Habitabel Zon

Als habitabel Zon (och Liewenszon oder vereelzt Ökosphär, mëssverständlech och bewunnbar Zon; englesch ë. a. Goldilocks Zone) bezeechent een am Allgemengen den Ofstand, deen e Planéit vu sengem Zentralstär muss hunn, fir datt et Waasser dauerhaft a flësseger Form als Viraussetzung fir äerdänlecht Liewen op der Uewerfläch gëtt.

Geleeëntlech gëtt d'Konzept vun enger Géigend, an där Liewen an der vun eis bekannter oder änlecher Form méiglech ass, och op aner Parametere wéi Klima a flëssegt Waasser ausgedeent. Sou gëtt vun enger UV-habitabeler Zon geschwat, an där déi ultraviolett Stralung d'selwecht wéi déi vun der (fréierer) Äerd si muss, oder vun enger habitabeler Zon vun enger Galaxie, an där sech scho genuch schwéier Elementer gebilt hunn, awer anerersäits et net ze vill Supernova-Explosioune gëtt. Schliisslech gëtt et nach d'Konzept vum kosmeschen habitabelen Alter.

Begrëff

De Begrëff vun der habitabeler Zon geet zeréck op den Astronom Su-Shu Huang an ass Enn vun den 1950er entstanen.^, De Begrëff bedeit wiertlech „bewunnbar Zon“. Déi Beschreiwung féiert ir. Am eigentleche Wuertsënn bezeechent „bewunnbar“ en Himmelskierper mat enger voll entwéckelter Sauerstoff-Kuelestoff-Ekologie an där Mënsche liewe kënnen. Am allgemengen haitegen astrobiologesche Versteestemech ass mat habitabeler Zon dogéint e Parameterberäich gemengt, an deem en Himmelskierper Liewen entwéckele kann, awer net muss.

Ecosphär oder habitabel Zon

Eng habitabel Zon gouf och schonn als Ecosphär bezeechent. Den Ecosphär-Begrëff geet zeréck op den Hubertus Strughold (1953/1955).^, Mä an dëser Bedeitung gëtt Ecosphär haut net méi gebraucht. Dat läit an der Begrëffsalternativ habitabel Zon, déi sech an der Tëschenzäit duerchgesat huet.

Zirkumstellar habitabel Zonen

Déi klassesch habitabel Zon mat flëssegem Waasser

E Beispill vun engem System, baséierend op der stellarer Liichtkraaft fir d'Virausso vun der Lag vun der habitabeler Zon ëm verschidden Typpen vu Stären

Primär hänkt déi zirkumstellar habitabel Zon (circumstellar habitable zone, CHZ) vun der Temperatur an der Liichtkraaft vum Stär of, ëm deen de Planéit kreest. Nëmmen an engem bestëmmten Distanzberäich läit de Wäert vun der Energie pro Flächeneenheet, déi de Planéit unhëlt, an engem Beräich, an deem d'Uewerflächentemperatur flëssegt Waasser erlaabt.

An engem ganz einfachen Ubléck kann déi habitabel Zon deemno aus der Liichtkraaft vum Stär berechent ginn. Den Duerchschnëttsradius vun dëser Zon vun iergendengem Stär kann ee mat follgender Equatioun berechnen:

$d[{\mathrm {A} E}]={\sqrt {L_{\mathrm {s} tern}/L_{\mathrm {s} onne}}}$

woubäi

$d$ ass den Duerchschnëttsradius vun der bewunnbarer Zon an AE,

$L_{\mathrm {s} tern}\,$ ass déi bolometresch Liichtkraaft vun engem Stär, an

$L_{\mathrm {s} onne}\,$ ass déi bolometresch Liichtkraaft vun eiser Sonn.

