koopmans @ astro.rug.nl - Kapteyn Astronomical Institute

Astrobiologie
Docent: Léon Koopmans
Kapteyn Instituut (RuG)
koopmans @ astro.rug.nl
College 4: Extremofielen &
Leefbare Werelden?
Overzicht College Inhoud
1
Overzicht + Wat is Astrobiologie?
Inleiding, wetenschappelijke aanpak & context.
2
Sterrenkundige Achtergrond (Aantekeningen + Slides)
Achtergrond/Overzicht van Kosmologie tot Planeten
3-4 Leven & Leefbare Werelden (Hfstk 1-2)
De basis van leven op Aarde. Voorwaarden, oorsprong,
diversiteit, evolutie, ... Extremofielen
5-6 Zoeken naar Leven in het Zonnestelsel (Hfstk 3-5)
Zoektocht/missies, Mars, Venus, Europa, Titan, ...
7-9 Exo-Planeten (Hfstk 6-8)
Planeetvorming, zoekstochten, leven, ...
10 Buitenaardse Intelligenties (Hfstk 9)
Drake eqn, SETI, CETI, Fermi-paradox, ...
Boek: “An introduction to Astrobiology” Iain Gilmour & Mark. A. Sephton
Extremofielen:
Onder welke omstandigheden
kan leven gedijen op Aarde?
Wat zijn extremofielen
Extremofielen zijn microorganismen die
overleven onder “extreme” omstandigheden,
zoals atypische temperatuur, pH,
zoutgehalte, druk, voedsel, zuurstof, water
en straling
Typen extremofielen
Andere typen:
●
Barofielen – overleven onder hoge druk, vooral
in diepzee warmtebronnen
●
Osmofielen – overleven in hoge suiker concentraties
●
Xerofielen – overleven in hete en droge woestijnen
●
Anaeroben – overleven in zuurstofarme omgeving
●
Microaerofielen - overleven alleen maar in zuurstofarme
omgeving
●
Endolieten – leven in rotsen en grotten
●
Toxitoleranten -organismen die hoge niveaus van
schadelijke stoffen kunnen weerstaan, bijv. Water
verzadigd met benzeen of de water-kern van nucleaire
reactoren.
Omgevings voorwaarden
Cellen met kern;
bv alle meercellig
organismen
Overleving in extreme
omstandigheden
Levensboom kent
drie verschillende
“domeinen”
●
●
●
Bacterieen
Archaea
Eukaryoten
Hitte-lievende
organismen!
Waarom?
(zie verder)
CLASSIFICATIE VAN EXTREMOFIELEN
Phylogenetische Relaties
Extremofielen komen voor onder bacterieen, vormen de
meerderheid van de Archaea, en een paar van de Eukaryoten
PHYLOGENETISCHE RELATIES
●
●
●
Leden van het domein Bacteria (bv Aquifex en
Thermotoga) dichterbij de wortel van de “boom
des levens” zijn vaak hyperthermofielen
Het Domein Archaea bevat vele extremofiele soorten.
De meeste extremofiele leden van het
Domein Eukarya zijn rode en groen algen
Aquifex
Chronologie van leven
Extremofielen zijn onder de oudste organismen
EXTREME PROKARYOTEN
Hyperthermofielen
Leden van het domein
van bacterieen en
archaea (geen kern).
Een van de eerste
organismen
De vroege aarde was
extreem heet, dus
deze organismen
konden overleven.
Morphologie van Hyperthermofielen
-Hitte stabiele proteinen hebben een meer
hydrofobisch inwendig waardoor proteinen
niet openvouwen bij hogere temperaturen.
- Hebben proteinen die opvouwing van andere
proteinen waarborgen.
- Membraan die bij hoge temp. stevig blijft.
- Stoffen die mutaties en schade aan DNA
voorkomen.
- Kunnen leven zonder zonlicht of organisch
koolstof als voedsel. Ze kunnen overleven
op zwavel, waterstof en ander materiaal
dat gewone organismen niet kunnen
omzetten.
