Planet Erde

Die Voraussetzungen für Leben auf der Erde

Die Erde ist der einzige Planet in unserem Sonnensystem, auf dem sich höheres Leben gebildet hat. (Wir wissen nicht, wie viele Planeten es außerhalb unseres Sonnensystems noch im Universum gibt; bei 100 Milliarden Sternen in 100 Milliarden Galaxien ist die Zahl wohl unabsehbar groß - wir haben aber erst etwa 230 davon entdeckt. Über Leben dort wissen wir nichts; die >> Suche nach außerirdischem Leben hat aber längst begonnen.) Warum konnte sich gerade auf der Erde höheres Leben entwickeln?

Die richtige Position in der Milchstraße

Die Erde liegt nicht zu nahe am Zentrum der Milchstraße (dort ist es wegen heißer Staub- und Gaswolken lebensfeindlich), aber auch nicht zu weit außen: Dort kommen nicht genug schwere Elemente vor. Die meisten der Elemente, aus denen die Erde und die Lebewesen bestehen, entstanden nicht beim Urknall, sondern erst im Laufe der Erdgeschichte beim Vergehen ganzer  Generationen von Sternen vor unserer Sonne (>> Hintergrundinformation: Entstehung des Universums); ohne diese Elemente gäbe es weder Gesteine noch Lebewesen: das Eisen im Hämoglobin, dem roten Blutfarbstoff, der Sauerstoff von der Lunge in den Körper transportiert; der Sauerstoff selbst; das Kalium unserer Knochen - sie sind Produkte ausglühender Sterne. Wir sind also alle Kinder der Sterne.

Wir sind alle Kinder der Sterne ...

Besonders große Sterne vergehen als Supernova (>> Der Aufbau des Universums), dabei entstehen die radioaktiven schweren Elemente, die die Hitze im Erdinneren erzeugen, die wiederum die Plattentektonik antreibt (>> Der Aufbau der Erde): Zwar ist das Leben wohl im Wasser entstanden; aber die Entwicklung des Menschen hat an Land stattgefunden; und ohne eine Geschichte aus Vulkanismus, ersten Plattenkernen, anschließenden Kollisionen und der Auffaltung von Gebirgen wäre die Erde flach und überall mit einer 2,5 Kilometer hohen Wasserschicht bedeckt: Es hätte nie Leben an Land, es hätte nie Menschen gegeben.

Die richtige Größe und die richtige Position zur Sonne

Die Erde ist gerade weit genug von der Sonne entfernt, um die “richtige” Menge an Sonnenenergie abzubekommen, und groß genug, um mit ihrer Schwerkraft eine Atmosphäre festzuhalten. Die Sonnenenergie ist mit Abstand die wichtigste Energiequelle für die Erde. Sie entsteht, da die Sonne mit ihrer Masse eine derartige Anziehungskraft entwickelt, dass die Abstoßungskräfte der Kerne der Wasserstoffatome (die zu drei Vierteln die Sonnenmasse ausmachen) überwunden werden und die Kerne verschmelzen; die entstehenden Atome sind aber nicht stabil und geben Energie ab, wodurch sie zu stabilen Heliumatomen werden. Pro Sekunde “verbrennt” die Sonne auf diese Art 637 Millionen Tonnen Wasserstoff, dabei entstehen 632 Millionen Tonnen Helium und 385 Milliarden Milliarden Megawatt. Die Position der Erde - etwa 150 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt - führt dazu, dass die ankommende Sonnenstrahlung energiereich genug ist, um für das Leben notwendige Reaktionen anzutreiben, aber nicht so stark, dass alles Wasser verdampfen würde. (Dieser Bereich wird die “Lebenszone” eines Sterns genannt; diese lässt sich jedoch nicht genau berechnen, da die Oberflächentemperatur der Planeten auch von ihrer Atmosphäre abhängt [mehr hierzu unten im Text]. Bei der Erforschung unseres Sonnensystems wurde zudem festgestellt, dass die Jupitermonde Io und Europa wärmer sind als durch die Sonnenstrahlung erklärbar: Sie werden auch durch Gezeitenkräfte erwärmt, so dass auf Europa sogar flüssiges Wasser vorkommt. Auf der Erde ist der Beitrag der Gezeiten aber verschwindend klein.)  Das Grundprinzip des Strahlungshaushalts der Erde ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Der Strahlungshaushalt der Erde: Von der ankommenden Sonnenstrahlung wird ein Teil reflektiert, der übrig bleibende Anteil erwärmt Wasser, Landflächen und die Atmosphäre und wird als Wärmeabstrahlung wieder abgegeben. Abbildung übersetzt, Original NASA (Quelle: http://visibleearth.nasa.gov/).