Bei engem Stär mat 25 % Sonnenhellegkeet wier den Zentralberäich vun der habitabeler Zon ongeféier 0,5 AE vum Stär ewech, bei engem Stär duebel sou hell wéi eis Sonn wier d'Distanz 1,4 AE. Dat ass d'Resultat vum Distanzsgesetz vun der Liichthellegkeet. Den Zentralberäich vun der bewunnbarer Zon ass an dësem einfache Modell sou definéiert, datt en Exoplanéit mat vergläichbarer Äerdatmosphär (Opbau an Dicht) op ongeféier der globaler Duerchschnëttstemperatur vun der Äerd nokënnt, d'Ränner entspriechen den Temperaturen, bei deene Waasser fréiert respektiv kacht.

Doriwwer eraus spillt awer och d'Uewerflächenbeschafenheet, besonnesch d'Albedo (d'Réckstralverméigen) vum Planéit, eng grouss Roll. Modern Berechnunge berücksichtegen och d'Entwécklung vun der Planéitenatmosphär, wéi se duerch den atmosphäreschen an deelweis reng cheemeschen Zäreneffekt ervirgeruff ka ginn.

1959 haten d'Physiker Philip Morrison an Giuseppe Cocconi dës Zon fir d'éischt Kéier an engem SETI-Fuerschungsbericht beschriwwen. 1961 hat de Frank Drake déi no him genannt Drake-Equatioun publizéiert.

Well sech de Stär wéi och de Planéit am Laf vun der Zäit verännert, ännert sech och déi habitabel Zon. D'Liichtkraaft vun engem Stär hëlt am Laf vu senger Entwécklung zou. Soll sech d'Liewen an enger Form wéi eis op engem Planéit entwéckelen, muss dëse sech net nëmmen am richtegen Ofstand befannen, mä d'Ëmstänn däerfe sech op entspriechend laangen Zäitskalen och net änneren. De Planéit muss déi ganz Zäit bannenzeg vun der habitabeler Zon sinn, och wann déi sech lues zu engem gréisseren Ofstand vum Zentralstär verréckelt. Normalerweis hëlt ee fir déi Zäit e Mindestzäitraum vu 4 bis 6 Milliarde Joer un. Wann ee wëll den zäitlechen Aspekt ervirdoen, da schwätzt een och vun der kontinuéierlecher habitabeler Zon.

Habitabel Zon ënner Bezuch vum planetare Klima

D'Konzept vum CHZ gouf zanter de uewe skizzéierten Ufäng duerch Abezéiung vu Klimarechnungen, besonnesch dem Zäreneffekt duerch Kuelendioxid a Waasser, weesentlech verbessert.

Den Zäreneffekt op engem onbeliefte Gestengsplanéit oder -mound an der habitabeler Zon gëtt haaptsächlech duerch de Karbonat-Silikat-Zyklus reguléiert:

1. Atmosphäreschen CO₂ reent a Form vu Kuelesaier op d'Uewerfläch, wou d'Saier d'Silikatgestengs erodéiert an de Kuelestoff a Calcium-Silikat-Mineraler gebonne gëtt.
2. Dat kuelestoffhaltegt Gestengs gëtt duerch tektonesch Virgäng an déi planetar Lithosphär transportéiert an do zu Magma geschmolt.
3. Vulkanismus setzt de Kuelestoff als CO₂ nees fräi.

Den Zyklus reguléiert sech selwer, well bei eroffalenden Temperaturen de Reenundeel fält, woufir manner Kuelestoff aus der Atmosphär ewechgeholl gëtt wéi de Vulkanismus laangfristeg, also duerch de fréiere Klima, liwwert. Doduerch gëtt den atmosphäresche Kuelestoff ugeräichert, den Zäreneffekt klëmmt a wierkt der Ofkillung entgéint. Bei klammenden Temperature reguléiert sech den Zyklus iwwer eng gréisser Reemass och selwer zu engem niddregeren Treifhauseffet. D'Zäit fir de Karbonat-Silikat-Zyklus op der Äerd läit bei villen honnertdausend Joren.

