#Welche Zonen sind habitabel? – Alpha Cephei

 
Dieser Artikel ist für Marc, der einen Roman schreibt, der auf einem gebunden rotierenden Planeten spielen soll. Ursprünglich als Forumspost geplant, ist er etwas länger geworden und Alderamin hat mir freundlicherweise die Möglichkeit eingeräumt, ihn hier als Gastartikel einzustellen.

Hier nun ist mein Versuch, die Frage zu beantworten, wie es auf einem solchen bewohnbaren Planeten aussehen könnte.

Ein Planet in gebundener Rotation um einem roten Zwerg

Diesen Stern habe ich im Folgenden als “Sonne” bezeichnet. Bei den Lebewesen habe ich mich an das Bekannte von der Erde gehalten, das kann aber natürlich auf anderen Planeten stark abweichen. Ich habe dabei versucht ein für die Bewohner eher günstiges Klima zu beschreiben. Andere Klimate, viel kälter oder viel wärmer, sind natürlich denkbar.

Ein hervorstechendes Merkmal ist natürlich, dass es keinen Tages- und, falls die Rotationsachse senkrecht steht, auch keinen Jahreszyklus gibt. Die “Sonne” steht immer an der gleichen Stelle und es wird keinen Schlaf- oder Aktivitätszyklus der Bewohner geben. Vielleicht werden sie sich nach ihren Tätigkeiten ausruhen und Pausen machen, aber nicht alle gleichzeitig. Vielleicht gibt es auch keinen Schlaf.

Ich werde im Folgenden das Gebiet des Planeten, wo die “Sonne” am höchsten steht, als Zentrum bezeichnen. Ost, West, Nord und Süd sind die normalen Bezeichnungen, bezogen auf das Zentrum.

Zum Klima

Es sind natürlich verschiedene Klimate denkbar, abhängig von der Einstrahlung der Sonne, vom Wärmetransport von der Vorder- auf die Rückseite, von der vorhandenen Wassermenge, der Dichte und Zusammensetzung der Atmosphäre usw.

Gehen wir von einer Situation aus, die der hier beschriebenen gleicht. Dabei ist die Wassermenge nicht sehr groß und der größte Teil steckt im riesigen Eisschild auf der Rückseite des Planeten, so dass es keine großen Meere gibt.

Dort, wo die stärkste “Sonnen”-einstrahlung ist, wird die Luft aufsteigen. Dabei wird sie so hoch steigen, dass der Wasserdampf kondensiert, sich Wolken bilden und es regnen wird. Luft strömt dabei zum Zentrum hin. Letztlich wird dadurch das Zentrum sehr feucht werden, umgeben von einer Wüste, wo es trocken ist, weil die Luft, die sich abgeregnet hatte, wieder absinkt.

Das ist ähnlich der Situation auf der Erde, wo in den Tropen in der sogenannten ITC (innertropische Konvergenz) die Luft aufsteigt sich Dichte und hohe Wolken bilden und es einen starken Niederschlag gibt. Nur dass diese Zone auf der Erde in einem Band um den Äquator führt, während auf dem Planeten diese Zone auf das Zentrum hin konzentriert ist.

Beschreibung der möglichen Abfolge der Klimazonen auf einem bewohnbaren, gebunden rotierenden Planeten:

Die bodennahe Luft wird zum Zentrum hin strömen und dort aufsteigen. Am Boden werden vielleicht Temperaturen von 50°C und mehr erreicht, aber wenn die Luft aufsteigt, kühlt sie ab und der Wasserdampf wird kondensieren und mächtige, hohe Wolken bilden (vermutlich bis in mehr als 30 oder gar 50 km Höhe, also viel höher als in den Tropen der Erde) und es wird auf einem Gebiet von mehr als tausend Kilometern Durchmesser ein sehr starker Niederschlag fallen, vermutlich um ein Vielfaches stärker als in den niederschlagsreichsten Tropen der Erde. Dadurch wird auch der Boden in der Nähe des Zentrums sehr feucht sein mit vielen Seen und Flüssen vielleicht auch kleiner Meeren. Dabei wird immer neues Wasser aus den zentrumsfernen Gebieten durch die bodennahen Winde herangeführt, selbst wenn die Luft dort relativ trocken ist. Weitere Feuchtigkeit nimmt die Luft dann durch die Verdunstung in der feuchten Region nahe des Zentrums auf. Nach dem sie sich abgeregnet hat, strömt die nun sehr trockene Luft in großer Höhe wieder vom Zentrum weg.

