Astronomie

Was sind die realen Bedingungen für die Entstehung einer Atmosphäre/den Verlust einer bestehenden Atmosphäre?

Was sind die realen Bedingungen für die Entstehung einer Atmosphäre/den Verlust einer bestehenden Atmosphäre?



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Überblick:

Nehmen wir zum Beispiel einen Planeten Ganymed (Mond, technisch nehme ich an). Ganymed ist riesig (nun, im Gegensatz zu anderen Körpern) und ich habe ein Muster zwischen größeren Körpern und Atmosphären bemerkt. Normalerweise scheint es, dass je größer ein Körper ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass er eine Atmosphäre hat (ich weiß, dass dies nicht stimmt, aber es scheint definitiv wahr zu sein, mit offensichtlichen Ausnahmen). Sogar beim Spielen des Kerbal-Weltraumprogramms bin ich auf Vall gekommen, der erwartet hatte, aufgrund seiner enormen Größe verlangsamt zu werden. Großer Fehler, in die Oberfläche geknallt. Wenn also Größe nicht das A und O ist, warum ein Planet eine Atmosphäre haben sollte, was verursacht sie dann wirklich? Warum sollte so etwas wie Ganymed, doppelt geschützt durch sein eigenes Magnetfeld und das Jupiterfeld, keine Atmosphäre haben? Was führt dazu, dass der Planet es verliert, sobald eine Atmosphäre geschaffen wurde?

Sie können mein Überblicks-Geschwafel ignorieren, ich nehme an, mein Einzeiler fokussiert die Frage ist:

Was sind die realen Bedingungen für die Entstehung einer Atmosphäre/den Verlust einer bestehenden Atmosphäre?


Technisch gesehen hat jeder Planet eine Atmosphäre (obwohl die meisten Merkur von der Liste streichen, weil er so dünn ist). Beginnen wir mit den großen Jungs, die ziemlich einfach sind. Gasriesen halten ihre Atmosphäre nur davon ab, wenn sie die Überreste von Gas aus dem Nebel sammelten, aus dem sich ihr Mutterstern gebildet hat. Wenn Sie wie die Gasriesen in unserem Sonnensystem sind, behalten Sie diese Atmosphäre normalerweise sehr lange, weil Sie eine starke Magnetosphäre haben und auch ziemlich weit von Ihrem Stern entfernt sind. Dein Stern ist auch nicht besonders mächtig. Einige Exoplaneten werden als heiße Jupiter kategorisiert, weil sie in ihrer Zusammensetzung dem Jupiter ähneln, aber sehr nahe um ihren Stern kreisen. Wenn dies trotz der starken Magnetosphäre der Fall ist, kann ihr Stern ihre Atmosphäre buchstäblich verdampfen, entweder zur Masse des Sterns hinzufügen oder sie wie ein Komet wegblasen. Schließlich können sie zu dem werden, was wir chthonische Planeten nennen, bei denen es sich um hypothetische Planeten handelt, die die felsigen Kerne sind, die von gekochten Gasriesen übrig geblieben sind.

Wie wäre es mit Gesteinsplaneten wie der Erde? Sie erhalten ihre Atmosphäre durch einen Prozess namens Ausgasung, was im Grunde bedeutet, dass Vulkane Gase ausstoßen. Die Erde ist insofern einzigartig, als wir glauben, dass unsere Atmosphäre zumindest teilweise aus Kometen und nassen Asteroiden entstanden ist. Venus stieß zu viele Treibhausgase aus und bekam ein Höllenloch für eine Atmosphäre. Zumindest regnet es dort… es regnet Schwefelsäure… und selbst das kocht, bevor es die Oberfläche erreicht! Der Mars hatte wahrscheinlich eine dickere Atmosphäre als heute, wie große Vulkane wie Olympus Mons beweisen. Was ist damit passiert? Zunächst einmal hat der Mars keine sehr starke Magnetosphäre, weil er einfach kleiner als die Erde ist. Da es kleiner ist, kühlte sein Kern schneller ab und sein Mantel unterstützte kein gutes Magnetfeld mehr. Mehr geladene Teilchen bedeuten eine höhere Wahrscheinlichkeit einer atmosphärischen Ablösung, unter der der Mars zumindest teilweise litt. Wir glauben jedoch, dass ein großer Einschlag wahrscheinlich einen Großteil der Marsatmosphäre zerstört hat. Damit bleibt uns schließlich Merkur. Merkur ist ziemlich klein und der Sonne sehr nahe. Es kann einfach keine Atmosphäre aufrechterhalten, weil seine Schwerkraft schwach ist. Das gleiche gilt für die meisten Monde in unserem Sonnensystem, da sie typischerweise kleiner als Merkur sind. Sie sind einfach zu klein, um eine Atmosphäre zu bewahren.

Warte, wie kommt es dann, dass manche Monde Atmosphären haben und andere nicht? Nun, die, die dies nicht tun, sind, wie ich bereits sagte, zu klein, um einen zu behalten, und sie müssen auch mit Wechselwirkungen mit dem Sonnenwind, atmosphärischem Strippen und Wechselwirkungen mit ihrem Planeten umgehen. Einige Monde haben vulkanische Aktivität, so dass ihre dünne Atmosphäre mit aufgestoßenen Gasen wieder aufgefüllt werden kann. In der Tat können einige Wetter haben! Ich glaube, Io und Triton haben beide Wettersysteme, obwohl sie sehr dünne Atmosphären haben. Titan hat die dickste Atmosphäre des Haufens, mit einer, die etwa 50% dichter ist als die der Erde. Somit verfügt es auch über komplexe Wettersysteme. Aber warum? Titan ähnelt in seiner Struktur Ganymed. Warum bekommt Titan eine Atmosphäre? Kurze Antwort: Wir wissen nicht genau warum. Wir denken, dass es Kometen gewesen sein könnten, aber wir sind uns zu diesem Zeitpunkt bei nichts 100% sicher. Lesen Sie den Wikipedia-Artikel für mehr.

Um Ihre Frage zu beantworten, werden Atmosphären normalerweise aus vulkanischer Aktivität oder bei Gasriesen aus zurückgehaltenem Gas aus Nebelresten gebildet. Atmosphären gehen durch geringe Schwerkraft, hohe Temperaturen, Sonnenwind, atmosphärisches Strippen, große Einschläge und Planet-Mond-Wechselwirkungen verloren.


Es ist ein Gleichgewicht von Sternwind, Gravitation, Ionosphäre, Magnetosphäre und Flüchtigkeit des planetarischen Oberflächenmaterials: stellarer / kosmischer Wind eliminiert die Atmosphäre, Gravitation, Ionosphäre hält die Atmosphäre aufrecht und flüchtiges Oberflächenmaterial erzeugt eine neue Atmosphäre.

Das flüchtige Material an der Oberfläche des Planeten, das teilweise von den beiden oben genannten Variablen abhängt, da es durch Sonnenwind wie Mond und Quecksilber vollständig ausgelöscht werden kann.

Pluto hat einen milliardenfach höheren atmosphärischen Druck als der Mond, bei 900-mal weniger Sonneneinstrahlung, während die Gravitation an seiner Oberfläche 35 % der des Mondes beträgt.

Die Venus hat den 90-fachen atmosphärischen Druck der Erde und wird von einem ionosphärischen Magnetschweif geschützt.

Rang Name Oberflächendruck (bar)

  1. Saturn >>1000
  2. Uranus >>1000
  3. Neptun >>1000
  4. Venus 92 (riesiges Magnetfeld erzeugt durch Ionosphäre, gekochte Ozeane)
  5. Erde 1.014
  6. Jupiter 0,2 - 2 (gleicher Bereich des Atmosphärendrucks wie auf unserem Planeten)
  7. Mars 4 - 8,7 x 10-3
  8. Sonne 8,68 x 10-4 (viel Sonnenwind, 1000 mal weniger Druck als Terra)
  9. Pluto 3 x 10-6 (30% Schwerkraft des Mondes, milliardenfach mehr Atmosphäre)
  10. Quecksilber 10 x 10-15 (langsame Rotation, kein Magnetismus, nahe der Sonne)
  11. Mond 3 x 10-15

Der Mond hat 25 Tonnen Exosphäre www.space.com/amp/18067-moon-atmosphere.html

In der Nähe eines heftigen Sterns, der 10000 Mal stärker ist als die Sonne, könnte unser Planet und vielleicht sogar Saturn über Milliarden von Jahren größtenteils von der Atmosphäre befreit werden, obwohl er eine starke Magnetosphäre/Ionosphäre hat.


Big Glass und das Zeitalter der neuen Astronomie

Der höchste Inselberg der Welt ist Hawaiis Mauna Kea, wo die dünne Atmosphäre und das Fehlen von Lichtverschmutzung einige der besten Beobachtungsbedingungen für Astronomen schaffen. Auf dem Gipfel sitzen 13 Teleskope entlang eines Kamms von Formationen, die sich um Vulkanschlote gebildet haben. Das älteste Teleskop vor Ort und immer noch das kleinste ist das 2,2 Meter (7,2 Fuß) lange UH88 der University of Hawaii, Baujahr 1968. Mauna Kea ist vor allem als Heimat der zwei 10 Meter Keck-Teleskope bekannt erblickte in den 1990er Jahren das erste Licht und ist nach wie vor zwei der größten optischen und infraroten Teleskope der Welt. Zusammengenommen dominiert das Dutzend Observatorien dieses Bäckers die bodengebundene Astronomie seit vier Jahrzehnten. Aber vor kurzem wurde der Mauna Kea in einen Streit verwickelt, der die Zukunft der Astronomie radikal verändern könnte und als warnendes Beispiel dafür dienen könnte, was wir verlieren könnten, wenn sie diesen Weg weiter beschreitet.

Im Jahr 2009 wurde Mauna Kea als Standort für das Thirty Meter Telescope ausgewählt, ein Mega-Observatorium, das vom California Institute of Technology, der University of California und nationalen Wissenschaftsbehörden in Japan, Kanada, Indien und China vorgeschlagen wurde. Sein massiver Spiegel wird aus 492 Segmenten bestehen und die 81-fache Empfindlichkeit der Keck-Teleskope haben. Ed Stone, ein Caltech-Physikprofessor und geschäftsführender Direktor von TMT (ganz zu schweigen vom ehemaligen Direktor des Jet Propulsion Laboratory der NASA), erklärt, warum Wissenschaftler ein Teleskop verfolgen, das mehr als dreimal so groß ist wie das derzeit größte auf dem Mauna Kea: “Wenn Sie die allerersten Sterne im Universum sehen wollen,”, sagt er, “Sie brauchen ein Teleskop dieser Klasse.” Keck konnte eine Galaxie beobachten, die etwa 570 Millionen Jahre nach dem Urknall, aber es ist einfach nicht in der Lage, die am weitesten entfernten Sterne zu beobachten, die ersten, die sich etwa 400 Millionen Jahre nach der Erschaffung des Universums gebildet haben.

“Ein weiterer Bereich, der die Sammelkraft einer neuen Generation von Instrumenten benötigt, ist die Erforschung von Exoplaneten,” Stone. “Unsere Herausforderung besteht darin, die Technologie und die Fähigkeit zu entwickeln, diese Planeten zu untersuchen—um zum Beispiel festzustellen, ob sich auf ihnen mikrobielles Leben entwickelt haben könnte.” Dies sind die grundlegenden Fragen, die das TMT beantworten können sollte. Und doch wird das Riesenteleskop vielleicht nie gebaut.

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Diese Geschichte ist eine Auswahl aus der November-Ausgabe des Magazins Air & Space

Im Oktober 2014, als Beamte und Bautrupps zum Spatenstich zum Ort aufbrachen, blockierte eine Gruppe einheimischer hawaiianischer Demonstranten den Zugang zum Gipfel und weigerte sich, sich zu bewegen, bis das Projekt gestoppt wurde. Einheimische Hawaiianer betrachten den Mauna Kea als eine heilige Stätte, viele Generationen sind auf den Berg zurückgekehrt, um ihn zu begraben pikooder Nabelschnüre ihrer neugeborenen Kinder (piko bedeutet auch “Berggipfel” auf Hawaiianisch)—und haben sich seit Jahren lautstark gegen den Bau von Observatorien ausgesprochen. Der Gouverneur von Hawaii hat aus Angst vor Gewaltausbrüchen einen vorübergehenden Baustopp ausgehandelt. Dann, im vergangenen Dezember, hat der Oberste Gerichtshof des Bundesstaates die Baugenehmigung des Observatoriums aufgehoben und den Antrag für eine neue Anhörung an die Land- und Ressourcenbehörde zurückgeschickt. Obwohl die Manager des Teleskops immer noch hoffen, auf Mauna Kea aufbauen zu können, befürchten sie auch einen langen Rechtsstreit, den sie schließlich verlieren werden, und haben begonnen, Standorte in Baja California, den Kanarischen Inseln, Chile, Indien und China ernsthaft in Betracht zu ziehen.