Déi bannenzeg Grenz gëtt elo duerch ee sech selwer verstäerkenden Zäreneffekt definéiert, an deem sengem Verlaf d'Waasser vum Planéit an den interplanetare Weltraum entkënnt, a sou d'Regulatioun vum Karbonat-Silikat-Zyklus ausser Kraaft setzt. Dës Grenz läit am Sonnesystem bei ronn 0,95 AE. Un der baussenzeger Grenz kënne souguer Wolleken aus gefruerenem Kuelendioxid keen Zäreneffekt méi bewierken. Déi baussenzeg Grenz vun der CHZ vum Sonnesystem läit, jee no Modell, bei 1,37 bis 2,4 AE.

Am Sonnesystem ass nëmmen eis Äerd kloer bannenzeg vun dëser Ceinture ëm d'Sonn. D'Venus ass der Sonn, genee wéi de Merkur, ze no. De Mars läit jee no Modell nach knapps bannenzeg vun der CHZ a kënnt sou en Zäreneffekt gehat hunn. Allerdéngs ass de Planéit ze kleng, fir eng Plackentektonik iwwer Joermilliarden a Gang ze halen. D'Klima konnt sech um Mars net laangfristeg stabiliséieren. E Planéit mat Äerdmass kënnt also am Ofstand vu Mars, nach Liewen hunn. Op enger Distanz wéi de Jupiter géif e Planéit ënner kengen Ëmstänn genuch Stralungsenergie kréien, fir Waasser schmëlzen ze loossen.

Sonnensystem Schätzungen

Zweedimensionaalt bannenzegt Sonnesystem mat de planetaren Orbiten iwwerlagert mat der geschater minimaler (donkelgrénger) a maximaler (hellgréng) Ausdeenung där fir d'Sonnesystem virausgesoter habitabeler Zon.

Schätzunge fir déi habitabel Zon am Sonnesystem reeche vun 0,725 bis 3,0 astronomesch Eenheeten baséierend op verschidden wëssenschaftlech Modeller:

Bannenzeg Grenz	Baussenzeg Grenz	Referenz	Bemierkung
0,725 AU	1,24 AU	Dole 1964	huet optesch ausgedënnt Atmosphären ausgenotzt a fest Albedoen.
0,95 AU	1,01 AU	Hart et al. 1978, 1979	K0 Stären oder spéider kënne keng HZ hunn
0,95 AU	3,0 AU	Fogg 1992	huet Kuelestoff-Zykle benotzt.
0,95 AU	1,37 AU	Kasting et al. 1993
–	1 %...2 % weider baussen	Budyko 1969	... and Earth would have global glaciation.
–	1 %...2 % weider baussen	Sellers 1969	... and Earth would have global glaciation.
–	1 %...2 % weider baussen	North 1975	... and Earth would have global glaciation.
4 %...7 % méi no	–	Rasool & DeBurgh 1970	... and oceans would never have condensed. (an d'Ozeaner géifen ni kondenséieren.)
–	–	Schneider and Thompson 1980	widersprécht dem Hart.
–	–	Kasting 1991
–	–	Kasting 1988	Waasserwolleken kënnen d'HZ verklengere souwäit si dem Zäreneffekt mat héijeren Albedoen entgéigewierken.
–	–	Ramanathan and Collins 1991	Zäreneffekt IR trapping is greater than water cloud albedo cooling, and Venus would have to have started "dry".
–	–	Whitemire et al. 1991

Beispiller vun habitabelen Zone vu Stäre vun der Haaptrei:

Spektralklass	an AU
O6V	450 - 900
B5V	20 - 40
A5V	2,6 - 5,2
F5V	1,3 - 2,5
G5V	0,7 - 1,4
K5V	0,3 - 0,5
M5V	0,07 - 0,15

Habitabel Zonen ëm aner wéi sonnenänlech Stären

Rout Zwergen

Nodeems am Ufank ugeholl gouf, datt nëmme sonnenänlech Stären habitabel Zonen hätten, ginn an der Tëschenzäit och Rout Zwergen an d'Iwwerleeungen abezunn. Zwar léich bei masseaarme Stären d'Zon mat grousser Energie sou no beim Stär, datt d'Rotatioun vun engem Planéit do am Reegelfall mat senger Ëmlafzäit synchroniséiert wier, d. h. hien dréit sengem Zentralstär ëmmer déi selwecht Säit zou (sou wéi den Äerdmound beim Ëmlaf ëm d'Äerd). Allerdéngs kann eng ausreechend dicht Atmosphär d'Stralungsenergie vum Stär ausreechend effizient ëmverdeelen, fir op groussen Deeler vum Planéit flëssegt Waasser z'erméiglechen.

