Aarde zonder dampkring

[Barbapapa]

Wat zou er gebeuren met het water als de aarde geen atmosfeer had? Zou het bevriezen omdat het ijskoud werd (geen broeikasgassen) of verdampen omdat het heel heet werd (geen bescherming tegen zon)?

[Michel Uphoff]

Eigenlijk meer antwoorden:

 

De dampkring zorgt er door weerkaatsing voor dat overdag niet alle energie van de Zon het oppervlak kan bereiken, waardoor het niet zo heet wordt en 's nachts werkt de dampkring afhankelijk van broeikasgassen als een deken die de warmte vasthoudt.

Als de Aarde geen regulerende dampkring had, zou de temperatuur overdag en 's nachts enorm verschillen en vergelijkbaar zijn met die van de Maan. Overdag tot wel 125 graden en 's nachts tot min 150 graden.

 

Maar je vraagt wat er met het water zou gebeuren. Dan is de vraag van belang waarom de Aarde dan geen dampkring heeft.

 

Dan kan een oorzaak zijn, dat de Aarde te klein is en daardoor te weinig zwaartekracht heeft om een dampkring vast te houden (zoals de Maan). In dat geval verdwijnt het overdag verdampte water de ruimte in, en een deel, wat dieper in de bodem en vooral bij de polen zou daar als permafrost aanwezig blijven. Ook op de Maan zit er in kraters bij de polen diepgevroren ijs.

 

Een andere oorzaak zou kunnen zijn dat de Zon, die tegen het einde van haar levensduur enorm opzwelt zodat haar buitenlagen heel dicht bij de Aarde komen, de Aarde heeft 'drooggekookt'. Het grootste deel van de dampkring, en dus ook de waterdamp, wordt dan door de intense straling van de Zon de ruimte in geblazen. Dat duurt nog ruwweg 5 miljard jaar, maar waarschijnlijk is lang daarvoor de Aarde al onleefbaar.

[Benm]

Het is natuurlijk een hypothetisch ding, maar de aarde had in princpie geen dampkring kunnen hebben: de oorspronkelijke gassen (waterstof en helium) zijn te licht om vast gehouden te worden als atmosfeer en verdwijnen (ook nu nog) de ruimte in.

Stikstof en zuurstof komen voornamelijk (indirect) uit vulkanen, maar dat geldt ook voor (een groot deel van) het water. Nu zou je in theorie wel een planeet zo groot als de aarde kunnen hebben zonder vulkanen, maar het water daarop zou dan uit kometen moeten zijn gekomen. Dat zou een droge planeet opleveren met een hoeveelheid ijs op de polen.

Overigens vraag ik me wel af of dat water zelf geen dampkring zou kunnen vormen - deels als water, maar wellicht ook als zuurstof als gevolg van photolyse van het water (met zuurstof als resultaat) - er is immers ook geen dampkring die UV licht tegenhoudt.

[Michel Uphoff]

Een planeet ter grootte van de Aarde en op dezelfde afstand van een zonachtige ster, maar zonder dampkring is eigenlijk niet denkbaar.

De oeratmosfeer ontstond al zeer vroeg tijdens de vorming van de grotendeels gesmolten Aarde, en was aan het einde van het LHB al zeer aanzienlijk. Ze is het resultaat van het vormingsproces van een planeet. Natuurlijk verschilde de samenstelling behoorlijk van de huidige- (bijvoorbeeld veel meer CO₂ en geen zuurstof) Tijdens het ontstaan van een planeet is outgassing onvermijdelijk door de continue inslagen en de hoge temperaturen. Dus nog voor er van vulkanisme (als het ons bekende verschijnsel) sprake was, was er een atmosfeer.

 

Dat, ondanks dat er 10.000 keer zoveel zuurstof dan stikstof aanwezig is, er toch bijna vier keer zoveel stikstof dan zuurstof in de atmosfeer zit is te danken aan de stabiliteit en chemische inertie van stikstof en de rappe binding van zuurstof met tal van andere elementen.

Zuurstof, vrijgemaakt door zonlicht zal zich snel weer binden, daarom wordt de aanwezigheid van zuurstof in een atmosfeer van een exoplaneet gezien als een biomarker; het aandeel zou immers continue aangevuld moeten worden.