Einige Hawaiianer kämpfen auch gegen die Verlängerung des 65-jährigen Pachtvertrags des gesamten Observatoriumskomplexes auf dem Gipfel, der am 31. Dezember 2033 ausläuft. Doug Simons ist der Direktor des 3,6-Meter-Canada France Hawaii Telescope und ehemaliger Direktor des Gemini Observatorium, das über zwei Acht-Meter-Teleskope auf dem Mauna Kea und in Chile verfügt. Er sagt, dass die Agenturen, die die Observatorien finanzieren, ohne Zusicherungen, dass der Master Lease verlängert wird, zögern werden, in Verbesserungen oder neue Instrumente zu investieren. Tatsächlich hatten einige Observatorien bereits damit begonnen, ihren Betrieb in Vorbereitung auf den Thirty Meter zu ändern. Der japanische Partner von TMT betreibt das Acht-Meter-Subaru-Teleskop des Mauna Kea und hatte damit begonnen, seine Instrumentierung so zu prüfen, dass es in Zusammenarbeit mit dem Neuankömmling ausschließlich als Weitfeldteleskop betrieben wird. “Sie haben den Weg noch nicht so weit beschritten, dass er unwiederbringlich ist,” Simons. “Aber sie haben die meisten Schritte von allen Mauna Kea Observatorien vor der Ankunft des TMT gemacht.” Wenn das Riesenteleskop nicht gebaut wird, muss sich Subaru erneut umkonfigurieren, um einen bedeutenden Beitrag zur Astronomie zu leisten. Und wenn die eingeborenen Hawaiianer Erfolg haben, wird der gesamte wissenschaftliche Komplex abgebaut und das Land an den Staat zurückgegeben.

Die Kontroverse um das TMT und seine Auswirkungen auf die anderen Mauna Kea-Observatorien scheinen eine lokale Geschichte zu sein, aber der Kampf ist auch ein Symbol für ein umfassenderes Problem. In den letzten Jahrzehnten wurde der Bereich der Astronomie von Bestrebungen dominiert, neuere und größere Teleskope zu bauen. Das TMT wird voraussichtlich 1,4 Milliarden US-Dollar kosten, und die anderen Observatorien, die in dieser Welle gebaut werden (alle drei in Chile), haben ähnliche Preise. Das Giant Magellan Telescope, das tatsächlich sieben 8,4-Meter-Teleskope beherbergen wird, wird wahrscheinlich eine Milliarde Dollar überschreiten. Das unglaublich riesige 39,3 Meter große European Extremely Large Telescope (E-ELT) wird voraussichtlich 1,35 Milliarden US-Dollar kosten. Und der Bau des relativ zierlichen 8,4 Meter Large Synoptic Survey Telescope (LSST) wird 650 Millionen US-Dollar kosten, aber die Rechnung steigt auf über 160 Milliarden US-Dollar, wenn es den Betrieb für die 10-Jahres-Himmelsvermessung beinhaltet, die 2020 beginnen soll “A Milliarde Dollar ist so ziemlich das Eintrittsgeld für dieses spezielle Spiel,”, sagt Shrinivas Kulkarni, Caltechs Direktor für optische Observatorien.

Mit nur einem 18-Zoll-Spiegel machte das erste Teleskop des Palomar-Observatoriums seit fast 60 Jahren historische Entdeckungen. (Palomar/Caltech-Archiv)

Da Caltech einer der Hauptpartner des Thirty Meter-Projekts ist, besteht ein Teil der Aufgabe von Kulkarni darin, diese Investition zu überwachen. Obwohl er den Bau des Observatoriums nachdrücklich unterstützt, glaubt er, dass der Trend zu diesen massiven und kostspieligen Projekten eine grundlegende Veränderung in der Astronomie darstellt. Kulkarni sagt, dass die Erforschung des Universums zunehmend zur Aufgabe der Physiker geworden ist – insbesondere der Teilchenphysiker – und sie betrachten die Welt ganz anders als Astronomen.

„Früher waren Astronomen die Phänomenologen des Universums“, sagt Kulkarni. “So wie ein Pflanzenbiologe verschiedene Pflanzenarten untersucht und ein Zoologe verschiedene Tierarten untersucht, tut ein Astronom dasselbe für das Universum. Wir suchen nach Sternen, nach Galaxien, nach intergalaktischen Medien und katalogisieren sie. Wir sehen, wie die Energie den Lebenszyklus von Sternen bildet, das Endprodukt, das Ökosystem. Fast könnte man Astronomen wie Zoologen und Biologen in erster Linie als Entdecker, als Katalogisierer und Erklärer betrachten. Das ist, was wir tun.”

Aber zwei Dinge haben das geändert, sagt er. Die erste war die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung in den 1960er Jahren. Diese Strahlung, im Wesentlichen das erste Licht im Universum, stammt nur wenige hunderttausend Jahre nach dem Urknall. 1989 startete die NASA COBE, den Cosmic Background Explorer, der es Astronomen ermöglichte, seine Natur ernsthaft zu untersuchen. COBE und mehrere nachfolgende Raumsonden, darunter Europas laufende Planck-Mission, haben die Verteilung dieser Strahlung im Universum kartiert. “Die Entdeckung der Hintergrundstrahlung zeigte die wahre Verbindung zwischen Astronomie und grundlegender Physik,” Kulkarni. Obwohl die Entdeckung weitgehend von den Techniken der Astronomie vorangetrieben wurde, lag es an den Physikern, die hochenergetische Umgebung direkt nach dem Urknall zu erklären. Plötzlich war das gesamte Universum ein Labor für Teilchenphysiker.

Diese Verschmelzung von Physik und Astronomie war zunächst ein Segen für beide Bereiche. Kulkarni weist darauf hin, dass es der theoretische Physiker Alan Guth war, der die Idee der kosmischen Inflation, einer der zentralen Ideen der modernen Astronomie, entwickelt hat.

Die zweite große Veränderung in der Astronomie war die Entdeckung der dunklen Energie. 1998 fanden zwei Gruppen von Astrophysikern, die Supernovae untersuchten, Beweise dafür, dass sich das Universum nicht nur ausdehnte, sondern sich beschleunigt ausdehnte. Diese mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Entdeckung führte zur Annahme einer Energieform, die die nach außen gerichtete Kraft erklären würde. Man geht heute davon aus, dass dunkle Energie mehr als 68 Prozent der Energie und Materie im Universum ausmacht. (Dunkle Materie macht 27 Prozent aus. Gewöhnliche Materie, das Zeug, das man sehen und erkennen kann, macht den Rest aus: weniger als fünf Prozent des Universums.)

Letztes Jahr blockierten einheimische hawaiianische Demonstranten, die den Mauna Kea für heilig halten, Baufahrzeuge vom neuen Teleskopstandort. (Holly Johnson/Hawaii Herald Tribune über AP)

Diese Entdeckungen haben unser Wissen über das Universum enorm erweitert. Sie zwangen aber auch Physiker und Astronomen, das Zusammenleben zu lernen, sagt Kulkarni. “Die Kultur der Teilchenphysik ist anders,”, sagt er. “So sehr Astronomen Phänomenologen sind—Forscher, die die Breite und Vielfalt des Universums sehen wollen—Physiker sind das genaue Gegenteil. Sie sind das, was wir Reduktionisten nennen. Sie versuchen, die Komplexität der Beobachtung von Phänomenen auf so wenige Prinzipien wie möglich zu reduzieren.” Der gesamte Körper dessen, was wir heute Mechanik nennen, leitet sich von Newtons zweitem Bewegungsgesetz ab: Kraft ist Masse mal Beschleunigung. Die Vorhersagekraft dieser Art von Theorem habe die Physik zum König der Wissenschaften gemacht, sagt Kulkarni, und die Mathematik zur Königin. Im Gegensatz zur Astronomie besteht der grundlegende Antrieb der Physik nicht darin, etwas Neues zu entdecken, sondern Theorien zur Erklärung bekannter Phänomene zu entwickeln und dann Experimente zu erstellen, um diese Theorien zu testen. Aufgrund des wachsenden Einflusses der Physik lenkt die Methode der Disziplin auch die gesamte Astronomie in diese Richtung.

Heute wird enorm viel Geld für diese großen Experimente ausgegeben, von denen viele ähnlich sind. “Die Europäer starten die Weltraummission namens Euclid, die, wie der Name schon sagt, die Geometrie des Weltraums untersucht,”, sagt Kulkarni. “Nicht zu übertreffen, bringen die USA im Jahr 2025 etwas namens WFIRST auf den Markt, das auch eine Geometrie des Universums produzieren wird. Und eines der Hauptziele von LSST ist die Messung der Geometrie des Universums. Es wurde also enorm viel Geld in diese sehr großen, hochkarätigen, fast einzigartig fokussierten, grundlegenden Experimente investiert.”

Diese Beobachtungen werden uns sicherlich viel lehren, aber aus Kulkarni's Sicht sind die für die Experimente erforderlichen Einrichtungen so groß, dass sie die Anzahl anderer Arten der Astronomie einschränken, die durchgeführt werden können. In all dem wird der Zufall verloren gehen, der sich aus der grundlegenden Erforschung ergibt.

Auch wenn andere Astronomen mit Kulkarni bezüglich der Schwere des Problems nicht einverstanden sein mögen, ist seine grundlegende Prämisse nicht besonders umstritten. Vor allem von jemandem vom Caltech, sagt Doug Simons: “Schauen Sie sich die Geschichte von Palomar [Observatorium] und Caltech an, die das Gebiet der Astronomie wie keine andere Schule dominiert haben. Wer hat zum Beispiel Quasare entdeckt? Das wurde im Wesentlichen bei Caltech und Palomar getan. Niemand wusste sogar, dass solche Objekte im Universum existierten…. Wir wissen jetzt, dass Schwarze Löcher Quasare antreiben, aber als [der niederländische Astronom Maartin] Schmidt den ersten Quasar, QC273, identifizierte, war dies ein völlig unvorhergesehenes Produkt innovativer Beobachtungen am Caltech. Das ist es, wovon [Kulkarni] redet: Dinge zu finden, von denen Sie nie wussten oder sich auch nur vorstellen konnten, dass sie im Universum existieren.”

Aber nicht alle sind mit der Vorstellung einverstanden, dass große physikbasierte Projekte die Chance auf den glücklichen Zufall nehmen, nach dem sich Kulkarni sehnt. Ed Stone widerlegt diese Idee, indem er auf den ersten Nachweis von Gravitationswellen am Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) verweist.“Ich glaube, dass viele Astronomen jetzt glauben,—als einmal eines entdeckt wurde, und die verschmelzenden Schwarzen Löcher, die es verursachten, waren viel massereicher als die Modelle vermuten ließen. Das bedeutet, dass wir etwas anderes über die Natur gelernt haben, als nur Einsteins Gravitationstheorie zu bestätigen. In vielen Fällen beginnt ein Experiment also damit, eine physikalische Frage zu beantworten, aber dann beginnt es, Fragen zu beantworten, die mit Astronomie und Astrophysik zu tun haben.”


Definitionen und Hintergrund

Der Begriff „extrasolare Planeten“ bezieht sich auf planetarische Körper, die in Umlaufbahnen um andere Sterne außerhalb unseres Sonnensystems existieren. Die Klassifizierung von Objekten als Planeten oder Braune Zwerge wird heute von Astronomen als abhängig von ihrer Masse, der Rolle der Kernreaktionen bei ihrer Energieerzeugung und ihrem Ursprung angesehen. 1,2 Objekte bis etwa 10 oder 20 Jupitermassen (MJ), die sich angeblich aus Staub- und Gasansammlungen einer protosolaren Scheibe bilden würden, gelten als Planeten. 3 Objekte ab ca. 10 oder 20 MJ bis 80 MJ werden im Allgemeinen als Braune Zwerge betrachtet, obwohl einige argumentiert haben, dass Braune Zwerge Massen von bis zu 3 M . haben könnenJ. 2 Es wird angenommen, dass sich Braune Zwerge durch den Gravitationskollaps von Nebeln bilden, da es sich tatsächlich um Sterne handelt. Bei Braunen Zwergen findet nur sehr wenig Kernfusion statt. Bei Braunen Zwergen kann eine gewisse Fusion von normalem Wasserstoff auftreten, aber sie besitzen keine ausreichende Masse für Deuterium-Fusionsreaktionen, wie dies bei normalen Sternen der Fall ist. Der Gravitationskollaps erzeugt bei Braunen Zwergen erhebliche Hitze. Die Temperatur von Braunen Zwergen ist im Allgemeinen einige hundert Grad kühler als die effektive Temperatur eines Sterns. Sowohl extrasolare Planeten als auch Braune Zwerge geben den größten Teil ihrer Energie im Infrarotbereich des Spektrums ab. Die am häufigsten vorkommenden Substanzen in beiden Arten von Objekten scheinen molekularer Wasserstoff und Wasser zu sein. 4 Da bei Braunen Zwergen nur eine sehr begrenzte Kernfusion auftritt, haben sie eine sehr geringe Leuchtkraft. Es wird angenommen, dass die von Braunen Zwergen abgegebene Energie mit der Zeit dramatisch abnimmt. Auf der anderen Seite wird angenommen, dass sich Planeten durch felsige Planetesimale bilden, die sich zu einem Kern zusammensetzen, dann zieht dieser Kern Gas und Staub an, um die äußeren Gasschichten eines Gasriesenplaneten zu bilden.

Die Unterscheidung zwischen großen Gasplaneten und Braunen Zwergen wird weiterhin diskutiert. Neunzehn Objekte wurden kürzlich im Sigma-Orionis-Sternhaufen entdeckt, die aktuelle naturalistische Ursprungstheorien in Frage stellen und die Definitionen von Planeten und Braunen Zwergen verwischen. Diese neuen Objekte scheinen im Massenbereich von 5 bis 15 M . zu liegenJ und sie sind keine umlaufenden Sterne. 5 Unter der Annahme, dass diese Massen korrekt sind, würde dies diese Objekte in eine Größenklasse einordnen, die normalerweise als zu klein angesehen wird, um Braune Zwerge zu sein. Daher wird die Natur dieser Objekte unter Forschern heiß diskutiert. Es ist wichtig zu beachten, dass dies die Art der Daten, die gesammelt werden können, stark einschränkt, wenn sie keine Sterne umkreisen. Die üblichen Methoden zur Massenbestimmung von extrasolaren Planeten und Braunen Zwergen können für diese Objekte nicht verwendet werden. Keine der drei in diesem Artikel beschriebenen Methoden zum Nachweis extrasolarer Planeten kann verwendet werden, um diese „Schurkenplaneten“ zu untersuchen. Dies macht die Massenschätzungen sehr unsicher und somit ist auch die Natur dieser Objekte unsicher.