Aufgrund der großen Hitze wird es dort aber (wenn man von irdischen Verhältnissen und Lebewesen ausgeht) kein höheres Leben geben, bei Wassertemperaturen von über 50°C. Allerdings gibt es viele Bakterien und andere Kleinstlebewesen, die diese hohen Temperaturen überstehen und dort in der sehr feuchten, heißen Zone des Zentrums ein eigenes Ökosystem bilden.

Rund um das Zentrum schließt sich eine breite, trockene Wüstenzone an, auf die, außerhalb der zentralen Wolkenmassen, die “Sonne” erbarmungslos einprasselt.

Doch werden durch diese Zone Flüsse fließen, ausgehend von großen, überlaufenden Seen des feuchten Zentrums, und bei geeignetem Gefälle auch die Außengebiete jenseits der Wüste erreichen. Vergleichbar damit auf der Erde wäre der Nil, der in den feuchten Tropen entspringt und durch die Wüstenzone nach Norden fließt. Auf der Erde fließt aber das meiste Wasser der feuchten Tropen dort direkt in den Ozean, z.B. durch Amazonas oder Kongo. Auf dem Planeten, ohne große Meere, müssen die gesamten Wassermassen jedoch in gewaltigen Flüssen in die heiße Wüstenregion fließen, die sich rings um das Zentrum gebildet hat. Dort verdunstet ein Großteil des Wassers, manche Flüsse auch ganz, bevor es die Wüstenregion durchflossen hat, und es wird von der zum Zentrum strömenden, bodennahen Luft wieder zum Zentrum gebracht wo es erneut aufsteigen, Wolken bilden und sich abregnen kann.

In den Außenbereichen der Wüste, bevor sie in die gemäßigten Zonen übergeht wo es nicht mehr so heiß ist, werden die dort ankommenden Reste der Flüsse von Vegetationsstreifen umgeben sein. Einzelne Gruppen von Bewohnern könnten sich an diese Flüsse vorwagen, allerdings ist es dort sehr heiß.

Allmählich wird diese Zone von einer heißen Wüste in eine warme Zone mit gelegentlichen Niederschlägen übergehen, die bessere Lebensbedingungen bieten wird.

In der gemäßigten Zone könnte es in feuchteren Gebieten dichte Wälder geben, während in trockeneren Gebieten trockenangepasste Pflanzen wie Gräser vorherrschen könnten. Diese und die warme Zone werden am besten zu Besiedlung geeignet sein, allerdings steht die “Sonne” in der gemäßigten Zone schon recht tief. In dieser Zone wird es, wie auch auf der Erde, viele Wolken geben.

In allen diesen Zonen wird es in Senken auch verschiedene große Seen geben, die entweder von Schmelzwasser des Eisschildes oder eventuell auch von den aus dem Zentrum fließenden großen Flüssen gespeist werden. Seen mit Abfluss werden Süßwasser enthalten, während abflusslose Seen in ariden (die Verdunstung ist größer als der Niederschlag) Gebieten Salzseen sein werden. Insbesondere bei den Schmelzwasserseen des Eisschildes könnte man an die großen Seen Nordamerikas denken.

Künstlerische Darstellung einer Landschaft auf einem der Planeten des TRAPPIST-I-Systems. Die Planeten kreisen dort so eng um ihren Stern, dass sie am Himmel für das bloße Auge als ausgedehnte Objekte erscheinen würden. Bild: ESO/M. Kornmesser, CC BY 4.0.

Schließlich grenzt an die gemäßigte Zone nach außen hin eine zwischen ihr und dem Eisschild gelegene Tundrenzone, in der es für Wälder zu kalt ist und nur spärliche Vegetation herrscht. Die wärmsten Teile könnten noch für Weidetiere herhalten und in Seen und Flüssen könnte es Fische geben, aber ansonsten ist sie weniger zur Besiedlung geeignet. Auch sollte generell der Wind eher kalt vom Eisschild her wehen. Insbesondere steht die “Sonne” dauerhaft tief am Horizont. In der Nähe zum Eisschild ist mit sehr starken, eiskalten Fallwinden zu rechnen, wie sie auf der Erde am Rande der Antarktis vorkommen.