 

Exoplaneten met een atmosfeer die naast CO₂ en N₂ een mogelijk hoog percentage waterdamp bevatten zijn inmiddels gevonden. Het betreft wel hete jupiters en superaardes, met voldoende zwaartekracht om de ziedend hete stoom ondanks de heftige straling van de ster toch vast te kunnen houden.

[Benm]

Om het wat eenvoudig te houden noem ik het maar vulkanen - de plaatsen waar nog gassen naar buiten komen op een al afkoelende aarde die aan de buitenkant geen grote bal magma meer is. Zuurstof in de atmosfeer is wel een teken van leven natuurlijk, dat komt voornamelijk voort uit biologische processen die CO2 en H2O omzetten.

Het probleem is echter hypothetisch: als je een bol inert materiaal had met de dichtheid en omvang van de aarde, en daar wat water op zou aanbrengen, zou dit dan resulteren in een atmosfeer? Die bol wat dichter bij de ster maken om te compenseren voor het gebrek aan interne verwarming lijkt me verder geen probleem.

[jkien]

Ik denk dat een langzaam roterende planeet met water aan het oppervlak maar zonder lucht een atmosfeer van waterdamp vormt boven de hete dagzijde, en een vacuum boven de besneeuwde koude nachtzijde. De atmosfeer zwelt op vanaf de dag-nachtgrens waar de zon opkomt, de sneeuw smelt en het smeltwater verdampt; terwijl de atmosfeer in elkaar zakt bij de dag-nachtgrens waar de zon ondergaat, met neerslag.

[Michel Uphoff]

Op Venus is, ondanks de extreem trage rotatie (de dag duurt met 243 aardse dagen langer dan het venusjaar), het temperatuurverschil 's nachts en overdag verwaarloosbaar. De atmosfeer van Venus bestaat voornamelijk uit CO₂, een belangrijk broeikasgas. Ook energietransport in deze zeer dichte atmosfeer is door de hoge windsnelheden op grotere hoogte verantwoordelijk voor de geringe variatie in de extreem hoge temperatuur.

 

Gemiddeld 60% van het broeikaseffect op Aarde wordt veroorzaakt door gemiddeld 1,5% waterdamp in de atmosfeer, terwijl alle gassen tezamen voor gemiddeld 'slechts' 40% verantwoordelijk zijn. Het percentage water in de atmosfeer en het bijbehorende broeikaseffect varieert per locatie tussen vrijwel nul en 4 procent.
 
Een traag roterende planeet met een dikke atmosfeer van louter waterdamp zal m.i. ook 's nachts dus nauwelijks afkoelen omdat waterdamp een sterk broeikaseffect veroorzaakt en daarnaast door de hoge soortelijke warmte voor een enorm energietransport kan zorgen. We weten allemaal dat het in de droge woestijnatmosfeer overdag zeer heet en 's nachts behoorlijk koud is, en dat een wolkendek een uitstekende deken is waardoor er nauwelijks verschil tussen nacht en dagtemperatuur aanwezig kan zijn. Toch is de variatie van de hoeveelheid waterdamp tussen deze twee extremen met pakweg 4% vrij gering.

Kijken we naar Uranus: De rotatie-as van deze planeet ligt ongeveer gelijk met het omloopvlak (inclinatie is 0,7 graden). M.a.w. eens per uranusjaar (84,3 aardse jaren) wijst de noordpool naar de Zon en een half uranusjaar later de zuidpool. Dat houdt in dat er perioden zijn van tientallen jaren waarop de pool van Uranus die van de Zon af wijst totaal geen zonlicht ziet. Je zou forse temperatuurverschillen verwachten. Maar Voyager2 nam weinig variatie waar tussen dag en nacht en het bleek dat de temperatuur rond de half donkere evenaar op Uranus zelfs wat hoger is dan die op de zonverlichte pool. Interne warmte, de geringe energie van de Zon en warmtetransport zullen samen met de al extreem lage temperatuur (Uranus is op de tropopauze de koudste planeet van het zonnestelsel) hier allemaal een rol spelen.

