Dampf statt Wasser: Unser Nachbarplanet Venus könnte selbst in seiner Frühzeit zu heiß für flüssiges Wasser oder gar Ozeane gewesen sein, wie nun eine Modellsimulation enthüllt. Anders als die Erde kühlte die Venus nie genug ab, um den dichten Wasserdampf ihrer Ur-Atmosphäre auszukondensieren zu lassen. Eine zu hohe Sonneneinstrahlung und dichte Wolken auf der Nachtseite des Planeten verhinderten dies, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.
Nach gängiger Annahme war die Venus in ihrer Frühzeit ähnlich lebensfreundlich wie die Erde. Sie könnte ein mildes Klima, flüssiges Wasser und sogar Ozeane besessen haben. Als mögliches Indiz für letzteres gilt unter anderem die abweichende Gesteinszusammensetzung der venusianischen Hochebenen. Erst als die junge Sonne an Kraft gewann, löste die zunehmend stärkere Strahlung einen galoppierenden Treibhauseffekt aus, der die Ozeane verdampfte und die Venus lebensfeindlich heiß machte. So weit die Theorie.
Die Abkühlungsphase war entscheidend
Doch jetzt weckt ein vergleichendes Klimamodell von Venus und Erde Zweifel an diesem gängigen Szenario. In ihrer Studie haben Martin Turbet von der Universität Genf und seine Kollegen erstmals im Klimamodell rekonstruiert, wie es auf der Venus direkt zu Anfang ihrer Geschichte aussah. „Denn bevor man die Frage stellt, welche Bedingungen für die Erhaltung eines flüssigen Ozeans nötig sind, muss das Wasser, das in der jungen, warmen Planetenatmosphäre präsent ist, erst einmal auf der Oberfläche auskondensieren“, erklären die Forscher.
Deshalb setzt die Modellierung direkt nach der Planetenbildung an: „Wir simulieren das Klima auf Erde und Venus ab dem Beginn ihrer Entwicklung, als ihre Oberfläche vor mehr als vier Milliarden Jahren noch glutflüssig war“, erklärt Turbet. „Bei diesen hohen Temperaturen lag das gesamte Wasser als Dampf vor – wie in einem gigantischen Dampfkochtopf.“ Unter welchen Bedingungen der Wasserdampf dann nach dieser Magmaozean-Phase auskondensiert und abregnet, haben er und sein Team in der Simulation nachvollzogen.
Kritischer Schwellenwert der Sonneneinstrahlung
Das Ergebnis: Damit die Atmosphäre eines jungen Planeten genügend abkühlt, um Wasser kondensieren zu lassen, darf die Sonneneinstrahlung eine bestimmte Schwelle nicht überschreiten. Bei der jungen Venus waren dies 325 Watt pro Quadratmeter, bei der Erde 312,5 Watt pro Quadratmeter – dies entspricht etwa 92 Prozent der heutigen Sonneneinstrahlung.
Liegt die Einstrahlung unter dieser Schwelle, können sich Wolken auf der Tagseite des Planeten bilden. „Diese Wolken lassen die Albedo abrupt in die Höhe schnellen und bewirken eine Abkühlung der Atmosphäre, durch die Wasserdampf auf der Oberfläche auskondensiert und sich schließlich Ozeane bilden“, erklären die Forscher. Bei der jungen Erde war dies der Fall: Sie lag weit genug außen, um die Sonneneinstrahlung unter den Schwellenwert zu senken – und entwickelte daher flüssiges Wasser und Ozeane.
Nachtwolken als Wärmedecke
Anders bei der jungen Venus: Selbst in der Frühzeit des Sonnensystem mit einer noch schwachen Sonne bekam sie nie weniger als rund 500 Watt pro Quadratmeter Einstrahlung, wie Turbet und seine Kollegen berichten. Dadurch heizte sich die sonnenzuwandte Seite der Atmosphäre stark auf und es entstanden starke Winde, die auf die Nachtseite des Planeten wehten. Dort kühlte die Gashülle soweit ab, dass sich dort dichte Wolken bildeten.
Das Problem dabei: Dichte Wolken auf der Nachtseite wirken wie eine isolierende Wärmedecke. Sie verhindern, dass Wärme von der Planetenoberfläche und der unteren Atmosphäre ins All abgestrahlt wird. Anders als Wolken auf der Tagseite kühlen sie die Atmosphäre daher nicht, sondern heizen sie weiter auf. „Diese Wolken verursachten auf der Venus eine starken Treibhauseffekt, der verhinderte, dass sich der Planet so stark abkühlte wie bislang angenommen“, sagt Turbet.
Schwache Sonne als Glücksfall
Zusammengenommen könnte dies bedeuten, dass sich die junge Venus nie genügend abgekühlt hat, um flüssiges Wasser und Ozeane auf ihrer Oberfläche zu ermöglichen. Sie erhielt dafür schon in der Frühzeit des Sonnensystems das entscheidende Quentchen zu viel Sonneneinstrahlung. Läge die Umlaufbahn der Erde nur ein wenig näher an der Sonne oder hätte die junge Sonne ein kleines bisschen mehr Leuchtkraft besessen, hätte unserem Heimatplaneten das gleiche Schicksal blühen können.
„Die leuchtschwache junge Sonne, die lange als eher kontraproduktiv für lebensfreundliche Bedingungen auf der frühe Erde galt, könnte demnach sogar die entscheidende Voraussetzung für die Entstehung von Leben auf der Erde gewesen sein“, konstatieren Turbet und seine Kollegen. Weil sie vor knapp vier Milliarden Jahren nur mit rund 75 Prozent ihrer heutigen Leuchtkraft strahlte, ermöglichte sie das Auskondensieren von Wasser auf unserem Planeten.
Drei Raumsonden könnten Klarheit schaffen
Ob es auf der Venus tatsächlich nie flüssiges Wasser und Meere gab, könnten schon bald gleich drei Raumsonden vor Ort klären. Die NASA plant in den nächsten Jahren mit DAVINCI+ und VERITAS gleich zwei Venusmissionen, die die Zusammensetzung der Venusatmosphäre, aber auch die Geologie ihrer Kruste näher untersuchen sollen. Die ESA wird in den 2030ern die EnVision-Raumsonde zur Venus schicken, die ebenfalls Gashülle und Kruste analysieren soll.
„Die Beobachtungen diese drei zukünftigen Venusmissionen werden entscheidend sein, um unsere Modellierungen zu bestätigen oder zu widerlegen“, erklärt Koautor David Ehrenreich von der Universität Genf. Ein Indiz dafür könnte unter anderem der Nachweis von ozeanisch geprägter Kruste in den Niederungen des Planeten sein.
Relevant auch für Exoplaneten
Sollte sich dieses Szenario und Modell bestätigen, dann würde dies nicht nur ein ganz neues Licht auf die Geschichte der Venus werfen. Es hätte auch Auswirkungen auf die Bewertung von Exoplaneten wir Turbet und seine Kollegen erklären. Denn der primordiale Wolkeneffekt verschiebt die Grenzen der klassischen habitablen Zone – der Zone, in der flüssiges Wasser auf einem Planeten möglich ist.
Einige Exoplaneten, die bisher als gerade noch lebensfreundlich galten, könnten dann doch zu heiß für die anfängliche Wasserkondensation gewesen sein. (Nature, 2021; doi: 10.1038/s41586-021-03873-w)
Quelle: Universität Genf