Astronomen sind seit vielen Jahren daran interessiert, extrasolare Planeten zu entdecken, aber dies stellte erhebliche Probleme dar. Ein extrasolarer Planet hat eine millionen- oder milliardenfach schwächere Helligkeit als der Stern, dem er nahe ist. Ein Problem bei der Erkennung dieser Objekte ist die Art und Weise, wie das Licht des Sterns das Licht des Planeten maskiert. Bei den meisten Versuchen, Braune Zwerge und Planeten zu entdecken, wird gemessen, wie das Objekt die Bewegung des Sterns beeinflusst. Dies geschieht durch eine von zwei Methoden. In den frühen 1900er Jahren versuchten Astronomen, genaue Messungen der Position bestimmter naher Sterne durchzuführen, in der Hoffnung, Beweise für Planeten aus Störungen der Sternposition zu finden. Dies ist die astrometrische Methode. Diese Methode funktioniert am besten, wenn der Stern eine relativ geringe Masse hat und der Planet sehr massereich ist, aber weiter von seinem Stern entfernt als Jupiter von unserer Sonne. Dies liegt daran, dass, wenn der Planet näher an seinem Stern ist, die Verschiebung des Sterns, die als periodische Variation seiner gemessenen Position (oder „Wackeln“) gesehen wird, weniger ausgeprägt und daher schwieriger zu messen ist. Wenn der Planet dagegen weiter vom Stern entfernt ist, wird die Verschiebung des Sterns durch den Planeten größer und leichter zu erkennen. Je weiter der Planet vom Stern entfernt ist, desto länger ist seine Umlaufzeit. Natürlich ist auch die Entfernung von der Erde zu dem fraglichen Stern entscheidend, so dass Planeten in der Nähe weiter entfernter Sterne schwieriger zu erkennen wären.

Diese Verschiebung des Sterns durch umkreisende Planeten ist durchaus möglich und eine Folge gut verstandener Physik. Es ist zum Beispiel bekannt, dass unsere Sonne das gleiche „Wackeln“ durchmacht. Der Massenschwerpunkt unseres Sonnensystems liegt aufgrund der Anziehungskraft der verschiedenen Planeten auf der Sonne nicht genau im Mittelpunkt der Sonne. Obwohl die Bahn, die die Sonne um den Massenmittelpunkt des Sonnensystems zurücklegt, etwas kompliziert ist, ist es ungefähr so, als würde sie sich um einen Punkt in der Nähe der Sonnenoberfläche drehen. 2 Dies bedeutet, dass der Mittelpunkt der Sonne um über 695.000 km (ca. 432.300 Meilen) verschoben wird. In unserem Sonnensystem ist Jupiter für den größten Teil dieser Wirkung auf die Sonne verantwortlich. Ein hypothetischer Beobachter in einer Entfernung von 30 oder 40 Lichtjahren von der Erde, der die Position unseres Sterns über einen Zeitraum von Jahren aufzeichnet, würde eine periodische Änderung der Position unseres Sterns in Bezug auf die Hintergrundsterne feststellen (sogenannte Eigenbewegung). ). In den letzten Jahren war die Anwendung der astrometrischen Methode auf Forscher beschränkt, die einige der größten Teleskope verwenden. Bisher gab es keine erfolgreichen Nachweise von extrasolaren Planeten mit der astrometrischen Methode. Es gab einige Berichte über Versuche, einige Planetenobjekte selbst direkt abzubilden, aber diese Messungen werden im Allgemeinen als sehr unsicher angesehen. In den kommenden Jahren plant die NASA den Bau großer weltraumgestützter Teleskope, die mit der astrometrischen Methode nach extrasolaren Planeten suchen.

Die andere verwendete Methode ist die spektroskopische Methode, bei der das Spektrum des fernen Sterns untersucht wird. Die spektroskopische Methode verwendet Doppler-Techniken, um die Geschwindigkeitsschwankungen des Sterns zu messen, während er sich auf die Erde zu oder von ihr weg bewegt. Um die Perspektive zu verdeutlichen, verursacht Jupiter eine Änderung der Sonnengeschwindigkeit von 13 m pro Sekunde. Die heutigen Techniken in der Spektroskopie sind ziemlich genau und können manchmal sogar noch weniger Geschwindigkeitsschwankungen erkennen. Die Anwesenheit eines umkreisenden Begleiters, sei es ein Brauner Zwerg oder ein Planet, führt dazu, dass sich die Emissions- oder Absorptionslinien des Sterns aufgrund des Doppler-Effekts in der Frequenz nach oben und unten verschieben. Diese Rot- und Blauverschiebungen in den Spektren sind sehr wiederholbar und konsistent, wenn sie tatsächlich von einem echten Begleitobjekt stammen. Da es andere Prozesse gibt, die ähnliche Rot- und Blauverschiebungen des Sternenlichts verursachen können, muss darauf geachtet werden, dass die periodische Variation nicht durch einen anderen Prozess als die Bewegung des Sterns verursacht wird. Im Allgemeinen müssen die Beobachtungen mehrmals wiederholt werden, oft über Jahre hinweg, um festzustellen, ob die Rot- und Blauverschiebungen wiederholbar sind und kein vorübergehendes Phänomen. Der spektroskopische Ansatz eignet sich am besten für Fälle, in denen sich der Planet ziemlich nahe am Stern befindet, da in diesem Fall die Geschwindigkeitsschwankungen ausgeprägter sind, als wenn der Planet weiter entfernt wäre.

Bei solchen Doppler-Messungen wird eigentlich nur die Radialgeschwindigkeit in Bezug auf die Erde gemessen. Diese Radialgeschwindigkeit ist die Komponente der Geschwindigkeit des Sterns entlang einer Linie, die die Erde und den entfernten Stern verbindet. Wenn der Stern eine deutliche periodische Änderung seiner Dopplerverschiebung zeigt, kann dies darauf hindeuten, dass der Stern von den regulären Umlaufbahnen des Begleitobjekts gezogen und leicht in seiner Bewegung bewegt wird. Aus der Periode der Doppler-Variationen kann die Umlaufperiode des Begleitobjekts abgeschätzt werden, und die Größe der Doppler-Variationen ermöglicht die Bestimmung der radialen Geschwindigkeitsschwankungen. Der Betrag der Geschwindigkeitsvariation wird mit bekannten Daten über den Stern verwendet, um die minimale Masse zu berechnen, die im Planeten erforderlich ist, um die Geschwindigkeitsvariationen im Stern zu verursachen. Die tatsächliche Masse des Begleiters lässt sich nicht ermitteln, lediglich eine untere Grenze lässt sich ermitteln. Diese Bestimmung geht davon aus, dass die Variation der Rotverschiebung tatsächlich ein Dopplereffekt aufgrund der Bewegung des Sterns ist. Die untere Grenze der Masse des Begleiters geht davon aus, dass die Umlaufbahn des Begleiters genau im Winkel mit der 'Sichtlinie' ausgerichtet ist, die Erde und Stern verbindet. Wenn die Umlaufbahn des Begleiters um den Stern in Bezug auf die Sichtlinie der Erde geneigt ist, muss seine Masse größer als die untere Grenze sein, damit seine Schwerkraft die gleiche beobachtete Wirkung auf die Geschwindigkeit des Sterns hat. Dies ist wichtig zu verstehen, denn wenn ein Objekt gefunden wurde, das 6 MJ seine Masse könnte tatsächlich größer sein, wenn die Umlaufbahn des Planeten erheblich geneigt wäre.

Es gibt noch eine andere Technik zur Detektion extrasolarer Planeten, aber dieser Ansatz war bisher nur in einem Fall möglich. 6 Es handelt sich um eine direkte Durchgangsmessung. Direkte Transitmessungen werden in unserem Sonnensystem durchgeführt, wenn Merkur oder Venus zwischen Sonne und Erde wandern. Wenn dies geschieht, würde die Venus zum Beispiel einen sehr winzigen Teil der Sonne blockieren und das Licht der Sonne würde modifiziert, wenn es durch die Atmosphäre der Venus strömt. (Wenn dies bei der Venus der Fall wäre, könnte die Zusammensetzung der Atmosphäre der Venus gemessen werden.) Damit eine direkte Transitmessung für extrasolare Planeten möglich ist, muss die Umlaufbahn des extrasolaren Planeten so ausgerichtet sein, dass der Planet zwischen Erde und Stern verläuft. Wenn sich der Planet zwischen dem Stern und der Erde bewegt, verursacht dies einen winzigen Abfall der Intensität des Lichts des Sterns von der Erde aus zu sehen. Transitmessungen ermöglichen es Forschern, die Dichte des Planeten und die Neigung seiner Umlaufbahn in Bezug auf den Stern abzuschätzen. Die Messung der Dichte ist sehr wichtig, da damit ein gasförmiges Objekt von einem festen unterschieden werden kann. Mit den astrometrischen und spektroskopischen Methoden kann nicht festgestellt werden, ob das Begleitobjekt gasförmig oder felsig ist, da tatsächlich das Licht des Sterns und nicht des Begleitobjekts selbst gemessen wird.

Im November 1999 berichteten die Forscher Marcy, Butler und Vogt mit dem Keck-Observatorium auf Hawaii über eine solche Transitmessung eines Planeten um den Stern HD 209458. Dieser Stern ähnelt unserer Sonne und ist 153 Lichtjahre von der Erde entfernt. Doppler-Messungen zeigten, dass der Planet etwa 62 % der Masse des Jupiter ausmachte und den Stern alle 3,5 Tage einmal umkreiste. Nach der Messung des Helligkeitsabfalls des Sterns konnte Marcys Team die Zeiten vorhersagen, in denen andere Astronomen in den folgenden Tagen denselben Helligkeitsabfall messen könnten. Astronomen an zwei Observatorien konnten die Beobachtung genau wie vorhergesagt bestätigen, am Fairborn Observatory in Arizona und an der Harvard University. Dies könnte der stärkste Beweis für die Entdeckung extrasolarer Planeten sein. Die vom Marcy- und Butler-Team ermittelte Dichte deutet darauf hin, dass dieser Planet noch weniger dicht ist als Saturn. Eine der Messungen des Transitereignisses beinhaltete einen 1,58%igen Helligkeitsabfall des Sterns. 6 Dies mag wie eine sehr kleine Helligkeitsänderung erscheinen, aber moderne Techniken sind in der Lage, Effekte in dieser Größenordnung zu messen. Einige statistische Analysen der Beobachtungen waren erforderlich, um die Parameter aus theoretischen Modellen zu erhalten, um die Beobachtungen an die Theorie anzupassen. Dieselbe Transittechnik wird routinemäßig in anderen astronomischen Forschungen verwendet, beispielsweise bei Beobachtungen von verfinsterten Doppelsternen.


Mars-Apokalypsen sowohl real als auch eingebildet

Interessanterweise waren 1909 Wissenschaftler, die den Mars durch Teleskope beobachteten, überzeugt, dass sie Anzeichen einer Apokalypse in Aktion sahen. Ein Artikel mit dem Titel „Life on Mars Ended by a Cataclysm“ erschien in der New York Times vom 28. Oktober 1909 und beschrieb die schreckliche Szene, die sich angeblich auf der Marsoberfläche abspielte.

„Ein düsterer gelber Schleier hat riesige Teile der Marsoberfläche verhüllt“, schrieben britische Wissenschaftler in der Zeitschrift der British Astronomical Association. Sie behaupteten, dieser Schleier habe die Oberflächenmarkierungen vollständig bedeckt, die vom berühmten amerikanischen Astronomen Percival Lowell als ein Netzwerk von Kanälen identifiziert wurden, das von einer Rasse intelligenter Wesen gebaut wurde. Die Ausbreitung der gelben Wolke folgte dicht auf das beobachtete Aufbrechen der südlichen Eiskappe des Planeten, und dies führte zu dem Schluss, dass massive Erdbeben, magnetische Stürme oder vulkanische Aktivitäten die Gesellschaft des Mars endgültig zerstört hatten.

Zu ihrer Ehre haben viele Wissenschaftler diese Theorie – und die Idee, dass der Mars bewohnt war – schon damals abgelehnt. Letztendlich erwiesen sich Lowells Schlussfolgerungen über die Kanäle des Mars durch direkte Beobachtung als falsch. Interessant ist jedoch, dass Percival Lowell immer noch als einer der Gründerväter und Leitfiguren der Astronomie des 20. Jahrhunderts gilt. Es scheint, dass der Mars die Fähigkeit hat, selbst bei den am besten ausgebildeten wissenschaftlichen Beobachtern ein Gefühl des Staunens und der Möglichkeit zu wecken.

In jüngerer Zeit hat der Plasmaphysiker John Brandenburg viel Aufmerksamkeit für seine Behauptung erregt, dass ein thermonuklearer Krieg auf dem Mars vor 180 Millionen Jahren das Leben auf dem Planeten ausgelöscht hat. Als Beweis für diese nukleare Katastrophe führt Brandenburg die Existenz radioaktiver Elemente im Marsboden und in der Atmosphäre an.

„Die Marsoberfläche ist mit einer dünnen Schicht radioaktiver Substanzen bedeckt, darunter Uran, Thorium und radioaktives Kalium“, bemerkt er. Brandenburg verweist auf erhöhte Werte des Gases Xenon-129 in der Marsatmosphäre als den wichtigsten Beweis für seine Theorie, da Xenon-129 eine seltene Substanz ist, die typischerweise im Fallout nuklearer Explosionen vorkommt.

