Das Ende der Hölle

Ein halbes Jahrhundert beschäftigt dieses Paradoxon nun die Forschung, seit die US-amerikanischen Astronomen Carl Sagan und George Mullen von der Cornell University in Ithaka die Debatte 1972 eröffneten. Immer wieder wurden Versuche unternommen, um zu erklären, wie die milde Urerde überhaupt existieren konnte. So wurde eine mögliche Aufheizung der Luft durch Treibhausgase – etwa Kohlendioxid, Methan oder Ammoniak – mit einfachen numerischen Simulationen des urzeitlichen Klimas untersucht. Auch mögliche Einflüsse auf das Rückstrahlvermögen (Albedo), beispielsweise durch die früher geringere Landmasse, waren Gegenstand solcher Analysen. Selbst recht exotische Annahmen, wie eine um fünf Prozent massereichere und somit strahlungskräftigere Ursonne, konnten keine Klärung bringen.

Ein internationales Team um Martin Turbet vom Observatorium der Universität Genf ist nun einen anderen Weg gegangen. Die Astrophysiker fragten sich: Welche Umweltbedingungen waren überhaupt nötig, damit sich anfangs auf den Planeten im inneren Sonnensystem Ozeane bilden konnten? Sie beschränkten sich dabei nicht auf die Erde, sondern nahmen ebenso unseren sonnennäheren Nachbarplaneten ins Visier.

Die böse Schwester

Manchmal wird die Venus als „böse Schwester der Erde“ tituliert, dabei ist sie auf den ersten Blick unserer Heimatwelt recht ähnlich. Das gilt für ihre Größe und Masse. Auch besteht die Venus ebenfalls hauptsächlich aus Gestein und besitzt eine Gashülle mit zumindest etwas Wasser in dampfförmigem Zustand.

Genauer betrachtet offenbaren sich allerdings beträchtliche Unterschiede: etwa die zu über 96 Prozent aus Kohlendioxid bestehende Venusluft und die extreme Hitze auf der Oberfläche von im Mittel 462 Grad Celsius. Hinzu kommt ein enormer atmosphärischer Druck von 93 Bar – wie auf der Erde in 900 Meter Meerestiefe. Umhüllt ist unser Schwesterplanet von ätzenden Wolken aus Schwefelsäure, die den Blick zur völlig ausgetrockneten Oberfläche versperren. Kurzum: Falls man einen Ort sucht, der ein Abbild der Hölle sein könnte – er fände sich auf der Venus. Doch war das schon immer so? Darüber streiten die Experten. Im Jahr 2020 publizierten die NASA-Forscher Michael J. Way und Anthony D. Del Genio die Hypothese, dass der Planet für drei Milliarden Jahre ein gastlicher Ort mit eigenen Gewässern gewesen sein könnte. Das Team um Turbet hat nun untersucht, ob dort tatsächlich solche Klimaphasen möglich waren – schließlich erhielt auch die Venus ursprünglich deutlich weniger Wärme von der jungen Sonne.

Wolken auf der Nachtseite

Turbet ging dieser Frage mit viel Computerpower nach: „Wir haben das Klima von Venus und Erde von Beginn ihrer jeweiligen Entwicklungen an simuliert, mehr als vier Milliarden Jahre vor der Gegenwart“, sagt er. „Damals waren die Oberflächen beider Planeten noch geschmolzen.“

Diese Fokussierung auf die allerfrüheste Phase unterscheidet die aktuelle Studie von den vorangegangenen Arbeiten. Auch die realistischere Modellierung der Atmosphären ist ein Novum: Turbets Team setzte eine angepasste dreidimensionale Simulation ein, ähnlich wie Klimaforscher sie zur Prognose des künftigen Erdklimas verwenden. Damit konnte der wichtige Einfluss der Wolken im Modell abgebildet werden. Die anfangs hohen Oberflächentemperaturen von über 700 Grad Celsius führten dazu, dass sämtliches Wasser als Dampf in den jeweiligen Atmosphären vorlag.

Für die junge Venus haben die Wissenschaftler berechnet, dass dieser Dampf nur dann als Regen vom Himmel gefallen wäre, wenn die Sonneneinstrahlung stets bei weniger als 325 Watt pro Quadratmeter gelegen hätte. Dazu kam es jedoch nicht: „Die klimatischen Bedingungen ließen es nicht zu, dass atmosphärischer Wasserdampf kondensierte“, fasst Turbet das Ergebnis der Simulationen zusammen. Der minimale Einstrahlungswert lag im Lauf der Entwicklung der Venus deutlich über der kritischen Schwelle und fiel niemals unter 500 Watt pro Quadratmeter. Das bedeutet auch, dass die Temperaturen nie so weit sanken, dass sich Ozeane bilden konnten.