Die Rolle der Atmosphäre

Als der französische Mathematiker Fourier die Energiebilanz der Erde zuerst berechnete, ergab sie für die Erde eine Temperatur von -19 °C - was offensichtlich nicht stimmte; die Durchschnittstemperatur der Erde betrug 14 °C. Fourier vermutete, dass irgendetwas in der >> Atmosphäre wie das Glas eines Treibhauses die Wärme festhalten müsse (>> mehr). Ende des 19. Jahrhunderts kam der schwedische Chemiker Svante Arrhenius auf die richtige Spur: er erkannte, dass der Kohlendioxid-Gehalt der Luft die Temperatur beeinflusst - je mehr CO₂ es in der Luft gibt, desto wärmer wird die Erde. Damit waren die Treibhausgase entdeckt; sie lassen mehr (kurzwellige) Sonnenstrahlung durch als (langwellige) Wärmestrahlung wieder hinaus:

Der Treibhauseffekt der Erdatmosphäre: Ein Teil der abgegebenen Wärmestrahlung wird von der Atmosphäre zurückgehalten. Verändert nach Wikipedia, Artikel “Strahlungshaushalt der Erde”, eingesehen am 22.12.2005

Die Stärke des Treibhauseffekts hängt von der Zusammensetzung der Atmosphäre ab (zum heutigen Zustand siehe >> hier); diese hat sich im Laufe der Erdgeschichte verändert. Das Ergebnis grenzt schon ans Unglaubliche: Die Sonne ist ja etwa zeitgleich mit der Erde entstanden, und hat zu Beginn nur etwa 70 Prozent ihrer heutigen Strahlung abgegeben; und dennoch zeigen geologische Untersuchungen und auch die Geschichte des Lebens, dass seit mindestens 3,5 Milliarden Jahren die Temperatur der Erde immer hoch genug war, dass es flüssiges Wasser gab - die Voraussetzung für Leben. Es scheint also eine Art Thermostat gegeben zu haben (dies ist eine der zentralen Erkenntnisse, die zur Akzeptanz des Modells vom Ökosystem Erde geführt haben, siehe auch die >> Einführung). Tatsächlich wurden entsprechende Elemente gefunden; vor allem der Kohlenstoffkreislauf spielt diese Rolle: In der frühen Atmosphäre gab es eine hohe Konzentration des Treibhausgases Kohlendioxid, dass dann von Gestein 

nur um wenige Grad geschwankt. (Das der Treibhauseffekt durch vom Menschen zusätzlich in den Atmosphäre abgegebene Treibhausgase verstärkt wird, ist die wichtigste Ursache für den vom Menschen verursachten >> Klimawandel.)

Die Größe der Erde hält nicht nur die Atmosphäre fest, sondern hat noch eine zweite Wirkung: Die Erde kühlt im Inneren kaum aus; dadurch bleibt der Antrieb der Plattentektonik erhalten. Für den Wärmehaushalt der Erde ist die Energie im Erdinneren dagegen im Vergleich zur Sonnenstrahlung kaum von Bedeutung; sie schützt das Leben aber auf eine andere Weise: Konvektionsbewegungen im flüssigen äußeren Teil des Erdkerns sind wahrscheinlich die Ursache für die Erzeugung des Erdmagnetfelds; dieses Erdmagnetfeld schützt die Erde vor den Sonnenwinden. Sonnenwinde bestehen zum größten Teil aus Wasserstoffkernen, die elektrisch geladen sind und daher durch das Magnetfeld zum größten Teil um die Erde herumgelenkt werden. Im hohen Norden kann man diese Sonnenwinde manchmal sehen: Ein kleiner Teil der Partikel gelangt, den Feldlinien folgend, in die Polarregion und erzeugt dort durch Wechselwirkung mit Luftteilchen die spektakulären Polarlichter.