Brandenburg glaubte einst, diese Atomexplosionen seien durch natürliche Prozesse ausgelöst worden. Aber später änderte er seine Meinung und glaubt nun, dass während eines Bürgerkriegs auf dem Mars Atomwaffen eingesetzt wurden, der letztendlich zum Aussterben des Planeten führte.

Die meisten Wissenschaftler, die die Chemie des Mars studiert haben, glauben, dass das Xenon-129 in der Atmosphäre des Planeten durch kosmischen Strahlenbombardement entstanden ist. Sie lehnen Brandenburgs Atomkriegsszenario ab, das wie Lowells Theorie der Marskanäle auf zu wenig Beweisen und zu viel Spekulation aufgebaut zu sein scheint.

Wie vorherzusehen war, wurde Brandenburg von vielen als Spinner abgetan. Aber er hat während seiner langen und erfolgreichen Karriere für mehrere wissenschaftliche und Bildungseinrichtungen gearbeitet, und wie Lowell sind seine wissenschaftlichen Referenzen tadellos.


Atomkerne Form

Als das Universum etwa 3 Minuten alt war und seine Temperatur auf etwa 900 Millionen K gesunken war, konnten sich Protonen und Neutronen verbinden. Bei höheren Temperaturen wurden diese Atomkerne durch Wechselwirkungen mit hochenergetischen Photonen sofort auseinander gesprengt und konnten somit nicht überleben. Aber bei den Temperaturen und Dichten, die zwischen 3 und 4 Minuten nach Beginn erreicht wurden, dauerte Deuterium (ein Proton und Neutron) lange genug, dass Kollisionen einen Teil davon in Helium umwandeln konnten ([Link]). Im Wesentlichen verhielt sich das gesamte Universum so, wie es die Zentren von Sternen heute tun – indem es neue Elemente aus einfacheren Komponenten verschmolz. Außerdem könnte sich auch etwas Element 3, Lithium, bilden.

Dieser Ausbruch kosmischer Fusion war jedoch nur ein kurzes Zwischenspiel. 4 Minuten nach dem Urknall hatte mehr Helium Probleme, sich zu bilden. Das Universum dehnte sich immer noch aus und kühlte ab. Nach der Bildung von Helium und etwas Lithium war die Temperatur so tief gefallen, dass die Verschmelzung von Heliumkernen zu noch schwereren Elementen nicht stattfinden konnte. In den ersten Minuten konnten sich keine Elemente außer Lithium bilden. Diese 4-Minuten-Periode war das Ende der Zeit, in der das gesamte Universum eine Fusionsfabrik war. Im kühlen Universum, das wir heute kennen, beschränkt sich die Verschmelzung neuer Elemente auf die Zentren von Sternen und die Explosionen von Supernovae.

Dennoch ist die Tatsache, dass das Urknallmodell die Erzeugung einer großen Menge Helium ermöglicht, die Antwort auf ein seit langem bestehendes Rätsel in der Astronomie. Einfach ausgedrückt, es gibt einfach zu viel Helium im Universum, als dass man es mit dem erklären könnte, was im Inneren von Sternen passiert. Alle Generationen von Sternen, die seit dem Urknall Helium produziert haben, können die von uns beobachtete Heliummenge nicht erklären. Darüber hinaus weisen selbst die ältesten Sterne und die am weitesten entfernten Galaxien erhebliche Mengen an Helium auf. Diese Beobachtungen finden eine natürliche Erklärung in der Heliumsynthese durch den Urknall selbst in den ersten Minuten der Zeit. Wir schätzen das 10 mal mehr Helium in den ersten 4 Minuten des Universums hergestellt wurde als in allen Generationen von Sternen in den folgenden 10 bis 15 Milliarden Jahren.


Potenzielle Standorte:

Innerhalb des Sonnensystems gibt es mehrere mögliche Standorte, die sich für Terraforming gut eignen könnten. Bedenken Sie, dass neben der Erde auch Venus und Mars in der habitablen Zone der Sonne (auch bekannt als “Goldilocks Zone”) liegen. Aufgrund des Treibhauseffekts der Venus und des Fehlens einer Magnetosphäre auf dem Mars sind ihre Atmosphären jedoch entweder zu dick und heiß oder zu dünn und kalt, um Leben, wie wir es kennen, zu erhalten. Dies könnte jedoch theoretisch durch die richtige Art von ökologischem Engineering geändert werden.

Andere potenzielle Standorte im Sonnensystem sind einige der Monde, die die Gasriesen umkreisen. Mehrere Jupitermonde (dh in der Umlaufbahn des Jupiter) und Cronian (in der Umlaufbahn des Saturn) haben eine Fülle von Wassereis, und Wissenschaftler haben spekuliert, dass bei einer Erhöhung der Oberflächentemperaturen durch Elektrolyse und die Einführung von Puffergasen lebensfähige Atmosphären geschaffen werden könnten .

Künstlerische Vorstellung eines terraformierten Mars. Bildnachweis: Ittiz/Wikimedia Commons

Es gibt sogar Spekulationen, dass Merkur und der Mond (oder zumindest Teile davon) terraformiert werden könnten, um für menschliche Besiedlung geeignet zu sein. In diesen Fällen müsste beim Terraforming nicht nur die Oberfläche verändert, sondern möglicherweise auch deren Rotation angepasst werden. Am Ende bietet jeder Fall seinen eigenen Anteil an Vorteilen, Herausforderungen und Erfolgschancen. Betrachten wir sie in der Reihenfolge ihrer Entfernung von der Sonne.


Inhalt

Im Jahr 1784 veröffentlichte der in Deutschland geborene britische Astronom William Herschel einen Artikel über seine Beobachtungen der Marsatmosphäre in Philosophical Transactions und bemerkte die gelegentliche Bewegung einer helleren Region auf dem Mars, die er Wolken und Dämpfen zuschrieb. [22] [23] Im Jahr 1809 schrieb der französische Astronom Honoré Flaugergues über seine Beobachtung von "gelben Wolken" auf dem Mars, die wahrscheinlich Staubsturmereignisse sind.[22] Im Jahr 1864 bemerkte William Rutter Dawes, dass „die rötliche Färbung des Planeten nicht aus einer Eigentümlichkeit seiner Atmosphäre entsteht, sondern durch die Tatsache, dass die Rötung immer in der Nähe des Zentrums am tiefsten ist, wo sich die Atmosphäre befindet, vollständig bewiesen zu sein“ am dünnsten." [24] Spektroskopische Beobachtungen in den 1860er und 1870er Jahren [25] ließen viele glauben, die Atmosphäre des Mars sei der Erdatmosphäre ähnlich. Im Jahr 1894 legten jedoch Spektralanalysen und andere qualitative Beobachtungen von William Wallace Campbell nahe, dass der Mars in vielerlei Hinsicht dem Mond ähnelt, der keine nennenswerte Atmosphäre besitzt. [25] Im Jahr 1926 ermöglichten fotografische Beobachtungen von William Hammond Wright am Lick-Observatorium Donald Howard Menzel, quantitative Beweise für die Marsatmosphäre zu entdecken. [26] [27]

Mit einem verbesserten Verständnis der optischen Eigenschaften atmosphärischer Gase und dem Fortschritt in der Spektrometertechnologie begannen Wissenschaftler Mitte des 20. Jahrhunderts, die Zusammensetzung der Marsatmosphäre zu messen. Lewis David Kaplan und sein Team entdeckten 1964 die Signale von Wasserdampf und Kohlendioxid im Spektrogramm des Mars [28] sowie Kohlenmonoxid im Jahr 1969. [29] 1965 bestätigten die Messungen beim Vorbeiflug von Mariner 4, dass die Die Marsatmosphäre besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid und der Oberflächendruck beträgt etwa 400 bis 700 Pa. [30] Nachdem die Zusammensetzung der Marsatmosphäre bekannt war, begann die astrobiologische Forschung auf der Erde, um die Lebensfähigkeit des Lebens auf dem Mars zu bestimmen. Dafür wurden Behälter entwickelt, die Umweltbedingungen auf dem Mars simulierten, sogenannte „Mars jars“. [31]

1976 lieferten zwei Lander des Viking-Programms die ersten In-situ-Messungen der Zusammensetzung der Marsatmosphäre. Ein weiteres Ziel der Mission umfasste Untersuchungen nach Beweisen für vergangenes oder gegenwärtiges Leben auf dem Mars (siehe biologische Experimente mit Viking-Landern). [32] Seitdem wurden viele Orbiter und Lander zum Mars geschickt, um verschiedene Eigenschaften der Marsatmosphäre zu messen, wie die Konzentration von Spurengasen und Isotopenverhältnisse. Darüber hinaus bieten Teleskopbeobachtungen und Analysen von Marsmeteoriten unabhängige Informationsquellen, um die Ergebnisse zu überprüfen. Die Bilder und Messungen dieser Raumsonden verbessern unser Verständnis der atmosphärischen Prozesse außerhalb der Erde erheblich. Der Rover Neugierde und der lander Einblick arbeiten immer noch auf der Marsoberfläche, um Experimente durchzuführen und das lokale Tageswetter zu melden. [33] [34] Der Rover Ausdauer und Hubschrauber Einfallsreichtum, die das Programm Mars 2020 bildete, landete im Februar 2021. Der Rover Rosalind Franklin soll 2022 starten.

Kohlendioxid Bearbeiten

CO2 ist der Hauptbestandteil der Marsatmosphäre und Atmosphäre. Es hat ein mittleres Volumenverhältnis von 94,9%. [3] In winterlichen Polargebieten kann die Oberflächentemperatur niedriger sein als der Frostpunkt von CO2. CO2 Gas in der Atmosphäre kann an der Oberfläche zu 1–2 m dickem festem Trockeneis kondensieren. [4] Im Sommer kann die polare Trockeneiskappe sublimieren und das CO . freisetzen2 zurück zur Atmosphäre. Infolgedessen können auf dem Mars erhebliche jährliche Schwankungen des Atmosphärendrucks (≈25%) und der atmosphärischen Zusammensetzung beobachtet werden. [35] Der Kondensationsprozess kann durch die Clausius-Clapeyron-Beziehung für CO2. [36] [4]

Trotz der hohen CO .-Konzentration2 in der Marsatmosphäre ist der Treibhauseffekt auf dem Mars aufgrund der geringen Wasserdampfkonzentration und des niedrigen Atmosphärendrucks relativ schwach (ca. 5 °C). Während Wasserdampf in der Erdatmosphäre den größten Beitrag zum Treibhauseffekt auf der modernen Erde leistet, ist er in der Marsatmosphäre nur in sehr geringer Konzentration vorhanden. Darüber hinaus können Treibhausgase bei niedrigem Luftdruck Infrarotstrahlung nicht effektiv absorbieren, da der druckverbreiternde Effekt schwach ist. [37] [38]

In Gegenwart von solarer UV-Strahlung (, Photonen mit einer Wellenlänge kleiner als 225 nm), CO2 in der Marsatmosphäre kann über die folgende Reaktion photolysiert werden:

CO
2 + hν ( λ < 225 nm) ⟶ CO + O

Wenn keine chemische CO .-Produktion stattfindet2, das ganze CO2 in der gegenwärtigen Marsatmosphäre in etwa 3.500 Jahren durch Photolyse entfernt werden würde. [4] Die bei der Photolyse von Wasserdampf entstehenden Hydroxylradikale (OH) werden zusammen mit den anderen ungeraden Wasserstoffspezies (z. B. H, HO2), kann Kohlenmonoxid (CO) wieder in CO . umwandeln2. Der Reaktionszyklus kann wie folgt beschrieben werden: [39] [40]

Auch das Mischen spielt eine Rolle bei der CO .-Regeneration2 indem man O, CO und O2 in der oberen Atmosphäre nach unten. [4] Das Gleichgewicht zwischen Photolyse und Redoxproduktion hält die durchschnittliche CO .-Konzentration2 stabil in der modernen Marsatmosphäre.

CO2 Eiswolken können sich in winterlichen Polargebieten und in sehr großen Höhen (>50 km) in tropischen Regionen bilden, wo die Lufttemperatur niedriger ist als der Frostpunkt von CO2. [2] [41] [42]

Stickstoff Bearbeiten

Nein2 ist das zweithäufigste Gas in der Marsatmosphäre. Es hat ein mittleres Volumenverhältnis von 2,6%. [3] Verschiedene Messungen zeigten, dass die Marsatmosphäre um 15 N angereichert ist. [43] [44] Die Anreicherung des schweren Stickstoffisotops wird möglicherweise durch massenselektive Austrittsprozesse verursacht. [45]

Argon Bearbeiten

Argon ist das dritthäufigste Gas in der Marsatmosphäre. Es hat ein mittleres Volumenverhältnis von 1,9 %. [3] In Bezug auf stabile Isotope ist der Mars mit 38 Ar relativ zu 36 Ar angereichert, was auf hydrodynamisches Entweichen zurückgeführt werden kann.