„Einer der Hauptgründe dafür sind die Wolken, die sich bevorzugt auf der Nachtseite des Planeten bilden“, erklärt der Genfer Forscher. Die helle Bewölkung fehlte auf der Tagseite, was die Albedo verringerte, sodass die Temperaturen stiegen. „Die nächtlichen Wolken verursachen eine sehr starke Erwärmung, welche die Venus daran hinderte, sich so schnell abzukühlen, wie bisher angenommen.“

Eine andere Frage ist, welchen Effekt die sehr gemächliche Eigendrehung der Venus hatte – heute dauert der Tag dort 244 Mal so lang wie bei uns. Turbet betont, dass niemand wisse, wie langsam die Venusrotation zu dieser Zeit war, was aber auch keine wichtige Rolle spiele: „Wir können in unseren dreidimensionalen Simulationen sehen, dass die bevorzugte Wolkenbildung auf der Nachtseite sowohl auf langsam rotierenden Planeten wie der heutigen Venus als auch auf schneller rotierenden Planeten stattfand.“

Die Wissenschaftler vermuten, dass der Löwenanteil des Wassers ins Weltall entwich. Der entscheidende Motor soll dabei die starke ultraviolette Strahlung der jungen Sonne gewesen sein. Heute ist vom Venuswasser nur ein kümmerlicher dampfförmiger Rest übrig, der theoretisch einen globalen Ozean von drei Zentimeter Tiefe füllen würde.

Chance für das Leben

Auf der Erde war die Situation anders. Laut Turbet erreichte die Sonneneinstrahlung in den ersten 500 Millionen Jahren höchstens 256 Watt pro Quadratmeter. Das liegt deutlich unter dem in seinem Modell berechneten irdischen Schwellenwert von 313 Watt pro Quadratmeter, ab dem Ozeane unmöglich werden. Das bedeutet: Die Erdatmosphäre war dauerhaft kühl genug, damit Wasserdampf zu Regen kondensierte und Ozeane entstanden.

Allerdings hätte die Erde leicht die gleiche Höllenfahrt wie die Venus nehmen können. Wenn sie nur etwas näher um die Sonne gekreist wäre oder wenn diese ebenso hell gestrahlt hätte wie heute, dann hätte sich die Erde nie zu unserem blauen Planeten entwickelt.

Turbets Genfer Kollegin Emeline Bolmont spricht von einer völligen Umkehrung in der Betrachtung des Paradoxons der schwachen jungen Sonne: „Bislang galt es als großes Hindernis für das Erscheinen von Leben auf der Erde. Nun stellt sich heraus, dass die schwache Sonne für die sehr heiße Urerde eine unverhoffte Chance gewesen sein könnte.“

War es der Mond?

Zurück zur gedanklichen Expedition der Zeitreisenden. Sie betreten die Urerde einige Hundert Millionen Jahre später als die Periode, die die Genfer Simulation erfasst. Die Sonne ist immer noch schwach und das Klima seltsam mild. Wenn die Forscher in den kurzen Nächten zum Himmel blicken, leuchtet ihnen ein scheinbar größerer Mond. Denn unser Begleiter stand der Erde damals viel näher. Auch seine Gezeitenkräfte wirkten stärker.

Eine Ende letzten Jahres publizierte Studie von René Heller und seinen Kollegen aus Tübingen und Münster stellt die Rolle des Erdtrabanten in den Fokus. Demnach walkten dessen Gezeiten den Erdkörper gleichsam durch, eine zusätzliche Hitzequelle. „Durch denselben Prozess wird der Jupitermond Io durch Jupiter aufgeheizt, was ihn zum vulkanisch aktivsten Körper im Sonnensystem macht“, sagt Heller. Im Jupitersystem sind die Verhältnisse allerdings viel extremer. Doch auch bei der jungen Erde kam es zu einer gewissen Gezeitenheizung. Die Wissenschaftler haben ausgerechnet, dass sie die Erde für 100 bis 200 Millionen Jahre um einige Grad Celsius erwärmt haben dürfte.

„Allein lösen die Mondgezeiten das Paradoxon nicht. Aber sie könnten zusammen mit anderen Effekten eine Schlüsselrolle spielen“, meint Heller. Womöglich kam es nämlich zu weiteren Effekten: Ähnlich wie bei Io könnten die Gezeiten des Mondes auch den irdischen Vulkanismus intensiviert und so die Freisetzung von Treibhausgasen befördert haben, spekuliert der Wissenschaftler.

Trotz beträchtlicher Fortschritte bleibt die Lösung des Paradoxons unvollendet. Die Planetenforscher hof-
fen deshalb auf neue Messungen, um ihre Theorien zu testen – insbesondere von der Venus, die jüngst ins Visier von Astrobiologen geriet (bild der wissenschaft 6/2021, „Leben in der Höllenwelt?“). Ihre Wünsche wurden kürzlich erhört: Sowohl die NASA als auch die europäische Weltraumagentur ESA haben beschlossen, in den kommenden zehn Jahren insgesamt drei Raumsonden zu unserer heißen Nachbarin zu starten (bild der wissenschaft 12/2021, „Vorstoß in die Hölle“).