Maar als de atmosfeer zeer ijl is, zoals op Mars, treden enkele door jou beschreven effecten wel op. Mars kent door de snelle opwarming en afkoeling van haar ijle atmosfeer thermische getijden die de atmosfeer overdag/in de zomer en 's nachts/in de winter doen zwellen en slinken. Daar is het koolstofdioxide dat als rijp neerslaat:
 


Zie ook dit bericht.

[Benm]

Soms vraag ik me af hoe beperkend de atmosfeer is op temperatuurverschillen tussen dag en nacht.

Zelfs op de aarde met een redelijk dikke atmosfeer van stikstof en zuurstof zijn die verschillen in met name droge gebieden aanzienlijk. In een woestijn kan er zo 40 tot 50 graden verschil zijn in nacht en dagtemperatur, absoluut gerekend is dat toch een verschil van pakweg 20%.

[Michel Uphoff]

Soms vraag ik me af hoe beperkend de atmosfeer is op temperatuurverschillen tussen dag en nacht.

 

Of en in hoeverre temperatuurverschillen tussen dag en nacht worden gedempt, er een broeikaseffect is, is zeer sterk afhankelijk van de samenstelling van de atmosfeer. Op Aarde gaat het om bescheiden hoeveelheden broeikasgassen die een groot effect hebben.

Als een gas infrarood absorbeert is het een broeikasgas, het geabsorbeerde IR leidt immers tot een hoger energieniveau van het molecuul en dus in warmte, maar symmetrische moleculen (O₂ en N₂) absorberen nauwelijks IR.

 

Als de aardatmosfeer (nu 99% stikstof en zuurstof) louter uit deze gassen zou bestaan, zou de temperatuur gemiddeld zo'n 33 graden lager liggen met zeer grote temperatuurverschillen tussen overdag en 's nachts, mogelijk voorbij -100 en +100 graden Celsius. Juist de bescheiden hoeveelheden waterdamp (0-4%) kooldioxide (0,04%) en ozon (0,0001%) zorgen ervoor dat de Aarde leefbaar blijft en al te grote verschillen tussen dag en nacht uitblijven.

 

Voegen we aan die atmosfeer beduidend waterdamp of CO₂ toe, dan ontstaat een sterke broeikaswerking. Zo is het op Venus (96% CO₂) met gemiddeld 480 graden Celsius veel heter dan de gemiddeld 120 graden op de atmosfeerloze Mercurius, terwijl de laatste ongeveer 4 keer meer energie per m² van de Zon ontvangt.

 

scientific physhic earth atmosphere 2619 keer bekeken

Historie van de samenstelling van de aardatmosfeer. Bron: Scientific Physhic

 

Het is dus hypothetisch denkbaar dat een planeet met een dichte atmosfeer van bijvoorbeeld louter stikstof  toch extreme temperatuurverschillen kent, omdat het broeikaseffect uitblijft. Maar - realistischer - de hoeveelheid uitgegaste CO₂op rotsachtige kleinere planeten als Venus en de Aarde zal aanmerkelijk zijn, en ook heeft de Aarde rond 4 miljard jaar geleden waarschijnlijk een periode als 'stoomplaneet' gekend.  3,5 miljard jaar geleden, na het LHB dus, bestond de atmosfeer ruwweg uit 2/3 stikstof en 1/3 kooldioxide.
 
Voor een deel is het het leven zelf geweest dat de Aarde door het vastleggen van koolstof en het vrijmaken van zuurstof tot de huidige prettige niveaus heeft afgekoeld. Tot voor kort althans, maar dat is een andere discussie.

[tempelier]

Dat plaatje van Uranus zal best kloppen.
 
Maar mag je een situatie die zo anders als op aarde conclusies over de aarde trekken?
 
Uranus staat bijna 20* zo ver weg van de zon en ontvangt minder dan 1% zonlicht als wij per oppervlakte eenheid.
 
Het is dik -200 Celsius onder nul dat is wel even een verschil met de aarde vooral voor de warmte afgifte.
 
Ook is de atmosfeer veel hoger/dieper en is de warmte uitwisseling met diepere lagen waarschijnlijk heel anders.
 
