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Planetensysteme: Luft anhalten beim Himmelskörper-Crash

Die Atmosphären von Venus und Erde waren sich ursprünglich offenbar recht ähnlich. Dramatische Luftveränderung verursachten dann allerdings die Meere früher Mini-Erden - als Mega-Dampfkessel bei kosmischen Zusammenstößen.
Kollisionen produzieren Staub
Am Anfang war das Zwielicht im Staub und Gas, in unserem ganz jungen, noch planetenfreien Sonnensystem. Darin verklebten dann die ersten herumschwirrenden Körnchen zu Bröckchen, bald die ersten Brocken zu Großklumpen. Die stießen vielfach zusammen und arbeiteten sich mit so vereintem Material schließlich zu veritablen, mondgroßen Trümmern hoch, die weiter auf Kollisionskurs zueinander ihre Bahn um die Sonne zogen. Diese Trümmer sollten ein paar Milliarden Jahre später von vernunftbegabten Wesen "Protoplaneten" getauft werden.

Bis hierhin war eigentlich alles verblüffend schnell gegangen: Nach dem ersten Aufglimmen der Sonne dauerte diese Phase der protoplanetaren Aggregation aus Staub und Gas gerade einmal eine Million Jahre. Dann allerdings wurde es gewalttätig und langwierig: Aus Protoplaneten werden Planeten erst durch seltenere Megakollisionen, und etwa die zehnfache Zeit verging wohl noch, bis die mondgroßen Protoplaneten-Brocken in stabilen Sonnenumlaufbahnen durch Riesencrashs zu echten Planeten zusammengebacken waren.

Offenbar Zeit genug für die Protoplaneten in Kollisions-Wartestellung, um sich zwischendurch schon einmal gemütlich einzurichten: Vieles spricht dafür, dass die kleineren Planetenvorläufer bereits einiges von dem hatten, was ihre größeren Nachfolger auszeichnet. Etwa eine Atmosphäre.

Näheres erläutern Hidenori Genda und Yutaka Abe von der Universität Tokio. Eine Uratmosphäre der Protoplaneten, so die Theorie, speist sich vor allem aus zwei Quellen: Zum einen den verdampfenden Gasen der Gesteinsbrocken, aus denen sich der Protoplanet gebildet hatte, zum anderen den von dann größeren Objekten per Schwerkraft angezogenen Gasen der Urmaterie, welche die frühe Sonne umnebelt hatten.

Und diese protoplanetaren Früh-Atmosphären könnten ziemlich anhänglich gewesen zu sein, wie eine umfangreiche Computersimulation der Wissenschaftler schon vor einiger Zeit voraussagte: Selbst die gigantischen Crashereignisse, die aus zwei reifen Protoplaneten einen echten Planeten machten, sollten den Gashüllen der beiden Kollisionsgegner nicht allzu sehr geschadet haben.

Klar wäre bei einem protoplanetaren Zusammenstoß, dass im Aufprallgebiet großräumig sämtliche Atmosphärenmoleküle auf Fluchtgeschwindigkeiten beschleunigt würden – kurz, die Atmosphäre wird auf den Impakt-Hemisphären der kollidierenden Körper schlicht für ein Einfangen per Gravitation unerreichbar weggeblasen. Anders aber sieht es auf den Rückseiten der Kollisionspartner aus, so die Computerrechnung. Beim Crash verschiebt die Aufprallenergie zwar die gesamte Kruste eines Protoplaneten derartig, dass auch auf der Rückseite Erdbewegungen von durchschnittlich vier bis fünf Kilometern pro Sekunde ausgelöst werden dürften. Die daraufhin in die Atmosphäre weitergegebenen Schockwellen sind aber nicht stark genug, um die Gashülle großräumig auf Fluchtgeschwindigkeit zu bringen. Theoretisch sollten demnach, bei einer hypothetischen Gigantenkollision zweier gleich großer Protoplaneten, rund siebzig Prozent der Atmosphäre erhalten bleiben.