Insgesamt dürfte die von der Temperatur her bewohnbare Zone das Zentrum ringförmig umgebend ca. 2000 bis 2500 Kilometer breit sein und 39000 Kilometer Umfang haben, wenn der Planet den gleichen Durchmesser wie die Erde hat. Das sind 85 Millionen Quadratkilometer, wovon aber noch große Seen oder unbesiedelbare Gebiete abgehen. Die gesamte Fläche wäre also gar nicht so klein.

Die gesamte Rückseite, also die Hälfte des Planeten, bedeckt ein riesiger Eisschild, wo sich in einer Kältefalle der größte Teil des Wassers gesammelt hat. Dieser Teil dürfte den Bewohnern wegen der Unwirtlichkeit unbekannt sein. Dort ist es, außer in der Dämmerungszone am Rand, ewig Nacht. Interessant ist der Vergleich mit Eisschilden (z.B. in Nordamerika) während der letzten Eiszeit, die auch eine Grenze zum Inland hatten, im Unterschied zur Antarktis, wo das Eis im Wesentlichen ins Meer mündet.

Bei Gebirgen ergibt sich, da die “Sonne” am Himmel feststeht, eine “Sonnen”-seite zum Zentrum hin und eine Schattenseite in Gegenrichtung. Da der Wind meist zum Zentrum hin wehen wird, fällt der Regen gewöhnlich auf der Schattenseite. Da höhere Lagen kühler sind, könnte sich die bewohnbare Zone im Gebirge etwas weiter zum Zentrum erstrecken. Allerdings ist die Einteilung der Berge in trockene Sonnenseite und regenreichere Schattenseite eher nachteilig.

Ähnliches ist bei Gebäuden usw. zu beachten. Die “Sonne” steht an der gleichen Stelle, je nach Zone ziemlich tief, und alles, was im Schatten ist, bleibt auch da. Das dürfte sich auch auf die Pflanzen auswirken, die sich zur Sonnenseite hin ausrichten.

Breite der Zonen (geschätzt, bei Erdgröße) und beispielhafte Temperaturen

• (Haupt)Regenzone mit über 1500 km Radius im Zentrum, 50°C und mehr. Über dieser dichte, mächtige, sehr hohe Wolken, mit gewaltigen Niederschlägen.
• Feuchte Zone bis ca. 3000 km vom Zentrum, ca. 50°C. Über dieser sind dichte, mächtige Wolken.
• Eine 4000 km breite Wüstenzone, 30°C am Rand, meist 35°C bis 50°C, kaum Wolken, meist wolkenlos.
• Eine 1000 km eher trockene warme Zone 20°C bis 30 °C, wenige Wolken.
• Eine 1200 km eher feuchte kühlere Zone mit teilweise dichten Wäldern 9 bis 20°C. Viele Wolken. Niederschläge vor allem an Gebirgen.
• Eine 800 km Tundrenzone 2 bis 9°C. Teilweise bewölkt.
• Dann die schmale Schmelzzone des Eisschildes 0°C bis 2°C. Vorsicht, sehr kalte Fallwinde möglich, die sich bis in die äußere Tundrenzone erstrecken.

Die dunkle Rückseite ist von einem kilometerdicken Eisschild (immerhin die Hälfte des Planeten) bedeckt, hier ist das meiste Wasser gebunden, dafür gibt es keine Ozeane. Eine Art supergroße Antarktis mit vergleichbaren Temperaturen. Obwohl dort nie die “Sonne” scheint, wird durch Winde vom Zentrum aus über den Osten Wärme auf die Rückseite transportiert. Je nach Stärke dieses Wärmetransportes könnte es auch durchaus wärmer als in der Antarktis sein.