Het rood op deze rotsen
wordt geproduceerd door
Sulfolobus solfataricus,
nabij Napels, Italie
Sommige Hyperthermofielen
Leefomgeving van
thermofielen zijn
bijvoorbeeld vulkanische
warmtebronnen en spleten.
Pyrococcus abyssi 1μm
Thermus aquaticus 1μm
Diep Zee Extremofielen
De diep-zee bodem en hydrothermische
spleten hebben de volgende
eigenschappen:
lage temperatuur (2-3º C) – waar alleen
psychrofielen aanwezig zijn
lage voedsel niveaus – alleen oligotrophs
zijn aanwezig
hoge druk – neemt toe met 1 atmosfeer per
10 m diepte (veranderd metabolisme)
barotolerante microorganismen leven op
1000-4000 meter diepte
Een “black smoker”, een
warmtebron onderwater
(270-380°C)
barofilische microorganismen leven beneden
4000 meter dieptes
Extremofielen in Hydrothermische
Warmtebronnen
0.2µm
Natuurlijke bronnen
die warm of heet
water doorlaten op
de zeebodem of
nabij de mid-oceaan
rug, geassocieerd
met de spreiding van
de aardkorst; hoge
temperaturen en
druk.
1µm
Een doorsnede van een bacterie in
een warmtebron. Vaak zitten deze
bacterien vol met virussen die ook
voorkomen in deze bronnen.
Een bacterie kolonie op
de zeebodem (in een
warmtebron) nabij de
Azoren
Psychrofielen
Sommige microorganismen
gedijen goed onder het
vriespunt van water, bijv.
op Antarctica
Sommige wetenschapper denken dat de
omstandigheden van psychrofielen
vergelijkbaar zijn met die op Mars.
Psychrofielen bezitten:
- flexibele proteinen die ook onder lage temperatuur
goed functioneren
- “antivries proteinen” die het vriespunt van andere
biomolekulen verlagen en de celinhoud vloeibaar houden
- meer vloeibare membranen met vetten die bevriezing
voorkomen
- actieve voortbeweging bij lage temperaturen
Halofielen
- Opdeling: mild (1-6%NaCl), moderaat (6-15%NaCl) en extreem
(15-30%NaCl)
- Halofielen zijn meestal aerobe archaea
Hoe overleven halofielen in hoge zoutconcentraties?
- sterkere interactie met water (meer negatieve aminozuren)
- kleinere proteinen die concureren voor water
- hoger zoutgehalte in de cel, die opweegt tegen die buiten de cel
Barofielen
- Overleven onder druk die
dodelijk zijn voor andere
organismen
- Worden gewoonlijk diep in de
aarde gevonden, onder de
zeebodem of in hydrothermale
spleten
1µm
Een voorbeeld van een
barofilische bacterie uit het
binnenste van de Aarde
- Wetenschappers denken dat ze
evt. kunnen overleven op de
maan en andere plaatsen in de
ruimte
Xerofielen
Xerofielen leven in waterarme omgeving, zoals woestijnen.
Produceren “desert varnish”
(zie foto)
Desert varnish is een dunne
laag van Mn (mangaan), Fe (ijzer),
en klei op het oppervlak van
rotsen gevormd door kolonieen
van bacterieen die duizenden
jaren op rotsoppervlakken leven!
AANTAL GENERA VAN PROKARYOTISCHE EXTREMOFIELEN
2um
1.8um
Thermotoga
0.6um
Methanosarcina
1.3um
Thermoproteus
1um
Aquifex
0.9um
Thermoplasma
0.6um
Pyrodictium
Halobacterium
0.9um
Thermococcus
0.7um
Ignicoccus
Deinococcus radiodurans
Weerstaan van Straling!