Von der Theorie zur Praxis: Das würde bedeuten, dass die Gashüllen um unsere heutigen Planeten wie Venus und Erde noch zu wesentlichen Anteilen aus der verbliebenen ursprünglichen Uratmosphäre bestehen sollten – zumindest, wenn man spätere Veränderungen wie die Sauerstoffproduktion irdischer Fotosynthetiker einmal herausrechnet. Insbesondere sollten die Edelgasmischungsverhältnisse ziemlich identisch sein – Argon, Neon und Co sollten ja seit Uratmosphärenzeiten in Mischungsverhältnissen wie im frühen Gasnebel der Sonne vorliegen. Und genau hier kollidieren dann auch Praxis und Theorie heftig.

Schon seit Jahren beschäftigt Astronomen nämlich das irritierende Rätsel, warum in der Atmosphäre der Venus rund siebzig Mal so viel Argon vorkommt wie auf der Erde. Zumindest eine dieser beiden heutigen planetaren Gashüllen, so die einzige Erklärung, kann mit der postulierten Uratmosphäre der Protoplaneten demnach nichts mehr zu tun haben. Genda und Abe glauben nun aber, mit einer weiter verfeinerten Computersimulation die offenen Fragen ausräumen zu können. Der Schlüssel ihrer neuen Theorie liegt im Meer.

Protoplaneten, so die Forscher, hätten nicht nur eine Atmosphäre gehabt, sondern je nach Lage zudem auch ozeangroße Wasserflächen. Wasser befand sich schließlich in rauen Mengen in den protoplanetaren Bausteinen, und auch eisbepackte, kalte Objekte wie die noch heute im Asteroidengürtel herumtreibenden Körper könnten wesentliche wässrige Beiträge geleistet haben. Näher an der Sonne – etwa in Venusabstand – würde dieses dann allerdings bald verdampfen, während es außerhalb der Erdbahn – nahe Mars, beispielsweise – bald einfrieren und wegsublimieren dürfte. Einen flüssigen Ozean hätten also nur Planetenvorläufer in der wohltemperierten Umlaufbahn, in der heute auch unser blauer Planet kreist.

Kollidieren nun aber ozeantragende Protoplaneten auf der Erdbahn miteinander, so hat dies weit dramatischere Folgen für die Atmosphäre als ein Trockenzusammenprall auf Venusabstand zur Sonne, so die Computersimulation: Die Erdkruste des kollisionsgestauchten Ozean-Protoplaneten bläst hier nicht Luft, sondern verdampft Wasser himmelwärts, wobei weit höhere Geschwindigkeiten auftreten dürften – die resultierende Dampfdruck-Explosion würde den Löwenanteil der darüber liegenden Atmosphäre ins Jenseits des protoplanetaren Schwerkrafteinflusses beschleunigen. Inklusive aller Edelgase: Kollisionen von Protoplaneten mit flüssigem Wasser geben der Uratmosphäre also sicher den Rest. Demnach hätte heute auch nur noch die Venus – deren protoplanetare Vorläufer wegen der Hitze wasserfrei kollidierten –, nicht aber die Erde Argonanteile, wie sie ursprünglich wohl einmal in der Uratmosphäre vorlagen.

Kevin Zahnle, ein Experte für Planetensystem-Bildung der Nasa, kommentiert die Theorie der beiden Japaner eher ambivalent: Ein "erfrischend neuer Blick auf die Planetenbildung unseres Systems" – aber etwa die Frage nach Neon müsse schon erlaubt sein. Dieses findet sich nämlich in der angeblich ursprünglichen Atmosphäre der Venus in viel geringeren Mengen, als für eine Herkunft aus solarem Urnebel eigentlich zu erwarten wäre. Ganz genauso verhält es sich auch mit den Neon-Anteilen in der laut Theorie eigentlich erst nachträglich erneut ausgebildeten Atmosphäre der Erde.

Die Japaner bemühen zur Erklärung bislang unbekannte geologische Prozesse, selektive Gasimporte von Argon, ein noch mysteriöses Entweichen von Neon oder ein Bombardement kleinerer einstürzender Objekte – das Neon-Problem sei jedenfalls wohl unabhängig von dem Uratmosphären-Argon-Relikt der Venus. In einem Punkt bleiben sie felsenfest überzeugt: Ob Ozean oder nicht hatte ganz dramatische Auswirkungen auf das Schicksal der protoplanetaren Atmosphäre – am Ende eindeutig eine Frage von Sein und Nichtsein in den Geburtswehen unseres Planetensystems.

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