Das Erdmagnetfeld schützt die Erde vor den Sonnenwinden. Abb.: >> NASA

Die Sonnenwinde haben aber auch ihr gutes: Sie schwächen die energiereiche kosmische Strahlung ab, so dass deren Einfluss auf die Erde relativ gering ist. Auch hierzu leistet die Atmosphäre einen Beitrag: In einer Höhe von etwa 80 Kilometern befindet sich eine Schicht (die Ionosphäre), in der Teilchen zum Beispiel aus verglühenden Meteoriten ionisiert werden und dabei die tödliche kosmische Strahlung abfangen. Energiereiche UV-Strahlung von der Sonne, die durch die Ionosphäre dringt, wird weitgehend von einer >> Ozonschicht in der Erdatmosphäre gefiltert. Ohne diese Schichten wäre Leben zumindest an Land kaum möglich.

Die Hilfe von Jupiter und Mond

Und schließlich helfen auch Jupiter und der Mond: Die Schwerkraft des Jupiter hat bei der Entstehung von Mars und Erde geholfen, und kleinere Stein- und Eiskörper in einen Asteroidengürtel verbannt - damit hat sie die Erde vor noch häufigeren Einschlägen von Himmelskörpern bewahrt. Wir Menschen verdanken unserer Existenz aber einem dieser Einschläge: Bei dem Zusammenprall, bei dem der Mond entstand (mehr dazu >> hier), wurde ein Teil der Erdkruste ins All geschleudert - erst dadurch wurde die Erdkruste so dünn, dass sich wie oben beschrieben die Kontinentalplatten gegeneinander verschieben und Land entstehen konnte; ohne Festland aber hätte es uns nie gegeben. Und ohne die Umwandlung von Silikaten in den von der Plattentektonik erst ermöglichten Gesteinskreisläufen der Erde hätte es auch nicht ausreichend Kohlendioxid auf der Erde gegeben, um das Pflanzenwachstum zu ermöglichen. Auch die heutige biologische Vielfalt gäbe es ohne diesen Zusammenprall vermutlich nicht: Auf ihn geht nämlich auch die Neigung der Erdachse zurück, die für die Jahreszeiten sorgt: Die Jahreszeiten spielten aber eine ebenso große Rolle bei der Entstehung der Vielfalt an Lebewesen, die wir heute auf der Erde finden, wie die vielfältigen Lebensräume, die infolge der Plattentektonik entstanden - weshalb der Mond schon als “Architekt der Evolution” bezeichnet wurde. Und mit seiner Schwerkraft stabilisiert der Mond wie ein Ausleger die Rotationsachse der Erde - ohne diese Stabilisierung würde sie zeitweise eine Neigung von 85 Grad erreichen; die Eiskappen der Pole wären direkt auf die Sonne gerichtet und schmelzen; die Tropen würden dagegen in Eis und Schnee versinken. Die dadurch ausgelösten Klimaschwankungen hätten möglicherweise jedes Leben früh vernichtet, es auf jeden Fall aber anders aussehen lassen (Da der Mond sich jedes Jahr um fast 4 Zentimeter von der Erde entfernt, wird seine Schwerkraft in einer Milliarde Jahre nicht mehr ausreichen, die Rotationsachse der Erde zu stabilisieren - sollte es dann noch intelligentes Leben auf der Erde geben, dürfte der Klimawandel wieder zum Thema werden).

Die Entstehung (?, siehe >> Die Entstehung des Lebens) und Weiterentwicklung des Lebens auf der Erde ist also von vielen Faktoren abhängig (siehe dazu auch >> Die Erde als Ökosystem). Je besser dieses verstanden wird, desto mehr interessieren sich die Erdwissenschaftler und Biologen wieder für Astronomie. Weitere Planeten zu finden, auf denen die Bedingungen für Leben erfüllt sind, wäre der erste Schritt, um außerirdisches Leben zu entdecken. Und bringt uns vielleicht einer Antwort auf die Frage näher, ob die Existenz von Leben auf der Erde lediglich einem glücklichen Zufall zu verdanken ist, oder aber in den Naturgesetzen angelegt ist.

