Wie kann das Leben dazu beitragen, dass die atmosphärischen Gezeiten die Rotation eines Planeten verlangsamen?

Resonanzschwingungen der Atmosphäre eines Planeten, die durch die Gravitationsgezeiten und die Erwärmung durch seinen Stern verursacht werden, könnten verhindern, dass sich die Rotation eines Planeten im Laufe der Zeit stetig verlangsamt, so neue Untersuchungen von Caleb Scharf, Direktor für Astrobiologie an der Columbia University. Seine Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Effekt für einen Planeten mit einer Atmosphäre, die vom Leben mit Sauerstoff versorgt wurde, verstärkt wird und die daraus resultierenden „atmosphärischen Gezeiten“ könnten sogar als Biosignatur wirken.

Gezeiten können die Masse eines Planeten verzerren, was wiederum seine Rotation beeinflusst. Wir sind am besten mit den Gravitationsgezeiten vertraut, die wir auf der Erde durch die Schwerkraft von Mond und Sonne spüren. Diese Gravitationsgezeiten erzeugen Ausbuchtungen, wenn sich die Erde dreht, und der Mond und die Sonne ziehen an diesen Ausbuchtungen und verlangsamen den Spin.

Im Gegensatz dazu treten atmosphärische Gezeiten, manchmal auch als thermische oder solare Gezeiten bezeichnet, auf, wenn Sonnenlicht die Oberfläche und Luft auf der Tagesseite der Erde erwärmt. Diese Erwärmung verschiebt die Masse der Atmosphäre vom heißesten Punkt zu kühleren Punkten auf dem Planeten. Wie bei den Gravitationsgezeiten verursachen auch die atmosphärischen Gezeiten Ausbuchtungen, die für Gravitationszüge anfällig sind. Diese Ausbuchtungen verändern subtil die Form der Erdatmosphäre und dehnen sie von einer Kugel zu etwas etwas weniger Symmetrischem und Elliptischem aus. Scharf schlägt vor, sich einen „Griff“ auf der Erde vorzustellen, und dass Kräfte, die am atmosphärischen Griff ziehen, dann helfen können, die Rotation des Planeten zu beschleunigen oder zu verlangsamen.

Resonanzfrequenzen

Normalerweise sind die Effekte dieser thermischen Gezeitenkräfte relativ gering, aber die Effekte können unter bestimmten Umständen, wie z.B. bei Resonanzen, verstärkt werden. Dies sind natürliche Schwingungsfrequenzen, die die wellenförmige Bewegung von Brücken im Wind beschreiben oder bei einer Schaukel immer höher und höher geschoben werden. Die atmosphärische Umverteilung wird verstärkt, wenn die Rotationsrate des Planeten mit der Eigenfrequenz der Schwingung der Atmosphäre übereinstimmt.

Scharf verwendet eine andere Metapher, um die Resonanz zu erklären: „Es ist wie auf einer Geige“, sagt er dem Astrobiology Magazine. „Die Atmosphäre ist eine Geigensaite, die um den Planeten gewickelt ist. Wenn man den Bogen mit der richtigen Geschwindigkeit über die Saite zieht, bekommt man den richtigen Ton und den lautesten Ton.“

Wissenschaftler glauben, dass die Resonanz mit der Erde stattfand, als ihre Tage etwa 21 Stunden lang waren. Diese Tageslänge hätte einen Höhepunkt in der atmosphärischen Bewegung verursacht, was bedeutet, dass sie die stärksten Gezeitenzüge von Sonne und Mond gespürt hätte, was zu einem besonders großen „Griff“ und maximalem Drehmoment geführt hätte. Bei dieser Resonanz ist der Einfluss eines Sterns auf die Atmosphäre eines Planeten am größten, ebenso wie die Auswirkungen auf die Rotation des Planeten. Ein Phänomen, das als „resonantes Einfangen“ bezeichnet wird, kann auftreten, wenn die gegensätzlichen Kräfte, die auf den atmosphärischen Griff ausgeübt werden, und die üblichen Gravitationsgezeiten des Planeten das Gleichgewicht erreichen und die Rotationsrate des Planeten einsperren.

Ausbruch aus der Falle

Laut Scharf deuten Forschungen darauf hin, dass die Erde bei einer Tageslänge von 21 Stunden für „Hunderte von Millionen von Jahren“, vielleicht in der präkambrianischen Ära vor über 500 Millionen Jahren, resonant eingeschlossen gewesen sein könnte. Die Auswirkungen der Resonanzfangtechnik sind schwer selbst zu messen, aber im Allgemeinen stellt Scharf fest, dass Planeten mit schnelleren Rotationen heißere Äquatoren und kühlere Pole haben. Resonanzgefangen zu sein, mag das Klima der Erde beeinflusst haben, aber wichtiger ist die Rolle der Resonanzgefangenen bei der Klimaentwicklung.