Ook snap ik dan niet waarom de temperatuur bij ons in hele korte tijd kan dalen.
Immers sommige zeer heten woestijnen kunnen in de nacht steenkoud zijn.

[Michel Uphoff]

Immers sommige zeer heten woestijnen kunnen in de nacht steenkoud zijn.

 

Ja, dat klopt, en dat heb ik ook kort beschreven. Als de lucht zeer droog is, en dus weinig waterdamp bevat, valt het broeikaseffect daarvan weg. Daarom kan het 's nachts in een woestijn pittig vriezen. Ook bij ons zijn echte vriesnachten zonder uitzondering  heldere nachten met droge lucht waardoor de warmte (IR straling), niet meer geabsorbeerd door de waterdamp, redelijk ongehinderd naar het heelal kan uitstralen (natuurlijk blijft het broeikaseffect van CO₂en O₃ de verschillen nog dempen).

 

Maar mag je een situatie die zo anders als op aarde conclusies over de aarde trekken?

 

Nee, niet een op een natuurlijk. Wat ik met het voorbeeld van Venus en Uranus wilde aangeven is dat je er niet a priori van uit kan gaan dat een traag roterende een planeet beduidend afkoelt aan de donkere zijde. Er spelen allerhande factoren mogelijk een rol. Bij Uranus noemde ik er een aantal van; interne warmte, de geringe energie van de Zon, energietransport, de extreem lage temperatuur, terwijl bij Venus voornamelijk het broeikaseffect en warmtetransport er voor zorgen dat de zeer lange nacht nauwelijks kouder is.
 
Ook op een hypothetische traag roterende planeet met een aanmerkelijke atmosfeer van louter waterdamp zal een snelle afkoeling erg onwaarschijnlijk zijn, omdat broeikaseffect en energietransport daar gezien de eigenschappen van zo'n atmosfeer een bepalende rol zullen spelen.

[Michel Uphoff]

Een interessante ontdekking, die mijn bewering "iedere rotsachtige planeet van voldoende massa ontwikkelt al vroeg een atmosfeer, en behoudt deze in principe als de temperatuur niet te hoog is", lijkt te logenstraffen:

 

Kortgeleden is de ontdekking van een "Godzilla-Aarde" (de termen die de pers weet te verzinnen..) bekend gemaakt. Rond een ster van bijna 11 miljard jaar oud is een planetenstelsel gedetecteerd, waarvan een planeet, Kepler-10c genoemd, bijzondere eigenschappen moet hebben:

 

De planeet heeft een massa van ongeveer 17 keer die van de Aarde en een diameter van 'slechts' 2,3 keer die van de Aarde. Daarmee kan de dichtheid van deze 'hyperaarde' (nog zo'n buzzwoord van de pers) op ongeveer 7 kg/dm³ worden bepaald, en dat is dichter dan de Aarde (5,5 kg/dm³). De planeet draait op ongeveer een kwart van de afstand Aarde-Zon in 45 dagen rond een zon-achtige ster en zou, zonder broeikaseffecten, een oppervlaktetemperatuur van rond 300 graden Celsius moeten hebben.

 

Bijzonderheden:

• De enorme omvang, dit is met afstand de grootste rotsachtige exoplaneet tot op heden gevonden.
• De leeftijd, gezien de leeftijd van de moederster is deze planeet al vrij snel na het ontstaan van het heelal gevormd.
• Geen atmosfeer, en dat is gezien de aanmerkelijke gravitatie bijzonder.

Xavier Dumusque: "Kepler-10c didn't lose its atmosphere over time. It's massive enough to have held onto one if it ever had it," explains Dumusque. "It must have formed the way we see it now." klik

 

Dit lijkt mij een premature uitspraak, en ik betwijfel of Dumusque hier letterlijk wordt geciteerd. De planeet zou veel verder van de ster af hebben kunnen staan en net als Jupiter een enorme waterstof/helium atmosfeer gehad kunnen hebben. Bij het inwaarts migreren is deze atmosfeer dan in de toenemende hitte verloren gegaan waarbij de rots/metaal kern is over gebleven.