Abweichungen von der Symmetrie

Da der Planet, wenn auch langsam, rotiert, ist der Wind nicht zentralsymmetrisch und es gibt Unterschiede zwischen den Himmelsrichtungen vom Zentrum aus. Insgesamt sollte eine Windströmung von West nach Ost der vorherrschenden thermischen Strömung – am Boden zum Zentrum (wie auf der Erde der Passatwind), in großer Höhe vom Zentrum weg – überlagert sein. Außerdem ist die Luftströmung vom Äquator zu den Polen erschwert, wenn auch weitaus weniger als auf der Erde. Daher sollte es folgende Abweichungen von der Symmetrie geben:

Der Nordwesten und Südwesten ist generell kühler und die Zonen liegen etwas näher zum Zentrum. Daher ist dort bei gleicher Temperatur der Sonnenstand höher. Der Westen ist (von topographischen Unterschieden aufgrund des Reliefs abgesehen) auch eher kälter und trockener, außerdem weht dort der Wind stärker vom Eisschild in die gemäßigte Zone.

Im Osten hingegen strömt die Luft ausnahmsweise auch in Bodennähe teilweise vom Zentrum weg. Daher herrscht dort in den kalten Gebieten ein eher warmer Wind und es ist wärmer, als in gleicher Entfernung vom Zentrum in andere Richtungen. Daher liegen die Zonen dort weiter vom Zentrum weg. Außerdem gibt es dort mehr Niederschläge. Die “Sonne” steht dort tiefer als in anderen Richtungen bei gleicher Temperatur. Dort könnte der Eisschild am weitesten vom Zentrum entfernt sein. Daher könnte sich die Tundra dort bis in die Dämmerungszone erstrecken. Dies ist das einzige Gebiet (außer den Eisschilden) wo die Bewohner bis in die Dämmerungszone vordringen könnten, wo die “Sonne” nicht mehr scheint, was natürlich etwas ganz besonderes ist. In allen anderen Gebieten außerhalb des Eisschildes scheint immer die “Sonne”, von Bewölkung abgesehen.

In Zeiten, in denen die Exzentrizität mit etwa 0.01 (siehe unten) groß ist, ist die Tundrenzone im Osten das einzige Gebiet (maximal wenige hundert Kilometer breit und ein paar tausend Kilometer lang), wo durch das Pendeln der Sonne im Jahresrhythmus ein Sonnenauf- und -untergang beobachtet werden kann. Ist die Exzentrizität 0, steht die “Sonne” natürlich still. Das könnte diese Gegend im tiefen Osten zu einer ganz besonderen für die Bewohner der ringförmigen, bewohnbaren Zone machen und starken kulturelle Einfluss haben.

Außerdem sind im Osten die Niederschläge am größten. Auch über dem Rand des Eisschildes fällt viel Schnee und entsprechend ist der Schmelzwasserabfluss groß, wodurch diese Gegend noch feuchter wird. Außerdem könnte es hier Gebirge geben, auf denen es nicht auf der Schattenseite außen, sondern auf der dem Zentrum zugewandten Sonnenseite regnet, günstig für die Bewohner und die Vegetation.

Ob es wirklich insgesamt sehr trocken ist, ist die Frage. Immerhin fehlt der Tagesgang der Temperatur, der zur Kondensation am Boden, zu Bodennebel, Tau oder Reif führen könnte. Daher könnte die Luft selbst möglicherweise gar nicht so trocken sein.

Astronomisches

Rote Zwerge sind für starke Eruptionen, Flares, bekannt. Daher sollte der Abstand des Planeten möglichst groß sein und mithin auch die Umlaufzeit und die Helligkeit des roten Zwergsterns. Bei einer Masse von 0.46 Sonnenmassen für den Stern (“Sonne”) ist ein Abstand von 0.138 Astronomischen Einheiten (Abstand Erde-Sonne) plausibel, das ergibt eine Umlaufzeit und damit Tages- und Jahreslänge von 27.6 Erdentagen oder 662 Erdenstunden. Allerdings ist davon bei einer kreisförmigen Umlaufbahn und ohne Neigung der Rotationsachse nichts zu merken. Die “Sonne” steht immer an der gleichen Stelle. Die Zahlen sind ein Beispiel.