Enorme weerstand tegen straling
(tot 4 miljoen rad), genotoxische
chemicalien (welke schade doen aan
DNA), oxidatie schade door
peroxiden/superoxiden, hoge
niveaus van ionizatie en UV straling,
en dehydratatie
0.8µm
Heeft 4-10 DNA molekulen ipv de
gewoonlijk 1 molekuul van de
meeste bacterien.
Bezitten DNA reparatie enzymen die stukjes DNA weer aanelkaar
binden. Gedurende deze reparaties wordt de cel-activiteit
stopgezet en de DNA stukjes worden op de plaats gehouden
Chroococcidiopsis
De Kosmopolitische Extremofiel
1.5µm
- Een cyanobacterie die overleeft in een groot aantal
harde omgevingen zoals warmtebronnen, zeer hoge zout
concentraties, droge woestijnen en Antarctica
- Hebben enzymen die in deze aanpassing helpen.
Andere Prokaryotische Extremofielen
1µm
Gallionella ferruginea (ijzer
bacterie), uit een grot
1µm
Anaerobic bacterie
Meer en meer onbekende extremofiele soorten worden
gevonden op plekken waar men dacht dat leven onmogelijk was.
EXTREME EUKARYOTEN
THERMOPHILES/ACIDOPHILES
2µm
EXTREME EUKARYOTEN
PSYCHROFIELEN
2µm
Sneeuw Algen (Chlamydomonas nivalis) Een kolonie van sneeuwalgen op Antarctica
Deze algen hebben zich succesvol aangepast aan hun harde
omgeving door de ontwikkeling van een aantal aanpassingen zoals
pigmenten tegen te veel licht, glycerine, suikers, vetten, etc.
EXTREME EUKARYOTEN
ENDOLIETEN
Groene endolieten
Endolieten (ook hypolieten genoemd) zijn meestal algen, maar
kunnen ook prokaryotische cyanobacterien zijn die leven in rotsen
en grotten.
Vaak bloodgesteld aan anoxic (geen zuurstof) en anhydric (geen
water) omgevingen
EXTREME EUKARYOTEN
PARASIETEN
Leden van de Phylum Protozoa (eencellige Eukaryoten) die
beschouwd worden als de vroegst ontwikkelde eukaryoten zijn
vooral parasieten
Parasitisme is een gespannen relatie tussen gastheer en
parasiet, dus worden ze beschouwd als extremofielen
15µm
Trypanosoma gambiense,
veroorzaakt Afrikaanse
slaapziekte
20µm
Balantidium coli,
veroorzaakt dysenterieachtige symptomen
EXTREME VIRUSEN
Virusen worden gevonden in
omgevingen warmer dan 95 Celsius.
Viruses met propellor-achtige
structuren zijn gevonden
40nm
Virus-achtige deeltjes
geisoleerd uit een extremen
omgeving in Yellowstone
Deze extreme virusen leven vaak in
hyperthermofiele prokaryoten
zoals Sulfolobus
Waren de eerste organismen
op aarde ook extremofielen?
De eerste organismen?
●
●
●
●
●
De vroege aarde was niet uitnodigende voor leven: hoge
concentraties van CO2/H2S/H2 etc, weinig zuurstof en
hoge temperaturen
Levensvormen die konden evolueren moesten zich aan
deze omgeving aanpassen
H2 was aanwezig in grote hoeveelheden in de atmosfeer.