Eines der Isotope von Argon, 40 Ar, entsteht aus dem radioaktiven Zerfall von 40 K. 36 Ar hingegen ist urtümlich: Es war nach der Entstehung des Mars in der Atmosphäre vorhanden. Beobachtungen deuten darauf hin, dass der Mars an 40 Ar relativ zu 36 Ar angereichert ist, was nicht auf massenselektive Verlustprozesse zurückgeführt werden kann. [48] ​​Eine mögliche Erklärung für die Anreicherung ist, dass in der frühen Geschichte des Mars durch die Einschlagerosion ein erheblicher Teil der Uratmosphäre, einschließlich 36 Ar, ​​verloren ging, während 40 Ar nach dem Einschlag in die Atmosphäre emittiert wurde. [48] ​​[4]

Sauerstoff und Ozon Bearbeiten

Das geschätzte mittlere Volumenverhältnis von molekularem Sauerstoff (O2) in der Marsatmosphäre beträgt 0,174 %. [3] Es ist eines der Produkte der Photolyse von CO2, Wasserdampf und Ozon (O3). Es kann mit atomarem Sauerstoff (O) reagieren, um Ozon (O3). Im Jahr 2010 entdeckte das Herschel-Weltraumobservatorium molekularen Sauerstoff in der Marsatmosphäre. [49]

Atomarer Sauerstoff entsteht durch Photolyse von CO2 in der oberen Atmosphäre und kann durch dissoziative Rekombination oder Ionenaufnahme aus der Atmosphäre entweichen. Anfang 2016 entdeckte das Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA) atomaren Sauerstoff in der Atmosphäre des Mars, der seit der Viking- und Mariner-Mission in den 1970er Jahren nicht mehr gefunden wurde. [50]

Im Jahr 2019 entdeckten Nasa-Wissenschaftler, die an der Rover-Mission Curiosity arbeiten und Messungen des Gases vorgenommen haben, dass die Sauerstoffmenge in der Marsatmosphäre im Frühjahr und Sommer um 30% gestiegen ist. [51]

Ähnlich wie stratosphärisches Ozon in der Erdatmosphäre kann das in der Marsatmosphäre vorhandene Ozon durch katalytische Zyklen mit ungeraden Wasserstoffspezies zerstört werden:

Da Wasser eine wichtige Quelle dieser seltsamen Wasserstoffspezies ist, wird in den Regionen mit geringerem Wasserdampfgehalt normalerweise eine höhere Ozonhäufigkeit beobachtet. [52] Messungen zeigten, dass die gesamte Ozonsäule im Winter und Frühjahr, wenn die Luft kalt ist und einen niedrigen Wassersättigungsgrad aufweist, um die Pole 2–30 μm atm erreichen kann. [53] Die tatsächlichen Reaktionen zwischen Ozon und ungeraden Wasserstoffspezies können durch die heterogenen Reaktionen, die in Wasser-Eis-Wolken stattfinden, noch komplizierter werden. [54]

Es wird angenommen, dass die vertikale Verteilung und Saisonalität des Ozons in der Marsatmosphäre durch die komplexen Wechselwirkungen zwischen Chemie und dem Transport sauerstoffreicher Luft von sonnenbeschienenen Breiten zu den Polen bestimmt wird. [55] [56] Das UV/IR-Spektrometer an Mars-Express (SPICAM) hat das Vorhandensein von zwei unterschiedlichen Ozonschichten in niedrigen bis mittleren Breiten gezeigt. Diese bestehen aus einer persistenten, oberflächennahen Schicht unterhalb einer Höhe von 30 km, einer separaten Schicht, die nur im nördlichen Frühjahr und Sommer in einer Höhe von 30 bis 60 km vorhanden ist, und einer weiteren separaten Schicht, die 40–60 km oberhalb der Südpol im Winter, ohne Gegenstück über dem Nordpol des Mars. [57] Diese dritte Ozonschicht zeigt eine abrupte Höhenabnahme zwischen 75 und 50 Grad Süd. SPICAM stellte einen allmählichen Anstieg der Ozonkonzentration in 50 km Entfernung bis Mitte des Winters fest, danach nahm sie langsam auf sehr niedrige Konzentrationen ab, wobei keine Schicht oberhalb von 35 km nachweisbar war. [55]

Wasserdampf Bearbeiten

Wasserdampf ist ein Spurengas in der Marsatmosphäre und weist eine enorme räumliche, tages- und jahreszeitliche Variabilität auf. [58] [59] Messungen von Viking Orbiter in den späten 1970er Jahren legten nahe, dass die gesamte globale Gesamtmasse an Wasserdampf etwa 1 bis 2 km 3 Eis entspricht. [60] Neuere Messungen von Mars-Express orbiter zeigte, dass die weltweit gemittelte jährliche Säulenhäufigkeit von Wasserdampf etwa 10-20 ausfällbare Mikrometer (pr. μm) beträgt. [61] [62] Die maximale Häufigkeit von Wasserdampf (50-70 pr. μm) wird in den nördlichen Polarregionen im Frühsommer aufgrund der Sublimation von Wassereis in der Polkappe gefunden. [61]

Anders als in der Erdatmosphäre können Flüssigwasserwolken in der Marsatmosphäre aufgrund des niedrigen Atmosphärendrucks nicht existieren. Zirrusartige Wasser-Eis-Wolken wurden von den Kameras beobachtet Gelegenheit Rover und Phönix Lander. [63] [64] Messungen des Phönix lander zeigte, dass sich nachts Wasser-Eis-Wolken an der Spitze der planetaren Grenzschicht bilden und in der nördlichen Polarregion als Eiskristalle an die Oberfläche zurückfallen können. [59] [65]

Staub Bearbeiten

Bei ausreichend starkem Wind (> 30 ms –1 ) können Staubpartikel mobilisiert und von der Oberfläche in die Atmosphäre gehoben werden. [2] [4] Einige der Staubpartikel können in der Atmosphäre schweben und durch Zirkulation wandern, bevor sie wieder auf den Boden fallen. [13] Staubpartikel können die Sonnenstrahlung dämpfen und mit Infrarotstrahlung interagieren, was zu einer erheblichen Strahlungswirkung auf dem Mars führen kann. Orbiter-Messungen deuten darauf hin, dass die global gemittelte optische Staubtiefe ein Hintergrundniveau von 0,15 hat und Spitzen in der Perihel-Saison (südlicher Frühling und Sommer) aufweist. [66] Die lokale Staubhäufigkeit variiert stark nach Jahreszeiten und Jahren. [66] [67] Während globaler Staubereignisse können Marsoberflächenelemente eine optische Tiefe von über 4 beobachten. [68] [69] Oberflächenmessungen zeigten auch, dass der effektive Radius von Staubpartikeln von 0,6 μm bis 2 μm reicht und eine erhebliche Saisonalität aufweist . [69] [70] [71]

Staub hat eine ungleichmäßige vertikale Verteilung auf dem Mars. Neben der planetaren Grenzschicht zeigten Sondierungsdaten, dass es in größerer Höhe (z. B. 15–30 km über der Oberfläche) weitere Spitzen des Staubmischungsverhältnisses gibt. [72] [73] [13]

Methan Bearbeiten

Als vulkanische und biogene Spezies ist Methan für Geologen und Astrobiologen interessant. [20] Methan ist jedoch in einer oxidierenden Atmosphäre mit UV-Strahlung chemisch instabil. Die Lebensdauer von Methan in der Marsatmosphäre beträgt etwa 400 Jahre. [74] Der Nachweis von Methan in einer planetarischen Atmosphäre kann auf das Vorhandensein neuer geologischer Aktivitäten oder lebender Organismen hinweisen. [20] [75] [76] [74] Seit 2004 wurden Spuren von Methan (Bereich von 60 ppb bis unter die Nachweisgrenze (< 0,05 ppb)) in verschiedenen Missionen und Beobachtungsstudien gemeldet. [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [15] Die Methanquelle auf dem Mars und die Erklärung für die enorme Diskrepanz der beobachteten Methankonzentrationen sind noch unter aktiver Debatte. [21] [20] [74]

Siehe auch den Abschnitt "Nachweis von Methan in der Atmosphäre" für weitere Details.

Schwefeldioxid Bearbeiten

Schwefeldioxid (SO2) in der Atmosphäre wäre ein Indikator für die aktuelle vulkanische Aktivität. Besonders interessant wurde es durch die langjährige Kontroverse um Methan auf dem Mars. Wenn in der jüngeren Marsgeschichte Vulkane aktiv waren, wird erwartet, dass SO gefunden wird2 zusammen mit Methan in der aktuellen Marsatmosphäre. [86] [87] Kein SO2 in der Atmosphäre nachgewiesen wurde, mit einer oberen Empfindlichkeitsgrenze von 0,2 ppb. [88] [89] Ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des NASA Goddard Space Flight Center berichtete jedoch von der Entdeckung von SO2 in Rocknest-Bodenproben, die von der Neugierde Rover im März 2013. [90]

Andere Spurengase Bearbeiten

Kohlenmonoxid (CO) entsteht durch die Photolyse von CO2 und reagiert schnell mit den Oxidationsmitteln in der Marsatmosphäre, um CO . neu zu bilden2. Das geschätzte mittlere Volumenverhältnis von CO in der Marsatmosphäre beträgt 0,0747 %. [3]

Edelgase außer Helium und Argon sind in Spuren vorhanden (≈10 - [ Klärung nötig ] 0,01 ppmv) in der Marsatmosphäre. Die Konzentration von Helium, Neon, Krypton und Xenon in der Marsatmosphäre wurde von verschiedenen Missionen gemessen. [91] [92] [93] [94] Die Isotopenverhältnisse der Edelgase geben Aufschluss über die frühen geologischen Aktivitäten auf dem Mars und die Entwicklung seiner Atmosphäre. [91] [94] [95]

Molekularer Wasserstoff (H2) entsteht durch die Reaktion zwischen ungeraden Wasserstoffspezies in der mittleren Atmosphäre. Es kann durch Mischung oder Diffusion an die obere Atmosphäre abgegeben werden, durch Sonneneinstrahlung in atomaren Wasserstoff (H) zerfallen und der Marsatmosphäre entkommen. [96] Photochemische Modellierung schätzte, dass das Mischungsverhältnis von H2 in der unteren Atmosphäre beträgt etwa 15 ± 5 ppmv. [96]

Die vertikale Temperaturstruktur der Marsatmosphäre unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht von der Erdatmosphäre. Informationen über die vertikale Struktur werden normalerweise abgeleitet, indem die Beobachtungen von thermischen Infrarotsondierungen, Funkbedeckung, Aerobraking und Einflugprofilen von Landern verwendet werden. [97] [98] Die Atmosphäre des Mars lässt sich nach dem durchschnittlichen Temperaturprofil in drei Schichten einteilen:

  • Troposphäre (≈0–40 km): Die Schicht, in der die meisten Wetterphänomene (z. B. Konvektion und Staubstürme) stattfinden. Seine Dynamik wird stark von der tagsüber auftretenden Flächenerwärmung und der Menge an schwebendem Staub bestimmt. Der Mars hat aufgrund seiner geringeren Schwerkraft eine höhere Skalenhöhe von 11,1 km als die Erde (8,5 km). [5] Die theoretische trockene adiabatische Abfallrate des Mars beträgt 4,3 °C km −1 , [99] aber die gemessene durchschnittliche Abfallrate beträgt etwa 2,5 °C km −1, da die schwebenden Staubpartikel Sonnenstrahlung absorbieren und die Luft erwärmen. [2] Die planetarische Grenzschicht kann sich tagsüber bis zu einer Dicke von über 10 km ausdehnen. [2][100] Der oberflächennahe Tagestemperaturbereich ist aufgrund der geringen thermischen Trägheit sehr groß (60 °C [99]). Unter staubigen Bedingungen können die schwebenden Staubpartikel den Oberflächen-Tagestemperaturbereich auf nur 5 °C reduzieren. [101] Die Temperatur über 15 km wird durch Strahlungsprozesse statt durch Konvektion kontrolliert. [2] Der Mars ist auch eine seltene Ausnahme von der "0.1-bar-Tropopausenregel", die in den anderen Atmosphären im Sonnensystem gefunden wird. [102]
  • Mesosphäre (≈40–100 km): Die Schicht mit der niedrigsten Temperatur. CO2 in der Mesosphäre fungiert als Kühlmittel, indem sie Wärme effizient in den Weltraum abstrahlt. Beobachtungen von Sternbedeckungen zeigen, dass die Mesopause des Mars bei etwa 100 km liegt (etwa 0,01 bis 0,001 Pa) und eine Temperatur von 100-120 K hat. [103] Die Temperatur kann manchmal niedriger sein als der Frostpunkt von CO2und Nachweise von CO2 Eiswolken in der Mars-Mesosphäre wurden gemeldet. [41][42]
  • Thermosphäre (≈100–230 km): Die Schicht wird hauptsächlich durch extreme UV-Erwärmung kontrolliert. Die Temperatur der Mars-Thermosphäre steigt mit der Höhe und variiert je nach Jahreszeit. Die Tagestemperatur der oberen Thermosphäre reicht von 175 K (am Aphel) bis 240 K (am Perihel) und kann bis zu 390 K erreichen, [104][105] aber sie ist immer noch deutlich niedriger als die Temperatur der Thermosphäre der Erde. Die höhere CO .-Konzentration2 in der Mars-Thermosphäre kann einen Teil der Diskrepanz aufgrund der kühlenden Wirkung von CO . erklären2 in großer Höhe. Es wird angenommen, dass Polarlichterwärmungsprozesse in der Mars-Thermosphäre wegen des Fehlens eines starken Magnetfelds auf dem Mars nicht wichtig sind, aber der MAVEN-Orbiter hat mehrere Aurora-Ereignisse entdeckt. [106][107]

Der Mars hat keine persistente Stratosphäre, da in seiner mittleren Atmosphäre keine kurzwellenabsorbierenden Spezies vorhanden sind (z. B. stratosphärisches Ozon in der Erdatmosphäre und organischer Dunst in der Jupiteratmosphäre), um eine Temperaturinversion zu erzeugen. [108] Allerdings wurden über dem Mars-Südpol eine saisonale Ozonschicht und eine starke Temperaturinversion in der mittleren Atmosphäre beobachtet. [56] [109] Die Höhe der Turbopause des Mars variiert stark zwischen 60 und 140 km, und die Variabilität wird durch das CO2 Dichte in der unteren Thermosphäre. [110] Der Mars hat auch eine komplizierte Ionosphäre, die mit den Sonnenwindpartikeln, extremer UV-Strahlung und Röntgenstrahlung der Sonne und dem Magnetfeld seiner Kruste wechselwirkt. [111] [112] Die Exosphäre des Mars beginnt bei etwa 230 km und verschmilzt allmählich mit dem interplanetaren Raum. [2]