Stäre mat méi enger grousser Mass wéi eis Sonn

Bei vill méi masseräiche Stäre wéi eis Sonn ass d'Liewensdauer ze kuerz, fir datt eng habitabel Zon en ettlech Milliarde Joer bestoe kann. Stäre mat der dräi bis véierfacher Sonnemass liewen nëmme ronn eng Milliard Joer.

Wäiss Zwergen

Eng habitabel Zon existéiert och op enger Distanz vun 0,02 bis 0,1 AE ëm Wäiss Zwergen. Si entwéckele sech laanscht enger Ofkillungssequenz vun extreem gliddege Wäissen Zwerge mat Uewerflächentemperature vu villen 100.000 K wärend der Hubble-Zäit zu Temperature vun 3000 K bei ofhuelender Liichtkraaft. Deementspriechend wandert déi habitabel Zon am Laf vun der Entwécklung no bannen op de Stär zou. Obwuel ëm déi Stären eng habitabel Zon existéiert, ass unzehuelen, datt sech kee Liewe wéi op der Äerd entwéckele kann, well an der Fréiphas vum Wäissen Zwerg haart Ultraviolettstralung d'Molekülle vum Waasser a Waasserstoff a Sauerstoff opgespléckt hat, an de molekulare Waasserstoff deen dobäi entstanen ass, bei äerdgrousse Planéite gravitativ net gebonnen ass.

Weider méiglech habitabel Beräicher mat flëssegem Waasser

D'iewescht Konzept vun der habitabeler Zon huet nëmme restriktiv Hypotheesen, ënner wéi enge Bedingunge Liewen entstoe kann. D'Haaptviraussetzung ass flëssegt Waasser. Waasser spillt fir d'Liewen eng zentral Roll als Léisungsmëttel fir biocheemesch Reaktiounen. Problematesch ass awer, datt dat klassescht Konzept vun der habitabeler Zon op reng atmosphäreschen Hypotheese baséiert.
Mat de Jupitermounde Ganymed an Europa souwéi dem Saturnmound Enceladus ginn an der Tëschenzäit och Himmelskierper als Kandidaten ugesinn, déi wäit baussenzeg vun der Marsbunn an domat net an der klassescher habitabeler Zon sinn.
Dat gesäit een an der follgender Opstellung:

• E Klass-1-Habitat ass en äerdänleche Planéit an der uewe beschriwwener CHZ.
• E Klass-2-Habitat ass e Planéit, deen zwar och an enger wéi uewen definéierter Zon ass, sech awer wéinst anere Parameteren trotzdeem anescht wéi d'Äerd entwéckelt, also zum Beispill Planéiten ëm M-Stären, oder e Planéit um Rand vun enger habitabeler Zon wéi zum Beispill de fréie Mars, ier de Vulkanismus opgehalen huet.
• Klass-3-Habitater si Mounden oder Planéite mat Ozeanen ënner der Uewerfläch, déi awer mat Gestengsuewerflächen a Kontakt sinn. Beispiller fir sou Objeten am Sonnesystem sinn d'Jupitermounde Ganymed an Europa. An hinne kann dat gefruerent Waasser vun den Ozeanen z. B. duerch Gezäitereiwung verflëssegt ginn.
• Als Klass-4-Habitater gi reng Waasserregioune bezeechent, entweeder Mounde wéi Enceladus mat enger décker Äisschicht, déi nëmme bannenzeg vun der Äisschicht flësseg ka sinn, oder reng Ozeanplanéiten.