Veel hyperthermofielen en archaea oxideren H2
Dus, men denk dat extremofielen de eerste levensvormen
waren en dat niet-extreme organismen vormden nadat
cyanobacterieen voldoende O2 hadden opgebouwd in de
atmosfeer
Resultaten van rRNA en andere moleculaire technieken
plaatsen hyperthermofiele bacterieen en archaea aan de
wortels van de phylogenetische levensboom
Evolutionaire Theorieen

Consortia- symbiotische relaties tussen microorganismen; meer dan een
soort kan bestaan in een extreme omgeving, omdat de ene soort voedsel
verzorgt voor de ander en vice versa

Genetische drift lijkt een belangrijke rol te spelen in hoe extremofielen
evolueren, met allele frequencies die willekeurig veranderen in een
microbiologische populatie. Dus allelen (verschillende versies van een gen;
bv bloedgroep) die aanpassing aan moeilijke omstandigheden overdraagt
neem toe in de populatie; dit leidt tot extremofiele populaties

Geographische isolatie kan ook een belangrijke factor in extremofiele
evolutie zijn geweest. Microorganismen die geisoleerd raakten in meer
extreme gebieden kunnen biochemisch en morphologisch zijn gevolueerd
met verhoogde overlevingskansen in tegestelling tot aanverwanten in
gemakkelijkere omstandigheden (ook genetische drift)
Langzamere Evolutie





Extremofielen, vooral hyperthermofielen hebben een
langzame “evolutionaire klok”
Dwz ze zijn niet ver geevolueerd van hun voorouders
vergeleken met andere organismen
Hyperthermofielen vandaag zijn nog steeds
vergelijkbaar met die van 3 miljard jaar geleden
Langzame evolutie kan een direct gevolg zijn van hun
extreme omgeving en weinig competitie
In tegenstelling, andere extremofielen, zoals halofielen
en psychrofielen lijken sneller te zijn geevolueerd
omdat ze in omgevingen leven die minder op die van de
vroege aarde lijken.
Mat Consortia
Een mat
consortia in
Yellowstone
●
●
●
Een microbiologische “mat” bestaan uit een laag
photosynthetische bacterieen met een laag van nietphotosynthetische bacterieen eronder
Deze consortia verklaren misschien een deel van de evolutie
die heeft plaatsgevonden: extremofielen zijn misschien
afhankelijk (geweest) van andere extremofielen en nietextremofielen voor voedsel en bescherming
Dus evolutie kan afhankelijk zijn geweest van samenwerking
Leven buiten de Aarde?
-Drie voorwaarden voor leven
water, energie, koolstof
-Astrobiologen zoeken naar leven op Mars, Jupiter’s
maan Europa, en Saturn’s maan Titan (volgende
twee colleges)
-Dat leven bestaat evt. uit extremofielen (naar
Aardse begrippen) die koude en druk kunnen
weerstaan
Modderstroom-achtige formaties op Mars.
Deze lijken veroorzaakt door waterbeweging.
Psychrophiles kunnen daar evt. bestaan.
Leven buiten de Aarde?
Europa heeft waarschijnlijk een ijs
korst met een 50km diepe oceaan
eronder. Rode scheuren zijn zichtbaar
in het ijs en zijn misschien
aanwijzingen voor leven.
Titan is omgeven door een dampkring
welke waarschijnlijk organische
molekulen bavat zoals methaan. Dit kan
evt. leven op Titan’s oppervlak voeden.
Leven buiten de Aarde?
Meteorieten bevatten amino
zuren en eenvoudige suikers,
belangrijke bouwstenen voor
leven.
Een monster van
stratospherische lucht laat
een enorme diversiteit zien
van bacterieel leven op 41 km
boven het aardoppervlak (Lloyd,
Harris, & Narlikar, 2001)
CONCLUSIES EXTREMOFIELEN
- Extremofielen zijn een belangrijk en integraal deel
van de biodiversiteit op Aarde
Extremofielen
- vertellen veel over de geschiedenis en oorsprong
van leven op aarde
- bezitten verbazingwekkende eigenschappen om
te overleven in extreme omstandigheden
- zijn belangrijk voor zowel de mens als het mileu
- kunnen evt. bestaan/overleven buiten de aarde
Leefbare Werelden:
Wat zijn de voorwaarden
voor leven buiten de Aarde?
Definitie Leefbaarheid
• Is alleen leven op planeten of ook erbuiten?
• Zijn leefbare planeten waarschijnlijk?
• Zijn aard-achtige planeten zeldzaam of niet?
