Die habitable Zone
So gehst du vor
- 1Wähle einen Stern. Der grüne Ring zeigt seine habitable Zone: Dort könnte ein erdähnlicher Planet flüssiges Wasser haben.
- 2Stelle den Abstand des Planeten mit dem Regler ein oder tippe in die Draufsicht. Der Regler ist logarithmisch: „× 2“ heißt doppelter Abstand.
- 3Ändere die Albedo, also den Anteil des Lichts, den der Planet zurückwirft. Lies Bestrahlungsstärke und Temperatur ab.
- 4Schalte den Treibhauseffekt zu und vergleiche mit der gemessenen Temperatur der Beispiele Venus, Erde und Mars.
Draufsicht
Tippe in das Bild, um den Planeten zu setzen, oder zieh ihn. Der Maßstab passt sich dem Stern an (Maßstabsbalken unten links). Stern und Planet sind nicht maßstäblich gezeichnet.
Temperatur und Abstand
Schwarze Linie: Gleichgewichtstemperatur Te ohne Treibhauseffekt für die eingestellte Albedo. Grün (HZ): habitable Zone des Sterns, blau: Temperaturbereich für flüssiges Wasser. Kreuze: gemessene mittlere Oberflächentemperaturen.
Stern
Sonne (G2 V): L = 1 L☉, Oberflächentemperatur 5772 K. Habitable Zone etwa 0,95 AE bis 1,7 AE.
Abstand a
1 AEAlbedo A
0,31Beispiele
Hinweise zum Modell und zu den Daten
Gleichgewichtstemperatur: gemittelt über Tag und Nacht und über den ganzen Planeten. Die Größe des Planeten kürzt sich heraus. Für die Erde (S = 1361 Wm², A = 0,306) ergibt sich 254 K, gemessen werden im Mittel 288 K.
Treibhauseffekt: Das Schichtmodell aus dem Skript ersetzt die Atmosphäre durch eine einzige Schicht, die den Anteil ε der Wärmestrahlung des Bodens verschluckt: TB = Te · 4√(22 − ε). Mit ε ≈ 0,79 kommen für die Erde 288 K heraus. Es ist ein Modell: Die dichte Venusatmosphäre lässt sich damit nicht beschreiben (dafür bräuchte man rund hundert undurchsichtige Schichten).
Habitable Zone: Für die Sonne liefern Klimamodelle grob 0,95 AE bis 1,7 AE (Kasting u. a. 1993: 0,95 bis 1,67 AE; Kopparapu u. a. 2013: 0,99 bis 1,70 AE). Für andere Sterne wird mit a ~ √L umgerechnet. Das ist ein Richtwert, denn die echten Grenzen hängen auch von der Farbe des Sternlichts und vom Planeten ab.
Daten: Venus, Erde, Mars nach dem NASA Planetary Fact Sheet. Proxima b (Anglada-Escudé u. a. 2016) und TRAPPIST-1 e (Agol u. a. 2021) nach dem NASA Exoplanet Archive; ihre Albedo ist unbekannt, eingestellt ist der erdähnliche Wert 0,3.
Aufträge
- Wähle das Beispiel Erde, ohne Treibhauseffekt. Lies die Gleichgewichtstemperatur ab und vergleiche mit der gemessenen Temperatur. Schalte dann den Treibhauseffekt zu.
- Verdopple den Abstand der Erde (Knopf „× 2“). Wie ändert sich die Bestrahlungsstärke? Wie ändert sich die Gleichgewichtstemperatur?
- Wähle die Venus. Sie bekommt fast doppelt so viel Licht wie die Erde. Warum ist ihre Gleichgewichtstemperatur trotzdem niedriger? Kann das Schichtmodell die gemessenen 737 K erklären?
- Wähle den Mars. Liegt er in der habitablen Zone? Gibt es dort flüssiges Wasser? Was folgt daraus für die Bedeutung der habitablen Zone?
- Wähle „eigene Leuchtkraft“ und stelle 4 L☉ ein, dann 0,01 L☉. Wo liegt die habitable Zone jeweils? Formuliere eine Regel.
- Wähle Proxima b. Wo liegt die habitable Zone von Proxima Centauri? Wie viel Licht bekommt Proxima b im Vergleich zur Erde, und wie lang ist sein Jahr?
- Wähle TRAPPIST-1 e. Welche Albedo bräuchte der Planet, damit seine Gleichgewichtstemperatur so hoch ist wie die der Erde (254 K)? Was folgt daraus?
- Die junge Sonne leuchtete vor 4,6 Milliarden Jahren nur mit etwa 70 % ihrer heutigen Leuchtkraft. Stelle 0,7 L☉ ein. Lag die Erde damals in der habitablen Zone? Welche Gleichgewichtstemperatur hätte sie gehabt?
Theorie: Skript AS7 Planeten, Klima, Leben, Kapitel „Strahlungsbilanz eines Planeten“, „Treibhauseffekt bei Venus, Erde und Mars“ und „Die habitable Zone“. Die Strahlungsbilanz im Einzelnen: Einfaches Treibhausmodell. Wie man Exoplaneten findet: Transitmethode und Radialgeschwindigkeit aus dem Spektrum. Abstände im Sonnensystem: Planetenweg im Maßstab. Leuchtkraft und Temperatur der Sterne: Hertzsprung-Russell-Diagramm.