Resonanz kann (und im Falle der Erde wäre sie zwangsläufig) durch Temperaturschwankungen gebrochen werden, wie z.B. eine schnelle Erwärmung nach einem Tiefkühltrend, die die Zunahme der Tageslänge über Millionen von Jahren wieder in Gang setzen würde, wenn sich die Rotation eines Planeten wieder verlangsamt.

Zum Beispiel ist es möglich, dass die Erde vor 3 bis 4 Milliarden Jahren einen 12-Stunden-Tag hatte, und dass sie sich im Laufe der Zeit auf 24 Stunden verlängerte. Irgendwann in ferner Zukunft kann ein Erdtag länger als 24 Stunden sein.

Ein häufiges Phänomen

Da die meisten Planeten Gravitationsgezeiten erleben, die ihre Rotation beeinflussen könnten, glaubt Scharf, dass andere felsige Planeten schließlich eine resonante Falle erleben würden, was dazu führt, dass eine Tageslänge für längere Zeit konstant gehalten wird.

Rory Barnes, Professor an der University of Washington’s NASA Virtual Planetary Laboratory, stimmt zu, dass dieser Prozess weit verbreitet sein könnte.

„Während Scharf vergangene Ergebnisse für die Erde reproduzierte, ist sein Modell dieses komplizierten Phänomens einfach und elegant“, sagt er. „Es ist jedoch schwierig, abschließend zu sagen, welche Auswirkungen die Auswirkungen auf einen bestimmten Planeten haben könnten, wenn man den komplizierten Einfluss von Klima, Witterungsbedingungen, Größe usw. bedenkt. Aber Scharf’s Versuch der ersten Ordnung, diese Faktoren zu entwirren, liefert Ideen für eine weitere Verfeinerung.“

Eine besonders interessante Implikation von Scharf’s Arbeit ist die Möglichkeit, dass biologische Aktivität auch die Rotation eines Planeten beeinflussen könnte. Moleküle wie Ozon erwärmen die Atmosphäre, was die thermischen Gezeiten verstärkt und die Resonanz auf kürzere Tageslängen verschiebt. Wenn das Leben auf einem Planeten Sauerstoff produziert, würde der Planet Ozon ansammeln, das die resonante Falle früher in der Geschichte eines Planeten fördert. Solche Möglichkeiten „hängen alle von der Reihenfolge der Ereignisse ab“, sagt Scharf. Wenn sich die Erde inmitten einer Resonanz befand, könnten Ozonerhöhungen sie brechen; wenn die Erde bereits Resonanz erlebt hätte, könnte sie wieder in diesen Zustand eintreten.

Ein positives Feedback fürs Leben?

Die Millionen-Dollar-Frage ist, ob die Rotationsänderungen durch Oxygenierung oder Ozon dem Leben förderlich sind. Ist dies ein positiver Feedbackprozess, der dem Leben hilft, seine planetarische Umgebung so zu beeinflussen, dass es dieses Leben propagiert? Scharf sagt, es ist zu früh, um sicher zu sein, aber wenn biologische Aktivität helfen kann, sich im Resonanzzustand zu verfangen, könnte die Anwesenheit von Leben eine Rückkopplungsschleife erzeugen.

Wenn Wissenschaftler mehr Daten über die Entwicklung der Erdrotation in den letzten vier Milliarden Jahren erhalten könnten, könnten sie „sie mit unseren Daten über die Luftsauerstoffversorgung vergleichen und nach Korrelationen suchen, die auf die Auswirkungen der Sauerstoffversorgung auf die Resonanzfangtechnik schließen lassen – was ziemlich erstaunlich, aber durchaus möglich wäre“, sagt Scharf. Barnes stimmt zu und nennt dies eine „provokante Idee, die eine weitere Untersuchung verdient“.

Eine weitere Idee für die zukünftige Untersuchung ist, ob die planetarischen Drehraten eine Indikation für die potentielle Bewohnbarkeit eines Planeten sein könnten.

„Es ist unglaublich schwierig, die Rotationsraten von Planeten zu erkennen“, sagt Scharf, „aber angesichts der Fortschritte in den Exoplanetenwissenschaften gibt es vielleicht einen Weg, dies zu tun.“

Selbst wenn Wissenschaftler herausfinden könnten, wie man die Rotationsrate von felsigen Planeten misst, bezweifelt Scharf, dass sie einen „smoking gun“ finden würden, der kausal mit der Anwesenheit von biologischem Leben zusammenhängt. Die Berechnung der Rotationsrate könnte jedoch eines der vielen Werkzeuge sein, mit denen Astrobiologen nach Planeten suchen, die das Leben unterstützen. Barnes würde sich freuen, „ein Experiment zu sehen, das die Rolle der Biologie bei der Rotationsrate und der potentiellen Bewohnbarkeit eines Planeten isoliert“, aber in der Zwischenzeit wird er seine außerirdische Checkliste um Beobachtungen zur Rotationsrate erweitern.

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