• Heeft de planeet een (gunstige) atmosfeer
• Leefbaarheid ligt aan de helderheid van de ster
• Leefbaarheid ligt aan de levensduur van de ster
• Beide worden bepaald door de stermassa
• Er is misschien een bereik in ster-massa voor
leefbaarheid.
Verdere Voorwaarden voor
“Complex Leven”
●
●
●
Leven op aarde kan bestaan onder extremene
omstandigheden, maar dan alleen eencellig - extremofiel!
Voor meer complex meercellig leven dat ook zuurstof
gebruikt zijn de voorwaarden stringenter.
Dat heeft een oceaan nodig, droog land, O2, weinig CO2,
en O3 (Ozon, UV bescherming), en een redelijk stabiel
klimaat (evolutie naar complexiteit kan zijn gang gaan).
Het Idee van de “Leefbare Zone”
●
Oppervlakte leefbaarheid
–
Zonnestelsel: we vinden evt. ondergrondse leefbare
zones door er naartoe te gaan
–
Leefbaarheid buiten het zonnestelsel: detectie van
leefbaarheid op het oppervlak door waarnemingen op
afstand (beelden & spectroscopie)
–
Buitenaardse intelligentie: oppervlakte leefbaarheid
●
Vloeibaar oppervlakte water: sleutel factor
●
Leefbaarheid in het zonnestelsel
–
Leefbaarheid vandaag: Venus, Aarde en Mars zijn
vergelijkbaar, maar de omstandigheden zijn heel
anders (zie later in dit college)
–
Hoe evolueert leefbaarheid?
–
Stabiliteit van leefbaarheid
De Circum-Stellaire Leefbare Zone
Definitie:
Een leefware wereld bevat de condities voor leven
zoals wij dit kennen: vloeibaar water, een energie
bron en organisch (koolstofrijk) materiaal.
●
Er is niet noodzakelijkerwijs leven!
Kritische noot: Met telescopen kunnen wij zoeken
naar planeten met een leefbaar oppervlak, maar niet
naar werelden (zoals de maan Europa) met evt.
oceanen onder het oppervlak.
De Circum-Stellaire Leefbare Zone
Vloeibaar water lijkt essentieel voor de ontwikkeling
van leven op Aarde -> Definitie
Leefbare zone: de afstand van de ster waar zich vloeibaar water kan
bevinden op het oppervlak van een planeet.
Voor de aarde is dit tussen Teff = 273 en 373 K
Effectieve Temperatuur van een planeet, Teff:
De gemiddelde temperatuur van een planeet bepaald
door de balans tussen inkomende zonnelicht en de
uitgaande thermische emissie van de planeet
Herinnering:
De Hoofdreeks van Sterren
Eigenschappen:
●
Helderheid neemt toe met
temperatuur en massa
●
Zware sterren leven veel
korter
Voorbeeld:
Een ster heeft een helderheid
welke L/Lzon ~ (M/Mzon)4
Een ster van 10 zonsmassa is
dus 10,000 keer helderder dan
de zon en brandt zijn gas op in
een tijd 10/10,000 ~ 0.001 keer
die van de zon (107 jaar).
Hoge Massa:
●
●
●
●
Grote lichtkracht
Leeft kort
Grote Straal
Blauw
Lage Massa:
●
●
●
●
Lage lichtkracht
Leeft lang
Kleine straal
Rood
De Circum-Stellaire Leefbare Zone
Om leefbaar te zijn
moet een planeet in de
marge van afstanden tot
de ster zijn waarbinnen
er vloeibaar water kan
zijn op het oppervlak van
de planeet (dit hangt af
van het type ster, de
druk en samenstelling
van de atmosfeer van de
planeet, etc.)
Voorwaarden voor het ster-planeet systeem:
•
Oud genoeg om evolutie te laten plaatsvinden
(dus geen zware sterren! Deze zijn maar een
paar % in aantal)
•
Stabiele planeet banen (waarschijnlijk dus
geen dubbel- (of triple) ster systemen; 50%)
•
De grootte van de “leefbare zone”, de regio
waarbinnen een planeet van de juiste grootte
vloeibaar water kan hebben op het oppervlak
(dus geen gasreuzen?)