Staubteufel Bearbeiten

Staubteufel sind auf dem Mars weit verbreitet. [113] [13] Wie ihre Gegenstücke auf der Erde bilden sich Staubteufel, wenn die durch starke Oberflächenerwärmung angetriebenen konvektiven Wirbel mit Staubpartikeln beladen werden. [114] [115] Staubteufel auf dem Mars haben normalerweise einen Durchmesser von mehreren zehn Metern und eine Höhe von mehreren Kilometern, was viel größer ist als die auf der Erde beobachteten. [2] [115] Die Untersuchung der Spuren von Staubteufeln zeigte, dass die meisten Staubteufel auf dem Mars im Frühjahr und Sommer bei etwa 60°N und 60°S auftreten. [113] Sie heben jährlich etwa 2,3 × 10 11 kg Staub von der Landoberfläche in die Atmosphäre, was mit dem Beitrag lokaler und regionaler Staubstürme vergleichbar ist. [113]

Staubstürme Bearbeiten

Lokale und regionale Staubstürme sind auf dem Mars keine Seltenheit. [13] [2] Lokale Stürme haben eine Größe von etwa 10 3 km 2 und treten etwa 2000 Ereignisse pro Marsjahr auf, während regionale Stürme mit einer Größe von 10 6 km 2 häufig im südlichen Frühjahr und Sommer beobachtet werden. [2] In der Nähe der Polkappe können manchmal Staubstürme durch frontale Aktivitäten und außertropische Wirbelstürme erzeugt werden. [116] [13]

Globale Staubstürme (Fläche > 10 6 km 2 ) treten im Durchschnitt alle 3 Kriegsjahre auf. [4] Beobachtungen zeigten, dass größere Staubstürme normalerweise das Ergebnis der Verschmelzung kleinerer Staubstürme sind, [10] [14] aber der Wachstumsmechanismus des Sturms und die Rolle der atmosphärischen Rückkopplungen sind noch nicht gut verstanden. [14] [13] Obwohl angenommen wird, dass Marsstaub durch ähnliche Prozesse wie die der Erde (z. B. Saltation) in die Atmosphäre mitgerissen werden kann, müssen die tatsächlichen Mechanismen noch überprüft werden, und auch elektrostatische oder magnetische Kräfte können bei der Modulation der Staubemission eine Rolle spielen .[13] Forscher berichteten, dass die größte einzelne Staubquelle auf dem Mars aus der Formation Medusae Fossae stammt. [117]

Am 1. Juni 2018 entdeckten NASA-Wissenschaftler Anzeichen eines Staubsturms (siehe Bild) auf dem Mars, der das Ende der solarbetriebenen Gelegenheit Rover-Mission, da der Staub das Sonnenlicht (siehe Bild) blockiert, das für den Betrieb erforderlich ist. Am 12. Juni war der Sturm der umfangreichste, der an der Oberfläche des Planeten aufgezeichnet wurde und umfasste ein Gebiet von der Größe von Nordamerika und Russland zusammen (etwa ein Viertel des Planeten). Bis 13. Juni, Gelegenheit Rover hatte aufgrund des Staubsturms ernsthafte Kommunikationsprobleme. [118] [119] [120] [121] [122]

Thermische Gezeiten Bearbeiten

Sonnenwärme auf der Tagseite und Strahlungskühlung auf der Nachtseite eines Planeten können Druckunterschiede erzeugen. [123] Thermische Gezeiten, die Windzirkulation und Wellen sind, die von einem solchen täglich variierenden Druckfeld angetrieben werden, können eine Menge Variabilität der Marsatmosphäre erklären. [124] Im Vergleich zur Erdatmosphäre haben thermische Gezeiten aufgrund des stärkeren tageszeitlichen Temperaturkontrasts einen größeren Einfluss auf die Marsatmosphäre. [22] Der von Mars-Rovern gemessene Oberflächendruck zeigte klare Signale von thermischen Gezeiten, obwohl die Variation auch von der Form der Planetenoberfläche und der Menge an schwebendem Staub in der Atmosphäre abhängt. [125] Die atmosphärischen Wellen können sich auch vertikal ausbreiten und die Temperatur und den Wasser-Eis-Gehalt in der mittleren Atmosphäre des Mars beeinflussen. [124]

Orographische Wolken Bearbeiten

Auf der Erde zwingen Gebirgszüge manchmal eine Luftmasse zum Aufsteigen und Abkühlen. Dadurch wird Wasserdampf gesättigt und es bilden sich Wolken während des Hebevorgangs. [126] Auf dem Mars haben Orbiter eine saisonal wiederkehrende Bildung riesiger Wasser-Eis-Wolken um die Windseite des 20 km hohen Vulkans Arsia Mons beobachtet, die wahrscheinlich durch denselben Mechanismus verursacht wird. [127] [128]

Windmodifikation der Oberfläche Bearbeiten

Auf dem Mars emittiert der oberflächennahe Wind nicht nur Staub, sondern verändert auch die Geomorphologie des Mars auf großer Zeitskala. Obwohl angenommen wurde, dass die Atmosphäre des Mars zu dünn ist, um die sandigen Strukturen zu mobilisieren, zeigten Beobachtungen von HiRSE, dass die Wanderung von Dünen auf dem Mars nicht selten ist. [129] [130] [131] Die globale durchschnittliche Wanderungsrate von Dünen (2 – 120 m hoch) beträgt etwa 0,5 Meter pro Jahr. [131] Ein atmosphärisches Zirkulationsmodell deutete darauf hin, dass wiederholte Zyklen von Winderosion und Staubablagerung möglicherweise zu einem Nettotransport von Bodenmaterial vom Tiefland in das Hochland auf geologischer Zeitskala führen können. [4]

Es wird angenommen, dass sich Masse und Zusammensetzung der Marsatmosphäre im Laufe der Lebenszeit des Planeten verändert haben. Eine dickere, wärmere und feuchtere Atmosphäre ist erforderlich, um mehrere offensichtliche Merkmale in der früheren Geschichte des Mars zu erklären, wie zum Beispiel die Existenz flüssiger Wasserkörper. Beobachtungen der oberen Marsatmosphäre, Messungen der Isotopenzusammensetzung und Analysen von Marsmeteoriten belegen die langfristigen Veränderungen der Atmosphäre und Einschränkungen für die relative Bedeutung verschiedener Prozesse.

Atmosphäre in der Frühgeschichte Bearbeiten

Im Allgemeinen sind die auf dem modernen Mars gefundenen Gase an leichteren stabilen Isotopen erschöpft, was darauf hindeutet, dass sich die Marsatmosphäre im Laufe ihrer Geschichte durch einige massenselektierte Prozesse verändert hat. Wissenschaftler verlassen sich oft auf diese Messungen der Isotopenzusammensetzung, um die Bedingungen der Marsatmosphäre in der Vergangenheit zu rekonstruieren. [140] [141] [142]

Während Mars und Erde ähnliche 12 C / 13 C- und 16 O / 18 O-Verhältnisse aufweisen, ist 14 N in der Marsatmosphäre viel stärker erschöpft. Es wird angenommen, dass die photochemischen Fluchtprozesse für die Isotopenfraktionierung verantwortlich sind und einen signifikanten Stickstoffverlust in der geologischen Zeitskala verursacht haben. [4] Schätzungen legen nahe, dass der anfängliche Partialdruck von N2 kann bis zu 30 hPa betragen haben. [44] [143]

Hydrodynamische Flucht in der frühen Geschichte des Mars könnte die Isotopenfraktionierung von Argon und Xenon erklären. Auf dem modernen Mars gibt die Atmosphäre diese beiden Edelgase aufgrund ihrer höheren Masse nicht in den Weltraum ab. Der höhere Wasserstoffvorkommen in der Marsatmosphäre und die hohen Ströme extremer UV-Strahlung der jungen Sonne könnten jedoch zusammen einen hydrodynamischen Abfluss bewirkt und diese schweren Gase mitgerissen haben. [144] [145] [4] Hydrodynamisches Entweichen trug ebenfalls zum Kohlenstoffverlust bei, und Modelle legen nahe, dass es möglich ist, 1.000 hPa (1 bar) CO . zu verlieren2 durch hydrodynamische Flucht in ein bis zehn Millionen Jahren unter viel stärkerer extremer UV-Strahlung auf dem Mars. [146] Neuere Beobachtungen des MAVEN-Orbiters legen inzwischen nahe, dass das Sputtern sehr wichtig für das Entweichen schwerer Gase auf der Nachtseite des Mars ist und zu 65 % Argonverlust in der Geschichte des Mars beigetragen haben könnte. [147] [148] [141]

Die Marsatmosphäre ist aufgrund der geringen Fluchtgeschwindigkeit des Mars besonders anfällig für Impakterosion. Ein frühes Computermodell deutete darauf hin, dass der Mars bis zum Ende der späten schweren Bombardement-Periode 99% seiner ursprünglichen Atmosphäre verloren haben könnte, basierend auf einem hypothetischen Bombardement-Fluss, der anhand der Mondkraterdichte geschätzt wurde. [149] In Bezug auf die relative Häufigkeit von Kohlenstoff beträgt das C/84 Kr-Verhältnis auf dem Mars nur 10 % des auf Erde und Venus. Angenommen, die drei Gesteinsplaneten haben den gleichen anfänglichen volatilen Bestand, dann impliziert dieses niedrige C / 84 Kr-Verhältnis die Masse von CO2 in der frühen Marsatmosphäre soll das Zehnfache des heutigen Wertes betragen haben. [150] Die enorme Anreicherung von radiogenem 40 Ar gegenüber ursprünglichem 36 Ar stimmt auch mit der Impakterosionstheorie überein. [4]

Eine Möglichkeit, den Wasserverlust durch den Wasserstoffaustritt in die obere Atmosphäre abzuschätzen, besteht darin, die Anreicherung von Deuterium gegenüber Wasserstoff zu untersuchen. Isotopenbasierte Studien gehen davon aus, dass in der Geschichte des Mars 12 m bis über 30 m global äquivalente Wasserschichten durch Wasserstoffaustritt in den Weltraum verloren gegangen sind. [151] Es ist anzumerken, dass der atmosphärische Escape-basierte Ansatz nur die untere Grenze für den geschätzten frühen Wasserinventar liefert. [4]

Um die Koexistenz von flüssigem Wasser und schwacher junger Sonne während der frühen Marsgeschichte zu erklären, muss in der Marsatmosphäre ein viel stärkerer Treibhauseffekt aufgetreten sein, um die Oberfläche über den Gefrierpunkt des Wassers zu erwärmen. Carl Sagan schlug zuerst vor, dass ein 1 bar H2 Atmosphäre kann genug Erwärmung für den Mars erzeugen. [152] Der Wasserstoff kann durch heftiges Ausgasen aus einem stark reduzierten frühen Marsmantel und die Anwesenheit von CO . erzeugt werden2 und Wasserdampf kann die erforderliche Menge an H . verringern2 einen solchen Treibhauseffekt zu erzeugen. [153] Dennoch zeigte die photochemische Modellierung, dass die Aufrechterhaltung einer Atmosphäre mit diesem hohen H .-Gehalt2 ist schwierig. [154] SO2 war auch eines der vorgeschlagenen effektiven Treibhausgase in der frühen Geschichte des Mars. [155] [156] [157] Andere Studien legten jedoch nahe, dass eine hohe Löslichkeit von SO2, effiziente Bildung von H2SO4 Aerosol und Oberflächenablagerungen verhindern die langfristige Bildung von SO2 in der Marsatmosphäre und reduzieren damit die potenzielle Erwärmungswirkung von SO2. [4]

Atmosphärische Flucht auf dem modernen Mars Bearbeiten

Trotz der geringeren Schwerkraft ist Jeans Flucht in der modernen Marsatmosphäre aufgrund der relativ niedrigen Temperatur an der Exobase (≈200 K in 200 km Höhe) nicht effizient. Es kann nur das Entweichen von Wasserstoff vom Mars erklären. Um das beobachtete Entweichen von Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff zu erklären, sind andere nicht-thermische Prozesse erforderlich.