Bekannt Exoplanéiten an enger habitabeler Zon

En Diagramm dat d'Gréisst (kënschtleresch Duerstellung) an orbital Positioun vum Planéit Kepler-22b mat der habitabeler Zon vum Stär Kepler 22 an där vun der Äerd am Sonnesystem vergläicht

Ufank 2011 hat d'NASA virleefeg Observatiounsdate vun der Kepler-Missioun publizéiert, deemno leie méi wéi 50 vun den 1235 entdeckte Planéitekandidate bannenzeg vun enger habitabeler Zon.^,, Am Dezember 2011 huet d'NASA d'Entdeckung vum Kepler 22b matgedeelt, dem éischten Exoplanéit dee wéi d'Äerd an der habitabeler Zon ass. E weidere Kandidat war virun de Resultater vun der Kepler-Missioun, de Gliese 581 c, dee ronn 20 Liichtjoer vun der Äerd ewech läit, den zweete Planéit vum rouden Zwerg Gliese 581, deen awer an der Tëschenzäit säi Status als en eventuellen habitabele Planéit agebéisst huet, well hien ze vill intensiv Stralung vu sengem Stär kritt. Spéider ass en anere Planéit vum System, de Gliese 581 d, an den Zentrum vun der Opmierksamkeet geréckelt. De Planéit mat der aachtfacher Äerdmass ëmkreest säi Stär bannen 84 Deeg eemol. De Planéit läit a sengem System an enger Zon, déi klimatesch Bedingunge wéi déi vum fréiere Mars erméiglecht. Domat wier hien e Kandidat fir e Planéit, op deem Viraussetzunge fir Liewe bestinn.

Exoplanéiten, déi duerch eng habitabel Zon zéien

E Planéit, dee bei sengem Ëmlaf nëmmen zäitweis an der habitabeler Zon ass

Och Planéiten, déi op hirer exzentrescher Ëmlafbunn nëmmen zäitweis an der habitabeler Zon sinn, kënne Liewen hunn. Mikroorganismen, déi bei ganz héijen oder niddregen Temperature „schlofen“ a beim Passéiere vun der habitabeler Zon nees „erwächen“, kéinten op sou Planéite liewen.

Ultraviolett habitabel Zon

Analog zu enger duerch d'Klima definéiert Zon gouf eng Zon virgeschloen, an där d'Ultraviolettstralung vum Zentralstär eng änlech Intensitéit opweist, wéi si déi fréi Äerd erhalen hat. Dëser Zon läit d'Iwwerleeung zugronn, datt déi cheemesch Evolutioun net nëmmen Energie, mä och eng Quell negativer Entropie brauch. Anerersäits däerf d'UV-Stralung net ze intensiv sinn, well si soss d'Molekülle vun der fréier Biochimie ze séier nees zersetzt

Galaktesch habitabel Zonen

D'Konzept vun enger Zon, an där Liewe wéi op der Äerd entstoe kann, gouf 2001 op galaktesch Dimensioun vergréissert

Ufanks hat dës galaktesche habitabel Zon (engl. galactic habitable zone, GHZ) nëmmen de cheemeschen Entwécklungsstand vun enger galaktescher Regioun, wouno genuch schwéier Elementer an enger Regioun vun enger Galaxie musse sinn, fir datt Liewen entstoe kann. Déi meescht Elementer mat gréisseren Uerdnungszuele wéi Lithium entstinn eréischt am Laf vun der Zäit duerch Kärfusiounsprozesser, déi am Kär vum Stär oflafen, a beim Doud vum Stär an den interstellare Medium iwwerginn. An de bannenzege Regioune vun enger Galaxie leeft dës Nukleosynthese méi séier of wéi an de baussechte Regiounen, woufir een e maximale Radius vun der galaktescher habitabeler Zon definéiere kann.