Ondanks deze beperkingen zijn er 100 miljard sterren in
de melkweg met potentiele planeetsystemen waar
leefbare werelden zich kunnen ontwikkelen.
Hoe massiever de ster, hoe groter de
leefbare zone en hoe groter de kans dat een
planeet zich hierin bevindt. Maar, ook hoe
korter de ster leeft -> Balans!
De leefbare zone als functie
van ster-type
De lichtkracht van een ster hangt sterk af
van zijn massa -> Teff verandert
Bv exoplaneten kunnen in
leefbare zone zijn, rond
sterren van een ander type
(andere baanstraal)
GIANTS
WHITE
DWARFS
Boven limiet van
~2 zonsmassa voor
minimaal 1 miljard
jaar levensduur om
compex leven te
ontwikkelen.
(zoals op Aarde)
Eenvoudig leven
kan evetueel wel
sneller ontwikkelen
SUPERGIANTS
GIANTS
WHITE
DWARFS
Beneden limiet van
~0.3 zonsmassa om
een minimale
leefbare zone te
hebben voor aardachtige planeten
Dus: leven alleen op
planeten rond
sterren met 0.3-2
zonsmassa?
NEE; maar wel
vergelijkbaar met
dat op aarde.
SUPERGIANTS
GIANTS
WHITE
DWARFS
Microbiologisch
leven kan evt een
grotere spanne
beslaan (snellere
evolutie, extremere
omstandigheden)
Planeten rond kort
levende sterren, of
planeten/manen met
interne energie
bronnen, etc.
Waar komt het op neer?
●
●
●
Een conservatieve schatting van leefbare zones
geeft 100 miljoen potentiele plaatsen voor
complex leven in de Melkweg
Een schatting gebaseerd op extremofiele
eigenschappen en een flexibele definitie van
leefbare zone geeft een miljard plaatsen
Er zijn bijna 100 miljard sterrenstelsels in het
zichtbare heelal.
Leefbare Werelden:
Ons zonnestelsel als voorbeeld
De tijds-afhankelijke leefbare zone
De lichtkracht van de ster is niet constant in tijd. Bv vier miljard
jaar geleden was de zon 30% zwakker dan nu. Daardoor beweegt de
leefbare zone dichter naar de zon
Continue leefbare zone: De regio in welke de planeet zich kan bevinden
en waarin zich vloeibaar water kan handhaven over de grootste periode
van het leven van een ster.
Belang van Klimaat Regulering
●
Vergelijking: Venus, Aarde en Mars
–
Mars: water bevriest bijna overal
–
Aarde: water is bijna overal vloeibaar
Venus: water kookt overal -> damp
–
●
Broeikas effect:
–
Alle planeten zijn bevroren zonder broeikas effect
–
Weinig effect op Mars: te dunne atmosfeer
Venus en Aarde: vergelijkbare planeten en toch heel
verschillende broeikas effecten
–
●
CO2
–
Venus en Aarde: zelfde hoeveelheid CO2
–
Aarde: CO2 cyclus -> CO2 opgesloten in oceanen en rotsen
–
Venus: geen oceanen -> geen CO2 cyclus -> alles in atmosfeer
Broeikas Opwarming
Planeet
Gemidd.
Oppervlak
Temp.
Geen
broeikas
effect
Verschil
Venus
470°C
−43°C
513°C
Aarde
15°C
−17°C
32°C
Mars
−50°C
−55°C
5°C
Venus, Aarde & Mars
Planeet
Afstand
tot Zon
[106 km]
Straal
[km]
Afstand
tot Zon
[AU]
Straal
[Aard
Straal]
Venus
108
6050 km
0.72
0.95
Aarde
150
6380 km
1
1
Mars
228
3400 km
1.52
0.53
De circum-stellaire leefbare zone
Venus
Aarde
Atmosfeer van Venus & Aarde
Aarde
Venus
Dominantie door CO2
-> sterk broeikas gas
Het “Broeikas Effect”
De oppervlakte temperatuur van een planeet met een atmosfeer
kan veel hoger zijn dan Teff
Teff (Aarde, Venus) = 255 K, 238 K.
