The posibility of photosynthesis on planets with different atmospheric compositions around G- and M-stars

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Habitabilität von terrestrischen Planeten in Bezug auf die Möglichkeit von Pflanzen wie wir sie kennen auf Planeten Photosynthese zu betreiben, welche unterschiedliche Atmosphärenzusammensetzung aufweisen und sich in verschiedenen Entfernung zu ihrem Zentralstern befinden. Zu Zentralsternen welche Planetensysteme beherbergen die für Leben wie wir es kennen als am günstigsten angesehen werden zählen Sterne der G- und M Kategorie. Die Klasse der M-Sterne beinhaltet die meisten Sterne in unserer Sonnenumgebung. 75 % unserer Nachbarsterne zählen zu dieser Spektralklasse. Diese sind masseärmer als G-Sterne. Dadurch sind sie allerdings auch langlebiger, was wieder die Entwicklung höheren Lebens begünstigt. Negativ auf etwaiges Leben könnte sich die hohe stellare Aktivität auswirken, welche auch in dieser Arbeit kurz umrissen wird um ihre Nach- aber auch Vorteile zu präzisieren. Im Gegensatz dazu ist es offensichtlich, dass Leben wie wir es kennen auf Planeten um G-Sterne möglich ist. Die Erde mit ihren unterschiedlichen Habitaten brachte die verschiedensten Bakterien- und Pflanzenarten hervor die wichtig für die Weiterentwicklung des Planeten waren. Um die heutige lebensfreundliche Umgebung zu schaffen musste sich zunächst die oxygene Photosynthese entwickeln, welche den Großteil des heute vorhanden Sauerstoffs in unserer Atmosphäre hervorbrachte. Es ist jedoch fraglich ob M-Sterne die für die Photosynthese notwendige Strahlung bereitstellen können. Dies bezieht sich nicht nur auf die Anzahl der Photonen um den Lichtkompensationspunkt zu überschreiten sondern auch auf den Spektralbereich. Die von den phototropen Organismen genutzte Strahlung deckt den optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums ab. M-Sterne dagegen zeigen ein im IR gelegenes Maximum. Die abgegebene Strahlung trifft auf den oberen Rand einer Atmosphäre. Diese muss jedoch nicht zwingend erdähnlich sein. Der heutige Stand der Technik erlaubt es noch nicht die Zusammensetzung von Atmosphären extrasolarer Planeten zu untersuchen. Aufgrund unterschiedlicher Entstehung und Entwicklungsvorgänge kann eine solche eine vollkommen andere Zusammensetzung aufweisen als die für uns habitable Erdatmosphäre. Daher beschäftigt sich diese Masterarbeit mit der emittierten Strahlung von M-Sternen und G-Sternen, die Auswirkungen einer Atmosphäre auf die Strahlung und möglicher Photosynthese von Pflanzen auf der Oberfläche von Planeten die sich in verschiedenen Abständen zu ihren Zentralsternen befinden. Untersucht werden verschiedene Szenarien welche aufzeigen wie die spektrale Energieverteilung der ursprünglichen Strahlung nach dem Durchgang und der Wechselwirkung mit einer Venus-, Erd- oder Titanähnliche Atmosphäre auf der Oberfläche eines Testplaneten ankommt und ob photosynthetisch aktive Strahlung im modifizierten Spektrum vorhanden sein sollte. Die Atmosphärenberechnungen können sowohl mit als auch ohne Wolken stattfinden um deren Einfluss auf die eintreffende Strahlung zu ermitteln. Zunächst muss für alle Szenarien eine Zone berechnet werden in der es möglich ist, dass Wasser auf der Oberfläche des Planeten flüssig ist. Diese wurde mit Hilfe der modifizierten, frei erhältlichen Software Streamer berechnet, welche auch für die Modellierung der spektralen Energieverteilungen nach dem Durchgang durch die verschiedenen Atmosphären verwendet wurde. Die Zone wurde in einem Bereich um den Zentralstern angenommen, in dem die Oberflächentemperatur zwischen ~ 273 K und ~ 373 K beträgt. Die M-Stern Szenarien untersuchen drei Atmsophärentypen (Venus, Erde und Titan), wobei unteranderem auch noch zwischen Berechnungen mit und ohne Wolken unterschieden werden muss. Als Zentralstern wurde ein M2.5V Stern mit dem Namen AD Leo gewählt. Der Orbit der Testplaneten wird als kreisförmig angenommen, da bei zu exzentrischen Orbits die Möglichkeit besteht, dass sich der Planet eine Zeitlang außerhalb der sogenannte 'liquid water zone (LW zone)' befindet. Diese Planeten wurden in den Modellen im Zentrum der 'LW zone' positioniert. Hier könnte es Probleme mit rotationsgebundenen Umlaufperioden geben. Ist ein Planet seinem Zentralstern zu nahe, kommt es aufgrund von Gezeitenreibung zu einer 1:1 Umlaufperiode. Eine Seite des Planeten wird daher immer bestrahlt, während die andere immer abgewandt ist. Dies kann dazu führen, dass die Ausbildung einer Atmosphäre unmöglich wird, bzw. eine vorhandene Atmosphäre auf der einen Seite verdampft und auf der anderen ausfriert. Dass es allerdings auch möglich ist auf rotationsgebundene Planeten Atmosphären zu finden wird auch in dieser Arbeit behandelt. Eine Annahme die allerdings getroffen werden muss, ist das Vorhandensein einer Atmosphäre. Die G-Stern Szenarien sind ähnlich den M-Stern Szenarien aufgebaut. Als Zentralstern wurde die Sonne gewählt. Auch hier wurden eine Venus-, Erd- oder Titanähliche Atmosphäre angenommen. Die Atmosphären wurden entweder mit oder ohne Wolken modelliert und die Orbits der Testplaneten als kreisförmig angenommen. Da bei der G-Spektralklasse im allgemeinen angenommen werden kann, dass photosynthetisch aktive Strahlung im Spektrum vorhanden ist, bezieht sich die wissenschaftliche Fragestellung auf die Veränderungen der spektralen Energieverteilung und der Intensität auf der Oberfläche des Planeten nach dem Durchgang durch Atmosphären verschiedener Zusammensetzungen. Um einen größeren Unterschied zu der bereits bekannten Sonne-Erde Konstellation zu schaffen wurden die Testplaneten nicht innerhalb der 'LW zone' positioniert, sondern außerhalb dieses Gebietes, jeweils einmal näher und einmal in größerer Distanz zum Zentralstern. Diese Modellrechnungen sollen eine möglichst große Bandbreite an möglichen planetaren Konfigurationen abdecken. Sowohl in Bezug auf den Zentralstern selbst, die Entfernung zu diesem, als auch die möglichen Atmosphären. Hiermit soll die Möglichkeit geschaffen werden ob es für Pflanzen möglich ist auf anderen Himmelskörpern Photosynthese zu betreiben. Eine wichtige Annahme besteht darin, dass es sich um Pflanzen handelt wie wir sie hier auf der Erde vorfinden. Eine evolutionäre Entwicklung von phototrophen Organismen auf anderen Planeten muss in diesen Modellen ausgeschlossen werden, da keine Aussage über die absorbierenden Eigenschaften des Bacteriochlorophylls und Chlorophylls getroffen werden kann