Wasserstoff entweichen Bearbeiten

Molekularer Wasserstoff (H2) entsteht aus der Dissoziation von H2O oder andere wasserstoffhaltige Verbindungen in der unteren Atmosphäre und diffundieren in die Exosphäre. Das exosphärische H2 zerfällt dann in Wasserstoffatome, und die Atome, die über genügend Wärmeenergie verfügen, können der Gravitation des Mars entkommen (Jean-Escape). Das Entweichen von atomarem Wasserstoff ist aus den UV-Spektrometern auf verschiedenen Orbitern ersichtlich. [158] [159] Während die meisten Studien darauf hindeuteten, dass der Austritt von Wasserstoff auf dem Mars nahezu diffusionsbegrenzt ist, [160] [161] deuten neuere Studien darauf hin, dass die Austrittsrate durch Staubstürme moduliert wird und eine starke Saisonalität aufweist. [162] [163] [164] Der geschätzte Austrittsfluss von Wasserstoff reicht von 10 7 cm −2 s −1 bis 10 9 cm −2 s −1 . [163]

Kohlenstoffflucht Bearbeiten

Photochemie von CO2 und CO in der Ionosphäre kann CO . produzieren2 + bzw. CO + Ionen:

Ein Ion und ein Elektron können sich rekombinieren und elektronenneutrale Produkte erzeugen. Die Produkte gewinnen aufgrund der Coulomb-Anziehung zwischen Ionen und Elektronen zusätzliche kinetische Energie. Dieser Vorgang wird als dissoziative Rekombination bezeichnet. Die dissoziative Rekombination kann Kohlenstoffatome erzeugen, die sich schneller bewegen als die Fluchtgeschwindigkeit des Mars, und diejenigen, die sich nach oben bewegen, können dann der Marsatmosphäre entkommen:

Die UV-Photolyse von Kohlenmonoxid ist ein weiterer entscheidender Mechanismus für den Kohlenstoffaustritt auf dem Mars: [165]

Andere potenziell wichtige Mechanismen umfassen das Entweichen von CO . durch Sputtern2 und Kollision von Kohlenstoff mit schnellen Sauerstoffatomen. [4] Der geschätzte gesamte Fluchtfluss beträgt etwa 0,6 × 10 7 cm −2 s −1 bis 2,2 × 10 7 cm −2 s −1 und hängt stark von der Sonnenaktivität ab. [166] [4]

Stickstoff entweichen Bearbeiten

Dissoziative Rekombination von N . wie Kohlenstoff2 + ist wichtig für den Stickstoffaustritt auf dem Mars. [167] [168] Darüber hinaus spielen auch andere photochemische Fluchtmechanismen eine wichtige Rolle: [167] [169]

Die Stickstoffaustrittsrate ist sehr empfindlich von der Masse des Atoms und der Sonnenaktivität. Die geschätzte Gesamtaustrittsrate von 14 N beträgt 4,8 × 10 5 cm −2 s −1 . [167]

Sauerstoff entweichen Bearbeiten

Dissoziative Rekombination von CO2 + und O2 + (hergestellt aus CO2 + Reaktion) können die Sauerstoffatome erzeugen, die schnell genug reisen, um zu entkommen:

Die Beobachtungen zeigten jedoch, dass die Mars-Exosphäre nicht genügend schnelle Sauerstoffatome enthält, wie durch den dissoziativen Rekombinationsmechanismus vorhergesagt. [170] [148] Modellschätzungen der Sauerstoff-Entweichungsrate deuteten darauf hin, dass sie über 10-mal niedriger sein kann als die Wasserstoff-Entweichungsrate. [166] [171] Ionenaufnahme und Sputtern wurden als alternative Mechanismen für den Sauerstoffentzug vorgeschlagen, aber dieses Modell legt nahe, dass sie derzeit weniger wichtig sind als die dissoziative Rekombination. [172]


Was sind die realen Bedingungen für die Entstehung einer Atmosphäre/den Verlust einer bestehenden Atmosphäre? - Astronomie

Evolution: Der Schöpfungsmythos unserer Kultur

David Buckna
& kopieren 2021 David Buckna. Alle Rechte vorbehalten.

„In China können wir Darwin kritisieren, aber nicht die Regierung
kann die Regierung kritisieren, aber nicht Darwin."
&mdash Chinesischer Paläontologe
(Wall Street Journal, "The Church of Darwin", Phillip Johnson, 16. August 1999.)

n 1999 Phillip Johnson, Autor von Darwin vor Gericht, sagte auf CNN: „Ich denke, wir sollten viel über Evolution unterrichten. Tatsächlich denke ich, dass wir mehr lehren sollten, als die Lehrer der Evolutionswissenschaften den Schülern vermitteln wollen. Das Problem ist, dass wir eine Philosophie bekommen, die behauptet wird eine wissenschaftliche Tatsache sein, viele Verzerrungen in den Lehrbüchern und all die schwierigen Probleme weggelassen, weil sie nicht wollen, dass die Leute schwierige Fragen stellen."

Aber wie viel hat sich in den folgenden Dutzend Jahren im naturwissenschaftlichen Unterricht wirklich verändert?

Was folgt, ist eine unvollständige Liste von Fragen, die verwendet werden könnten, um die Evolution kritisch zu untersuchen und zu bewerten. Sie würden gute Klassendiskussionen abgeben, die entweder von Lehrern oder Schülern initiiert wurden, oder Forschungsaufträge.

Dr. Danny Faulkner, Professor für Astronomie und Physik an der University of South Carolina (Lancaster) kommentierte: „Das ptolemäische Modell (des Sonnensystems) stand 15 Jahrhunderte lang, wurde aber im 17. Jahrhundert aufgrund seiner enormen Komplexität verworfen hatte. Das eigentliche Problem mit diesem Modell war, dass man es nicht fälschen konnte. Egal welche neuen Daten, neue Beobachtungen kamen, man konnte es immer mit einem Fix neuer Epizyklen oder anderen Effekten flicken."

„In den letzten drei Jahrzehnten hat sich das Urknallmodell enorm verändert. Sie haben die Expansionsrate und damit das Alter des Universums verändert. Sie haben dunkle Materie, dunkle Energie, Inflation, . Stringtheorie eingeworfen mehr und mehr wie das ptolemäische Modell aussehen. An welchem ​​Punkt wird das Urknallmodell also so unhandlich wie das ptolemäische Modell, was dazu führte, dass die Leute es ablehnten?" (unveröffentlichtes Interview, 15. Mai 2010)

Werden die rückläufigen Bewegungen von Venus, Uranus und Pluto von der Standardtheorie der Sonnensystembildung vorhergesagt?

Die Oortsche Wolke wurde 1950 vom niederländischen Astronomen Jan Oort theoretisiert, um die Existenz von kurzperiodischen Kometen zu erklären. Wurde seither jemals ein Teil der postulierten Oortschen Wolke direkt beobachtet?

Die meisten Geologen glauben, dass sich Diamanten vor 1 bis 3 Milliarden Jahren tief unter der Erdoberfläche gebildet haben. Wie erklären diese Geologen das Vorhandensein von Kohlenstoff-14 in einer Reihe von Diamantproben?

Alle Methoden der Radioisotopendatierung gehen davon aus, dass

a) anfänglich kein Zerfallsprodukt vorhanden war oder dass die Anfangsmengen genau geschätzt werden können
b) das Zerfallssystem war über die Jahre für äußere Einflüsse geschlossen und
c) die Zerfallsrate war über die Zeit konstant.

Warum behaupten Lehrbücher, das Miller-Urey-Experiment von 1953 zeige, wie sich die Bausteine ​​der Zelle auf der frühen Erde gebildet haben könnten, wenn wiederholte Experimente diese Behauptung nie bewiesen haben?

Bemühungen, die angeblichen Ursprungsereignisse des Lebens zu replizieren, haben nur zu peinlich geringen Mengen von nur einigen benötigten zellulären Bausteinen (zB Spuren von Aminosäuren, Zucker) geführt, wobei der Großteil der Mischung ein giftiger Teer ist. Wenn der Forscher nicht anwesend ist, um diese kurzlebigen Verbindungen sofort zu entfernen und zu konservieren, werden diese wasserbasierten Nebenreaktionen ein biochemisches Haschisch daraus machen.

Erschwerend kommt hinzu, dass unser derzeitiges Verständnis eine frühe Erde mit einer oxidierenden (nicht reduzierenden) Atmosphäre unterstützt, was die Synthese dieser zellulären Verbindungen noch unwahrscheinlicher macht, da Sauerstoff die Spuren schnell oxidieren würde, bevor sie eine Chance haben, sich "selbst zu organisieren" .

Und wie Frank Sherwin vom ICR in seinem Artikel aus dem Jahr 2009 schreibt: „Wenn und wenn Venters Team [J. Craig Venter Institute, Maryland] künstliches Leben erschafft, wird es nur ein Produkt von Zweck und angewandter Kraft und Intelligenz gewesen sein wird fast vollständig von vorbestehendem Leben in Bakterienzellen kopiert worden sein."

Alle Zellen sind auf die ATP-Synthase angewiesen, den kleinsten Rotationsmotor der Welt. Evolutionisten haben vorgeschlagen, dass ein Teil davon aus Helicase, einem Protein, das zum Aufwickeln von DNA verwendet wird, "umgenutzt" wurde. Aber Helikase kann ohne reichlich ATP, das die ATP-Synthase liefert, nicht hergestellt werden und kann keine DNA auflösen. Wie konnte sich ATP-Synthase aus einem Protein entwickeln, das bereits ATP-Synthase benötigte?

Evolutionisten könnten argumentieren, dass genügend ATP durch Phosphorylierung auf Substratebene produziert wurde, wobei Bakterien ATP ohne ATP-Synthase und ohne Sauerstoff produzieren. Aber auch diese Bakterien benötigen ATP-Synthase, um ihren inneren Säuregehalt auszugleichen. Wie könnte sich also ATP-Synthase aus einem anderen Protein entwickeln, wenn beide Proteinkomplexe ATP-Synthase für das Säure-Basen-Gleichgewicht benötigen?

Francis Crick, der Mitentdecker der Doppelhelix-Struktur der DNA, schrieb 1988: "Biologen müssen ständig im Hinterkopf behalten, dass das, was sie sehen, nicht entworfen, sondern weiterentwickelt wurde." Auf Seite eins von "The Blind Watchmaker" (1986) schreibt Richard Dawkins: "Biologie ist das Studium komplizierter Dinge, die den Anschein erwecken, für einen bestimmten Zweck entworfen worden zu sein".

a) Wenn Lebewesen entworfen aussehen – wenn die empirischen Beweise einen Zweck vermuten lassen – woher wissen Evolutionisten dann, dass sie nicht entworfen wurden? b) Was sind die Kriterien für "scheinbares" Design?

Am 29. September 2009 war Richard Dawkins zu Gast bei CBCs The Hour. (Sehen Sie sich das Interview hier an.) Der Moderator, George Stroumboulopoulos, fragte Dawkins: "Was ist eine einzige Sache, die Sie sagen können, die definitiv beweist, dass Evolution eine Tatsache ist?"

Dawkins' Antwort: "Der molekulare Vergleich der Gene über alle Tiere und Pflanzen hinweg. Es fällt auf ein genaues hierarchisches Muster, das offensichtlich am besten als Stammbaum interpretiert wird, und dies wird möglich - wird quantitativ möglich -, weil alle Lebewesen die gleichen genetischen Code, was bedeutet, dass Sie in jeder Zelle jedes Körpers, jeder Kreatur und jeder Pflanze auf der Welt buchstäblich Unmengen an Textinformationen haben, genau wie in einem Buch."

So. ein Muster hochorganisierter Textinformationen, vergleichbar mit Büchern, ist ein Beweis dafür war nicht irgendein intelligentes Design beteiligt?

Henry M. Morris schrieb: "Eine Reihe von Evolutionisten haben sogar argumentiert, dass die DNA selbst ein Beweis für die Evolution ist, da sie allen Organismen gemeinsam ist. Häufiger wird das Argument verwendet, dass ähnliche DNA-Strukturen in zwei verschiedenen Organismen eine gemeinsame evolutionäre Abstammung beweisen."

"Keines Argument ist gültig. Es gibt keinen Grund, warum der Schöpfer nicht dieselbe Art von genetischem Code basierend auf der DNA für alle Seine erschaffenen Lebensformen verwenden könnte oder wollte. Dies ist ein Beweis für intelligentes Design und Schöpfung, nicht für Evolution."

Gibt es in Bezug auf die vertikale Evolution (Informationsaufbauende Evolution) ein Beispiel für eine genetische Mutation oder einen evolutionären Prozess, der die Informationen im Genom erhöht?

John Sanford schreibt in "Genetic Entropy & the Mystery of the Genome": "Bergman (2004) hat sich mit dem Thema nützliche Mutationen beschäftigt. Unter anderem hat er eine einfache Literaturrecherche über Biological Abstracts und Medline durchgeführt. Er fand 453.732 'Mutation' Treffer, aber unter diesen erwähnten nur 186 das Wort „nützlich" (ungefähr 4 von 10.000). Als diese 186 Referenzen überprüft wurden, waren fast alle mutmaßlichen „nützlichen Mutationen" nur in einem sehr engen Sinne von Vorteil – aber jede Mutation war durchweg beteiligt Verlust von Funktionsänderungen – daher Verlust von Informationen Obwohl fast allgemein akzeptiert wird, dass nützliche (informationserzeugende) Mutationen auftreten müssen, scheint dieser Glaube eher auf der unkritischen Akzeptanz von RM/NS als auf tatsächlichen Beweisen zu beruhen Zweifellos gibt es nützliche Mutationen, die sich durch schnelle Anpassung zeigen, aber ich bestreite die Tatsache, dass sie sinnvolle Informationen im Genom aufbauen, anstatt bereits vorhandene Informationen im Genom zu abbauen." (S. 26-27)

Evolutionisten sagen, dass Mutation, Migration, genetische Drift und natürliche Selektion neue Lebensformen hervorgebracht haben. Warum gibt es dann – wenn überhaupt – so wenige Beispiele für Mutationen, die brandneue Organe bilden?

Einige Evolutionisten weisen auf eine Studie (2008) von italienischen Mauereidechsen (Podarcis sicula) hin.Aus der Zusammenfassung: "Hier zeigen wir, wie Eidechsen nach experimenteller Einführung in eine neue Umgebung schnell Unterschiede in der Kopfmorphologie, der Bissstärke und der Struktur des Verdauungstrakts entwickelt haben." Die Studie erwähnt Blinddarmklappen – Muskeln zwischen dem Dick- und Dünndarm – die „die Nahrungspassage verlangsamen und für Gärkammern sorgen, die es kommensalen Mikroorganismen ermöglichen, Cellulose in flüchtige Fettsäuren umzuwandeln“. (A. Herrel et al., "Rapid-large-scale evolutionary divergence in morphology and performance related with Exploitation of a different diätetic resource", Proceedings of the National Academy of Sciences USA 105 (12) (2008): 4792–4795.)