Spéider koum als weidert Kriterium heizou d'Stärebildungsquotte an der jeeweileger Regioun vun enger Galaxie dobäi. Befënnt sech e Stär mat engem Planéit ze dicht un enger Supernovaexplosioun, déi meeschtens a Regioune mat aktiver Stärebildung stattfannen, gëtt doduerch d'Atmosphär vum Planéit ze vill gestéiert an de Planéit enger ze staarker kosmescher Stralung ausgesat, wéi datt sech Liewen dauerhaft entwéckele kënnt. Fir Spiralgalaxien wéi eis Mëllechstrooss klëmmt d'Supernovaquot zu de bannenzege Regioune vun enger Galaxie hin un. Dofir kann een och e bannenzege Radius vun der galaktescher habitabeler Zon uginn.

Dat bedeit, datt déi galaktesch habitabel Zon vun enger Spiralgalaxie wéi d'Mëllechstrooss e Rank ëm d'Zentrum vun der Galaxie bilt. Bannenzeg vun dësem Rank ass d'Stärendicht ze héich, baussenzeg ass d'Dicht ze kleng, fir datt genuch Stäre scho genuch schwéier Elemente produzéiert hunn. Am Laf vun der Zäit vergréissert sich de Beräich awer no baussen. Anerersäits si vill vun dëse Parameter onsécher, soudatt et och duerchaus méiglech ka sinn, datt déi ganz Mëllechstrooss an dësem Sënn „bewunnbar“ ass

Kosmesch habitabelen Alter

Dem Konzept vum habitabelen Alter vum Universum (engl. cosmic habitable age, CHA) leien déi cheemesch Entwécklung vun de Galaxien zanter dem Urknall an d'Erkenntnesser iwwer d'Strukturentwécklung vun de Galaxien an de Galaxiëkéip zugronn. Ausgoend vun den Erfarunge vun der cheemescher Evolutioun op der Äerd kann am Universum zanter mindestens 3,5 Milliarde Joer Liewen existéieren a warscheinlech zanter héchstens 5 Milliarde Joren. Anerersäits wäert sech an Zukunft d'Nukleosynthes duerch Stäre sou wäit reduzéieren, datt a viraussiichtlech 10 bis 20 Milliarde Joer geologesch wichteg radioaktiv Elementer net méi an ausreechender Mass am interstellare Medium wäerte sinn, fir op engem nei entstanene Planéit d'Plackentektonik a Gang ze hale fir hie sou duerch de Karbonat-Silikat-Zyklus fir d'Bildung vu Liewen am Sënn vun der zirkumstellarer habitabeler Zon gëeegent ze maachen.

Verschiddenes

Fir d'Eegeschaften an Habitabilitéit vun Exoplanéite besser klassifizéieren ze kënnen, schlugen hu Fuerscher 2011 den Earth Similarity Index - ESI (Äerdänlechkeets-Index) an de Planet Habitability Index - PHI (Planéite-Bewunnbarkeets-Index) virgeschloen.^,,

Literatur

• Margaret C. Turnbull, Jill C. Tarter: Target Selection for SETI. I. A Catalog of Nearby Habitable Stellar Systems. In: The Astrophysical Journal Supp. Ser.2003, online
• J.C. Tarter, u.a.: A Reappraisal of The Habitability of Planets around M Dwarf Stars. In: Astrobiology, 7 (2007) Abstract, bei arxiv
• Michael H. Hart: Habitable zones about main sequence stars. In: Icarus Band 37, Nummer 1, Januar 1979, S. 351–357
• James F. Kasting: How to find a habitable planet. Princeton Univ. Press, Princeton 2010, ISBN 978-0-691-13805-3.
• Arnold Hanslmeier: Habitability and cosmic catastrophes. Springer, Berlin 2009, ISBN 978-3-540-76944-6.

Kuckt och

Portal Astronomie

Um Spaweck

• (en) Fuerschungssäit vum James Kasting, engem Wëssenschaftler dee sech intensiv mat stellaren habitabelen Zone beschäftegt
• habitable zone (HZ)@ daviddarling.info, ofgeruff den 19. Juli 2011
• Calculating the Habitable Zone planetarybiology.com, ofgeruff den 19. Juli 2011
• The Habitable Zone Gallery hzgallery.org, ofgeruff de 6. Dezember 2011
• (en) Circumstellar Habitable Zone Simulator, e Simulator