-Team, aus mehreren ihrer veröffentlichten Forschungsartikel abgeleitet (Lammer et al. 2020). Der Massenanteil der Proto-Erde während der Scheibenzerstreuung sollte nicht mehr als 0,5 – 0,6 Erdmassen betragen (dunkelgrauer Bereich). Abbildung b) zeigt die modellierten Effekte der oberen Atmosphäre auf die gegenwärtige N2-O2-dominierte Atmosphäre der Erde im Vergleich zum großen Saturnmond Titan, einem Körper im äußeren Sonnensystem mit einer N2-Atmosphäre. Die Erdatmosphäre wäre in den ersten mehreren hundert Millionen Jahren gegenüber der höheren weichen Röntgenstrahlung und der extremen ultravioletten Strahlung (XUV) der jungen Sonne in den Weltraum entflohen, was darauf hindeutet, dass ihre Atmosphäre eine andere Zusammensetzung hatte, höchstwahrscheinlich CO2-reich.

Unsere Gruppe untersucht auch die Entstehung der Merkur-Exosphäre, die durch das Sonnenplasma und die Strahlungsumgebung entstanden ist (Lammer et al. 2022). Weiteres werden ähnliche Prozesse auf Eismonde/Kometen untersucht. Diese Forschung wird mit Hilfe der ESA-Mission BepiColombo mit ihren Instrumenten PICAM (Planetary Ion Camera) und SERENA (Search for Exospheric Refilling & Emitted Natural Abundances) und Jupiters Icy Moon Explorer (JUICE) und Comet Interceptor durchgeführt.

Links: Schematische Darstellung der Wechselwirkung zwischen Merkur und Sonnenwind. Bildnachweis: ESA.

Für weitere Informationen kontaktieren Sie:
Dr. Helmut Lammer
Mag. Manuel Scherf
Dr. Ali Varsani (BepiColombo/PICAM)

Literatur

Lammer H., B. Marty, A. Zerkle, M. Blanc, H. O'Neill and T. Klein, Eds., Reading Terrestrial Planet Evolution In Isotopes And Element Measurements, Springer, The Netherlands, 445 p., 2021.

Scherf M. and H. Lammer, Did Mars possess a dense atmosphere during the first ∼400 million years? Space Sci. Rev., 217, 2, 2021.

Gillmann, C., M.J. Way, G. Avice, D. Breuer, G.J. Golabek, D. Honing, J. Krissansen-Totton, H. Lammer, A.-C. Plesa, M. Persson, J.G. O'Rourke, A. Salvador, M. Scherf, and M.Y. Zolotov,The long-term evolution of the atmosphere of Venus: Processes and feedback mechanisms. Space Sci. Rev., 218, 56, 2022.

Lichtenegger H. I. M., S. Dyadechkin, M. Scherf, H. Lammer, R. Adam, E. Kallio, U. V. Amerstorfer and R. Jarvinen, Non-thermal escape of the Martian CO2 atmosphere over time: Constrained by Ar isotopes, Icarus, 382, 115009, 2022.

Lammer H., M. Scherf, Y. Ito, A. Mura, A. Vorburger, E. Guenther, P. Wurz, N. V. Erkaev and P. Odert, The exosphere as a boundary: Origin and evolution of airless bodies in the inner solar system and beyond including planets with silicate atmospheres, Space Sci. Rev., 218, 15, 2022.

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