Der Anatom David Menton stellte jedoch fest, dass die ursprünglichen Eidechsen die Fähigkeit hatten, Pflanzenmaterial zu verdauen, sie bevorzugten einfach Insekten für etwa 95 Prozent ihrer Nahrung. Menton fügte hinzu: "Die 'neue' Muskelklappe, die sie zwischen dem Dünn- und Dickdarm gefunden haben, ist einfach eine Vergrößerung der Muskeln, die zu diesem Zeitpunkt bereits in der Darmwand vorhanden sind." Die Verschiebung des verfügbaren Futters war also alles andere als wirklich neu, sondern ermöglichte es Eidechsen mit größeren Muskeln, erfolgreicher zu fressen und sich fortzupflanzen.

Die "schnell entwickelten" Blinddarmklappen sind möglicherweise nur eine natürliche Selektion, die auf bereits vorhandene genetische Informationen einwirkt und einer Population hilft, sich an ihre Umgebung anzupassen.


10 Wissenswertes über unseren Heimatplaneten

Gerecht werden

Wäre die Sonne so hoch wie eine typische Haustür, hätte die Erde die Größe eines Nickels.

Dritter Felsen

Die Erde umkreist unsere Sonne, einen Stern. Die Erde ist der dritte Planet von der Sonne in einer Entfernung von etwa 93 Millionen Meilen (150 Millionen km).

Wie die Welt dreht

Ein Tag auf der Erde dauert 24 Stunden. Die Erde umkreist die Sonne (ein Jahr in Erdzeit) in etwa 365 Tagen vollständig.

Wir sind dabei

Die Erde ist ein felsiger Planet mit einer festen und dynamischen Oberfläche aus Bergen, Schluchten, Ebenen und mehr. Der größte Teil unseres Planeten ist mit Wasser bedeckt.

Atme ruhig

Die Atmosphäre der Erde besteht zu 78 Prozent aus Stickstoff, 21 Prozent Sauerstoff und 1 Prozent anderen Inhaltsstoffen - die perfekte Balance zum Atmen und Leben.

Unser kosmischer Begleiter

Ringlos

Orbitale Wissenschaft

Viele Raumsonden im Orbit untersuchen die Erde von oben als ganzes System und beobachten die Atmosphäre, den Ozean, die Gletscher und die feste Erde.

Trautes Heim, Glück allein

Die Erde ist der perfekte Ort für das Leben, wie wir es kennen.

Schutzschild

Unsere Atmosphäre schützt uns vor einfallenden Meteoroiden, von denen die meisten in unserer Atmosphäre zerfallen, bevor sie die Oberfläche treffen können.


Galileis astronomische Beobachtungen

Es ist nicht sicher, wer zuerst auf die Idee kam, zwei oder mehr Glasstücke zu einem Instrument zu kombinieren, das Bilder entfernter Objekte vergrößert und näher erscheinen lässt. Das erste solche „Fernglas“ (jetzt genannt Teleskope), die viel Aufsehen erregten, wurden 1608 von dem niederländischen Brillenmacher Hans Lippershey (1570–1619) gemacht. Galileo hörte von der Entdeckung und baute, ohne jemals ein zusammengebautes Teleskop gesehen zu haben, eines seiner eigenen mit einer dreifachen Vergrößerung (3×), die entfernte Objekte dreimal näher und größer erscheinen ließ ([Link] Siehe Abbildung 5).

Abbildung 5. Das Teleskop hat einen mit Papier überzogenen Holztubus und eine Linse mit 26 Millimeter Durchmesser.

Am 25. August 1609 demonstrierte Galileo Regierungsbeamten des Stadtstaates Venedig ein Teleskop mit 9-facher Vergrößerung. Mit einer 9-fachen Vergrößerung meinen wir, dass die linearen Abmessungen der betrachteten Objekte neunmal größer erschienen oder alternativ die Objekte neunmal näher erschienen, als sie tatsächlich waren. Es gab offensichtliche militärische Vorteile, die mit einem Gerät zum Sehen entfernter Objekte verbunden waren. Für seine Erfindung wurde Galileis Gehalt fast verdoppelt, und ihm wurde eine lebenslange Anstellung als Professor gewährt. (Seine Universitätskollegen waren empört, zumal die Erfindung nicht einmal originell war.)

Andere hatten das Teleskop vor Galileo benutzt, um Dinge auf der Erde zu beobachten. Aber in einer Einsicht, die die Geschichte der Astronomie veränderte, erkannte Galilei, dass er die Kraft des Teleskops zum Himmel richten konnte. Bevor Galilei sein Teleskop für astronomische Beobachtungen einsetzte, musste er sich eine stabile Montierung ausdenken und die Optik verbessern. Er erhöhte die Vergrößerung auf 30x. Auch Galileo musste Vertrauen in das Teleskop gewinnen.

Damals glaubte man, das menschliche Auge sei der letzte Entscheider über die Wahrheit über Größe, Form und Farbe. Es war bekannt, dass Linsen, Spiegel und Prismen entfernte Bilder verzerren, indem sie sie vergrößern, verkleinern oder invertieren oder das Licht in ein Spektrum (Farbenregenbogen) streuen. Galilei unternahm wiederholte Experimente, um sich davon zu überzeugen, dass das, was er durch das Teleskop sah, mit dem übereinstimmte, was er aus der Nähe sah. Erst dann konnte er anfangen zu glauben, dass die wundersamen Phänomene, die das Teleskop am Himmel enthüllte, real waren.

Als Galilei seine astronomischen Arbeiten Ende 1609 begann, stellte er fest, dass viele Sterne, die zu schwach waren, um mit bloßem Auge gesehen zu werden, mit seinem Teleskop sichtbar wurden. Insbesondere stellte er fest, dass sich einige nebulöse Unschärfen in viele Sterne auflösten und dass die Milchstraße – der weiße Streifen am Nachthimmel – ebenfalls aus einer Vielzahl einzelner Sterne bestand.

Bei der Untersuchung der Planeten fand Galileo vier Monde, die sich in Zeiten von knapp 2 Tagen bis etwa 17 Tagen um Jupiter drehen. Diese Entdeckung war besonders wichtig, weil sie zeigte, dass sich nicht alles um die Erde drehen muss. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass es Bewegungszentren geben kann, die selbst in Bewegung sind. Verteidiger der geozentrischen Sichtweise hatten argumentiert, dass, wenn die Erde in Bewegung wäre, der Mond zurückbleibe, weil er mit einem sich schnell bewegenden Planeten kaum mithalten könne. Doch genau das taten die Monde des Jupiter. (Um diese Entdeckung zu würdigen und seine Arbeit zu würdigen, benannte die NASA eine Raumsonde, die das Jupitersystem erkundete, Galileo.)

Galilei konnte mit seinem Teleskop den bereits erwähnten Test der kopernikanischen Theorie anhand der Venusphasen durchführen. Innerhalb weniger Monate hatte er herausgefunden, dass die Venus Phasen wie der Mond durchläuft, was zeigte, dass sie sich um die Sonne drehen muss, sodass wir zu verschiedenen Zeiten verschiedene Teile ihrer Tageslichtseite sehen ([link] Siehe Abbildung 3.) Diese Beobachtungen nicht mit dem Modell des Ptolemäus in Einklang zu bringen, in dem die Venus um die Erde kreist. In Ptolemaios Modell konnte die Venus auch Phasen zeigen, aber es waren die falschen Phasen in der falschen Reihenfolge von Galileis Beobachtungen.

Galileo beobachtete auch den Mond und sah Krater, Bergketten, Täler und flache, dunkle Gebiete, die er für Wasser hielt. Diese Entdeckungen zeigten, dass der Mond der Erde möglicherweise nicht so unähnlich ist – was darauf hindeutet, dass auch die Erde zum Reich der Himmelskörper gehören könnte.

Nach Galileis Arbeit wurde es immer schwieriger, die kopernikanische Sichtweise zu leugnen, und die Erde wurde langsam aus ihrer zentralen Position im Universum entthront und erhielt ihren rechtmäßigen Platz als einer der Planeten, die die Sonne begleiten. Galilei stieß jedoch zunächst auf großen Widerstand. Die römisch-katholische Kirche, die noch immer unter der protestantischen Reformation leidet, wollte ihre Autorität behaupten und entschied sich, Galilei ein Exempel zu statuieren. Er musste vor der Inquisition erscheinen, um den Vorwurf zu beantworten, dass seine Arbeit ketzerisch war, und wurde schließlich zu Hausarrest verurteilt. Seine Bücher standen bis 1836 auf der Verbotsliste der Kirche, obwohl sie in Ländern, in denen die römisch-katholische Kirche weniger Einfluss hatte, weithin gelesen und diskutiert wurden. Erst 1992 gab die katholische Kirche öffentlich zu, dass sie sich bei der Zensur von Galileis Ideen geirrt hatte.

Die neuen Ideen von Kopernikus und Galilei leiteten eine Revolution in unserer Vorstellung vom Kosmos ein. Es wurde schließlich klar, dass das Universum ein riesiger Ort ist und dass die Rolle der Erde darin relativ unwichtig ist. Die Idee, dass sich die Erde wie die anderen Planeten um die Sonne bewegt, ließ die Möglichkeit entstehen, dass sie selbst Welten sein könnten, die vielleicht sogar Leben unterstützen. So wie die Erde von ihrer Position im Zentrum des Universums herabgestuft wurde, so auch die Menschheit. Das Universum dreht sich trotz unserer Wünsche nicht um uns.

Die meisten von uns halten diese Dinge heute für selbstverständlich, aber vor vier Jahrhunderten waren solche Konzepte für einige erschreckend und ketzerisch, für andere ungemein anregend. Die Pioniere der Renaissance haben die europäische Welt auf dem Weg zu Wissenschaft und Technik begründet, den wir heute noch beschreiten. Für sie war die Natur rational und letztlich erkennbar, und Experimente und Beobachtungen boten die Möglichkeit, ihre Geheimnisse zu lüften.

Zu fast jeder Nachtzeit und zu jeder Jahreszeit können Sie einen oder mehrere helle Planeten am Himmel entdecken. Alle fünf Planeten, die den Alten bekannt waren – Merkur, Venus, Mars, Jupiter und Saturn – sind prominenter als alle anderen Sterne außer den hellsten, und sie können sogar von städtischen Standorten aus gesehen werden, wenn Sie wissen, wo und wann Sie suchen müssen. Eine Möglichkeit, Planeten von hellen Sternen zu unterscheiden, besteht darin, dass Planeten weniger funkeln.

Die aus unserer Sicht sonnennahe Venus erscheint entweder als „Abendstern“ im Westen nach Sonnenuntergang oder als „Morgenstern“ im Osten vor Sonnenaufgang. Es ist nach Sonne und Mond das hellste Objekt am Himmel. Er überstrahlt jeden echten Stern bei weitem und kann im günstigsten Fall sogar einen sichtbaren Schatten werfen. Einige junge Militärrekruten haben versucht, die Venus als sich näherndes feindliches Schiff oder UFO abzuschießen.

Der Mars mit seiner markanten roten Farbe kann in Erdnähe fast so hell sein wie die Venus, aber normalerweise bleibt er viel weniger auffällig. Jupiter ist meistens der zweithellste Planet, der in seiner Helligkeit ungefähr den hellsten Sternen entspricht. Saturn ist dunkler und seine Helligkeit variiert beträchtlich, je nachdem, ob seine großen Ringe fast am Rand (schwach) oder weit geöffnet (hell) zu sehen sind.

Merkur ist ziemlich hell, aber nur wenige Menschen bemerken ihn, weil er sich nie sehr weit von der Sonne entfernt (er ist nie mehr als 28° vom Himmel entfernt) und immer gegen einen hellen Dämmerungshimmel zu sehen ist.

Getreu ihrem Namen „wandern“ die Planeten vor dem Hintergrund der „Fixsterne“. Obwohl ihre scheinbaren Bewegungen komplex sind, spiegeln sie eine zugrunde liegende Ordnung wider, auf der das heliozentrische Modell des Sonnensystems, wie es in diesem Kapitel beschrieben wird, basierte. Die Positionen der Planeten werden oft in Zeitungen aufgeführt (manchmal auf der Wetterseite), und jeden Monat finden sich klare Karten und Führer zu ihren Standorten in Zeitschriften wie Sky & Teleskop und Astronomie (verfügbar in den meisten Bibliotheken und online). Es gibt auch eine Reihe von Computerprogrammen und Telefon- und Tablet-Apps, mit denen Sie jederzeit anzeigen können, wo sich die Planeten in der Nacht befinden.

Nicolaus Copernicus führte in seinem Buch die heliozentrische Kosmologie in das Europa der Renaissance ein De Revolutionibus. Obwohl er die aristotelische Idee einer gleichförmigen Kreisbewegung beibehielt, schlug Kopernikus vor, dass die Erde ein Planet ist und dass alle Planeten um die Sonne kreisen und die Erde von ihrer Position im Zentrum des Universums entthronen. Galileo war der Vater der modernen Experimentalphysik und der Teleskopastronomie. Er untersuchte die Beschleunigung sich bewegender Objekte und begann 1610 mit Teleskopbeobachtungen, um die Natur der Milchstraße, die großräumigen Merkmale des Mondes, die Phasen der Venus und vier Jupitermonde zu entdecken. Obwohl er wegen seiner Unterstützung der heliozentrischen Kosmologie der Ketzerei beschuldigt wurde, werden Galilei Beobachtungen und brillante Schriften zugeschrieben, die die meisten seiner wissenschaftlichen Zeitgenossen von der Realität der kopernikanischen Theorie überzeugten.


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