Tsur (Aarde, Venus) = 288 K, 733 K.
De atmosfeer laat licht door van de zon,
maar is “optisch diep” voor de straling
van de planeet (IR): de atmosfeer werkt
als een warme deken!
Prominente “broeikas” gassen zijn: H2O, CO2
Stralings Transmissie Atmosfeer
De aard-atmosfeer
laat zichtbaar licht
door, maar absorbeert
een groot deel van de
(infrarood) straling dat
wordt uitgezonden.
Hierdoor wordt warmte
vastgehouden
-> “Broeikas effect”
De Koolstof Cyclus
Op aarde is deze cyclus
nog steeds gaande en van
belang om de temp. in balans
houden in de atmosfeer
(versneld broeikas effect).
Op Venus & Mars niet
meer; te warm of te koud
Oceanen, vulkanen, etc zijn
van belang.
Stabiliteit van het broeikas effect
• CO2 is dus een belangrijk factor in het broeikas
effect op Aarde
• Het wordt uit de atmosfeer verwijderd door chemische
processen (opname in oceanen, etc)
• En teruggebracht door o.a. vulkanen (plus de mens!)
• Leven op aarde verwijdert ook CO2 door photosynthese
• Een grote hoeveelheid koolstof is opgeslagen in de aarde.
Op Venus is deze balans verschoven in een richting en de
atmosfeer bestaat voor 96.5% uit CO2
Water op Venus?
●
Water?
–
–
–
●
Was er ooit water?
–
–
–
●
Planetoiden die Venus en Aarde vormden hadden weinig ijs
Water van planetoiden of kometen komen van verder weg
Botsingen van deze objecten met Venus en Aarde vergelijkbaar
Water verloren aan de ruimte?
–
–
●
Oppervlakte ijs of water: zou koken
Atmosferische stoom: wordt niet gezien
Totale water hoeveelheid: <10-4 of dat op Aarde
Vulkanische activiteit: uitgassen van water naar de atmosfeer
Water verloren aan ruimte: UV + H2O -> H2 (weg) + O2 (naar oppervl)
Bewijs
Deuterium (2H): 135 keer geconcentreerder op op Venus dan Aarde
⇒ Beneden limiet: enkele meters globale oceaan, <1% van water op Aarde
–
Oppervlakte is volledig droog, zoals verwacht
Versnelt Broeikas Effect
●
Waarom verloor de Aarde zijn water niet?
–
–
●
Als we de Aarde naar Venus verplaatsen?
–
–
●
Water is opgesloten in de oceaan, niet blootgesteld aan UV
in de atmosfeer
Ozon: extra bescherming, maar niet op de vroege aarde.
Gemiddelde temperatuur: 15C -> 45C -> meer verdamping ->
broeikas effect door water -> hogere temperaturen.