Bij een temperatuur van 500K zou een dergelijke planeet binnen 1 miljard jaar alle waterstof en helium in de atmosfeer verliezen, zoals men in het wetenschappelijk paper (bijlage) zelf opmerkt. Gezien de leeftijd van het systeem is voor migratie en atmosfeerverlies ruim voldoende tijd geweest. Maar ook andere scenario's zijn denkbaar, zoals een kleinere maar zeer dichte planeet met een atmosfeer. Ook meetfouten zijn niet uit te sluiten.

 

Kepler 10c

(8.64 MiB) 1004 keer gedownload

[Benm]

Het idee van een extreem dense planeet (met atmosfeer) is wel interessant. Zou het kunnen zijn dat dergelijke 'oude' stelsels bijvoorbeeld relatief meer ijzer bevatten, en minder C,N,O?

[Michel Uphoff]

De dichtheid van exoplaneten loopt nogal uiteen; van 0,12 kg/dm³ tot 28 kg/dm³ (Corot 3b).
De laatste komt aan zijn enorme dichtheid omdat de inwendige druk fabelachtig hoog is. Vermoed wordt dat het in feite een bruine dwergster is met de afmetingen van Jupiter maar meer dan 20 keer de massa. Het waterstof is metallisch geworden onder deze druk, en daardoor tot mogelijk 40 keer zo dicht geworden. Samen met de 'metalen' (astrofysici noemen alle behalve waterstof en helium 'metalen', een kapstokbegrip) onder de druk van meerdere teraPascal, kan dan de gemiddelde dichtheid sterk oplopen.
 
Er is voorzover mij bekend geen aanwijzing dat vroege sterren van hetzelfde spectraaltype een andere metallicity (klik) hadden. Kepler 10 is een zonachtige ster (hoofdreeks, spectraaltype G) met iets minder metalen dan de Zon, iets grotere diameter, iets minder massa, iets koeler en kan dientegevolge een paar miljard langer leven dan de 10 miljard jaar van de Zon. Logischerwijs zouden de planeten daar eenzelfde samenstelling kunnen hebben als die binnen ons zonnestelsel; ze werden immers uit dezelfde accretieschijf als die van de zonachtige ster gevormd.
 
Verrassend is, dat zulke oude planeten al zo kort na het ontstaan van het heelal kennelijk forse hoeveelheden 'metalen' bevatten. Die metalen zouden immers al in de protoplanetaire schijf aanwezig geweest moeten zijn vóór de vorming van de planeten. Ze kunnen volgens de huidige kosmologische modellen alleen gevormd zijn in zeer vroege en al lang niet meer bestaande sterren van het nog steeds hypothetische type III (waarschijnlijk kort levende superreuzen met massa's van mogelijk enkele honderden zonnen).
 
Eveneens verrassend is de massa van Kepler 10-c icm haar diameter en dientegevolge haar dichtheid. Tot voor kort ging men er van uit dat zulke zware planeten gasreuzen (ongeveer zoals Uranus) zouden moeten zijn en geen rotsachtige planeten.
 
Maar de meting van dichtheden van exoplaneten vereist dat zowel de radiale snelheid (massaberekening) als een passage voor de ster (diameter) gemeten moet kunnen worden, en dat is bij een gering deel van de exoplaneten het geval. Bovendien zijn er metingen gedaan die nogal ongeloofwaardige dichtheden opleverden, wat mogelijk te wijten is aan de vele onnauwkeurigheden waar het complexe meetproces onder kan lijden. Ook bij Kepler 10-c zijn er vraagtekens te plaatsen bij de nauwkeurigheid van de meetmethoden.

[Benm]

Ik doel even op de dichtheid als gevolg van de samenstelling, niet van de druk die uiteraard afhankelijk is van de massa/omvang van een planeet. De elementen met hoge atoomnummers (zeg maar zwaarder dan ijzer) komen voornamelijk uit supernova's, terwijl alles tussen pakweg koolstof en ijzer ook in grote sterren gevormd kan worden.

Dat gaf me het idee dat er wellicht een verschil in de verhouding tussen zeer zware elementen en gewoon zware elementen kan zijn, afhankelijk van waar in de geschiedenis een stelsel ontstaat.

Met voornamelijk lichte sterren zou je in het heelal relatief steeds meer lichte elementen (CNO) krijgen.