Wenn die Bahn aber durch die benachbarten Planeten beeinflusst wird, sollte die Bahn nicht genau kreisförmig bleiben, sondern deren Exzentrizität z.B. zwischen 0.00 und 0.01 schwanken, siehe unten.

Wenn starke Eruptionen in unregelmäßigen Abständen auftreten, kann das natürlich von den Bewohnern bemerkt werden. Man denke an das Carrington-Ereignis, nur viel stärker.

Aufgrund ihrer Nähe wird die “Sonne” größer erscheinen als die Sonne der Erde, etwa dreimal so groß im Durchmesser. Dafür ist sie aber kühler und daher röter als die Sonne der Erde. Die Helligkeit der “Sonne” aus dieser Entfernung ist insgesamt so groß wie die der Sonne der Erde von der Erde aus. Wenn die Bewohner an das Licht ihrer Sonne angepasst sind und das rote Licht gut sehen können, wird ihnen dieses Licht aber völlig normal weiß und nicht rot erscheinen, es sei denn, sie befinden sich in einer äußeren Zone, wo die “Sonne” sehr tief steht.

Sichtbarkeit anderer Planeten

Man könnte denken, dass auf der Tagseite außer der “Sonne” keine Sterne zu sehen sind und somit keine astronomischen Beobachtungen wie auf der Erde möglich sind. Für die Sterne mag das zutreffen, eventuell könnte man einige wenige helle Sterne so wie Sirius auch am Taghimmel sehen.

Wenn aber weitere Planeten um diesen Stern laufen, erscheinen sie unter Umständen heller als die Venus im Sonnensystem, da sie dem Beobachter näher sind. Ein weiter innen liegender Planet mit einer geringeren Umlaufzeit könnte durchaus 5 Größenklassen heller als die Venus erscheinen und damit auch am Taghimmel sichtbar sein. Außerdem könnte er (wenn etwas größer im Durchmesser als die Erde) etwa 10 mal so groß wie die Venus erscheinen und damit, je nach Position als eine kleine Sichel von einigen Bogenminuten Durchmesser. Nicht so groß wie der Erdmond, aber mit bloßem Auge als Sichel erkennbar.
Eventuell könnten auch ein oder zwei äußere Planeten am Taghimmel beobachtet werden, wenn sie hell genug sind. Ihre Beobachtung ist natürlich am einfachsten, wenn sie einen möglichst großen Winkelabstand von der “Sonne” haben, da sie sonst von dieser überstrahlt werden.

Kein Mond

Einen Mond sollte der Planet nicht besitzen. Durch die Nähe zum Stern ist die dem Planeten umgebende für stabile Umlaufbahnen von Monden sehr klein. Dann sind die Gezeitenkräfte sehr groß und das Planet-Mondsystem entwickelt sich sehr schnell. Schließlich wird ihm schon nach wenigen Millionen Jahren durch die “Sonne” soviel Drehimpuls entzogen, dass der Mond auf den Planeten stürzt. Das passiert aber alles noch während der Entstehungszeit des Planeten bevor er abkühlen konnte. Statt des Mondes können die Bewohner die inneren Planeten am Taghimmel beobachten, wenn auch nicht so groß wie wir den Erdmond.

Frühere Rotation? Nein, besser leichte Veränderung der Exzentrizität der Bahn

Die Abbremsung wird schon in der Frühzeit des Planeten passiert sein, nicht erst wenn er bewohnt ist. Außerdem würde eine unplausibel schnelle Abbremsung den Planeten stark aufheizen, so dass er wohl unbewohnbar würde.

Statt dessen dürfte die Exzentrizität der Umlaufbahn zwischen 0.00 und 0.01 durch Störungen der Nachbarplaneten über die Jahrtausende (irdische Jahrtausende) variieren. Daher sind im Osten – dort ist es am wärmsten (bei gleichem Abstand vom Zentrum) – in der Tundrenzone Sonnenauf- und -untergänge bei einer Exzentrizität von 0.01 möglich. Dies verursacht eine Änderung der Sonnenposition um wenige Grad, vielleicht um den 2 bis 3-fachen scheinbaren Durchmesser der “Sonne”, auf und ab im Laufe eines Jahres von etwa 662 Erdenstunden.

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