Versneld broeikas effect: verhitting gaat door totdat al het
water is verdampt -> geen CO2 cyclus -> alle CO2 komt in
atmosfeer
Venus toen de zon minder helder was
–
–
–
Zon was vroeger 30% zwakker -> condities op Venus
vergelijkbaar met die op aarde nu -> stabiele oceanen
Toen de zon helderder werd -> versneld broeikas effect
Bewijs: verloren door vulkanische lagen op Venus oppervlak
Leefbare zone: De Aarde Vandaag
●
Binnengrens
–
–
–
●
Buitengrens
–
–
–
●
Ergens tussen Venus (0.72AU) en Aarde (1 AU)
Optimistisch model, 0.84 AU: versneld broeikas effect
Pessimistischmodel, 0.95 AU: versneld broeikas effect door
verdampng (waterdamp circuleerd hoger in de atmosfeer)
Daar waar de atmosfeer van een aardachtige planeet genoeg
broeikas effect heeft
Optimistisch model, 1.7 AU (Mars 1.52 AU): genoeg broeikas
effect
Pessimistisch model, 1.4 AU: mid-atmosphere te koud -> CO2
snow -> CO2 verloren uit atmosfeer -> minder broeikas effect
Leefbare zone
–
–
Er is een leefbare zone rond de aarde
Exacte grenzen zijn model-afhankelijk en onzeker
Evolutie Leefbare Zone
●
Afhankelijk van lichtkracht zon
–
–
●
Ster evolutie
–
–
–
●
Zon minder helder in verleden -> leefbare zone beweegt
naar kleine baan straal
Zon is helderder in de toekomst -> leeftbare zone beweegt
naar buiten toe
H naar He -> minder deeltje in de sterkern -> minder druk ->
samendrukking door lager erboven -> temperatuur stijgt ->
helderheid stijgt
Quantitatieve stellaire structuur en evolutie is goed bekend
Bevestigd door vergelijking met waarnemingen van sterren
met verschillende massas en leeftijden
Evolutie Leefbaarheid
–
–
Leefbaarheid tot nu toe: optimistisch 0.73 - 1.5 AU,
pessimistisch 0.85 - 1.15 AU
Leefbaarheid tot de dood van onze zon: optimistisch 1.3 1.5 AU, pessimistisch nog 2.5 miljard jaar te gaan
Einde Leefbaarheid op Aarde
●
Verlies geen slaap:
–
●
Pessimistische schatting:
–
–
●
Regulier versneld broeikas effect in 3-4 miljard jaar
Zonneschaduw
–
–
●
Versneld broeikas effect door waterdamp
binnen 1 miljard jaar
Is dit model correct? Effect van wolken?
Optimistische schatting:
–
●
Nog 108 tot 109 jaar te gaan
Bouw een groot zonnescherm
Gebruik zonne-energie
Emigratie
–
–
Hoe?
Waarheen? (bv Mars?)
Einde van de Zon + Aarde
●
Rode reus
–
–
–
●
Planetaire Nevel
–
●
100 keer groter (omvat Venus)
Oppervlak temperatuur op Aarde: 700C
Ondergronds leven overleeft dit ook niet!
Buiten delen van de zon (~0.4 MSun) worden afgestoten in het
interstellair medium (ISM); baan aarde wordt groter
Witte dwerg
–
–
–
–
–
Overblijvend kern (~0.6 MSun) wordt een witte dwerg
Straal: ~ Aard straal
Dichtheid: ~ 106 g/cm3
Degeneratie druk (electronen), geen thermische druk nodig
Verliest alle energie over miljarden jaren -> sterdood
Waarom was het zo warm op de
vroege aarde?
4 miljard jaar oude rotsen zijn gevormd in vloeibaar water;
maar de zon was 30% minder helder; hoe kan dat?
• Plaat tektoniek was bijzonder hevig op de jonge
Aarde door het vrijkomen van energie:
1. Hitte van de planeet-formatie
2. Radio-actieve verval
3. Ijzer en nikkel die naar de aardkern zinken
Hevige plaat tektoniek houdt CO2 in de atmosfeer
• Waar komt het water op aarde vandaan? Kometen? Maar die hebben
een andere isotoop verhouding. Astroiden hebben een betere isotoop
verhouding. Of uit de aarde zelf (gassen, rotsen, chemische reacties)
Andere Energie Bronnen
Tot nu toe namen we aan de ster de belangrijkste energie bron
is van een planeet:
Andere mogelijk bronnen zijn:
●
●
●
radio-actief verval
Interne hitte/kern-corming
getijde werking (manen)
Dit maakt ook planeten/manen buiten de leefbare zone
interessante plekken om naar leven te zoeken!
(Volgende twee colleges)
Volgende College:
Zoeken naar Leven
in het Zonnestelsel