Ist da jemand? – Die Suche nach außerirdischem Leben

Gibt es außerirdisches Leben im Universum? Schon die alten Griechen spekulierten über diese Frage, und noch heute weiß niemand etwas genaues - aber inzwischen reichen unsere technischen Möglichkeiten aus, Antworten direkt im All zu suchen.

Der älteste Ansatz ist die Nutzung der Radioastronomie: Intelligente Zivilisationen könnten wie wir auf der Erde Radiowellen zur Kommunikation verwenden, und diese werden seit 1960 mit riesigen Radioteleskopen gesucht. Bisher ohne Erfolg. Die größte Einschränkung der Methode ist, dass sie nur technische Zivilisationen entdecken kann, die Radiowellen verwendet. Auf der Erde gibt es seit 3,5 Milliarden Jahre Leben; mit den Methoden der Radioastronomie wäre es erst vor etwa 100 Jahren entdeckt worden. (Mehr zu der Frage “Gibt es andere intelligente Zivilisationen im Weltall?” >> hier.)

Seit 10 Jahren können die Astronomen auch Planeten außerhalb unseres Sonnensystems entdecken; und jetzt suchen sie nach Planeten, auf denen die Bedingungen für Leben erfüllt sind. Planeten zu finden ist nicht einfach: >> Tim Appenzeller verglich die Idee, das Licht eines erdgroßen Planeten neben einem milliardenfach helleren Stern einzufangen mit dem Versuch, ein Glühwürmchen neben dem Scheinwerfer eines Leuchtturms zu sehen, in 3000 km Entfernung und in einer nebligen Nacht. So unglaublich es klingt: Dies kann gelingen; bisher wurden 11 Planeten direkt gesehen (dabei gibt es natürlich einen Trick: das Licht des Sternes wird abgedeckt, so dass es das von den Planeten abgestrahlte Licht nicht überdeckt. Dazu werden Techniken wie die Interferometrie (bei der das „störende“ Sternenlicht durch Phasenverschiebung von Lichtwellen ausgelöscht wird - nach dem Funktionsprinzip von Kopfhörern, die Umgebungsgeräusche reduzieren) verwendet oder das Sternenlicht durch Masken blockiert; andere Forscher versuchen, Planeten durch die Farbunterschiede des Lichtes von Planeten und Sternen aufzuspüren). Die meisten Planeten wurden bisher jedoch indirekt durch ihren Einfluss auf “ihren” Stern entdeckt, dazu werden drei verschiedene Methoden genutzt:

• Doppler-Methode und astrometrische Messungen beruhen beide darauf, dass die Schwerkraft des Planeten seinen Stern anzieht, und diesen infolge des Umlaufs des Planeten in ein leichtes Taumeln bringt. Dieses führt einerseits zu regelmäßigen Schwankungen in der Wellenlänge des vom Stern ausgehenden Lichts: es wird langwelliger, wenn der Stern sich von der Erde wegbewegt (“Rotverschiebung”), und kurzwelliger, wenn er sich auf die Erde zugewegt. Bei der Doppler-Methode wird dieser “Doppler-Effekt” gemessen; die astrometischen Messungen messen dagegen die seitlichen Bewegungen des Sterns gegen andere Sterne im Hintergrund.
   
• Die dritte Methode nutzt die Lichtabschattungen, die entstehen, wenn Planeten von der Erde aus gesehen die Oberfläche des Stern überqueren.
   

Mit diesen Methoden suchen die Astronomen gegenwärtig vor allem nach „Jupiters“: Ein Planet wie Jupiter in unserem Sonnensystem hilft während der Planetenentstehung durch den Einfluss seiner Schwerkraft bei der Bildung mars- und erdgroßer Planeten, und er verbannt kleinere Stein- und Eiskörper in einen Asteroidengürtel. Jupiter bewirkt allerdings ein „Sternentaumeln“ in Jahrzehnten, abhängig von seiner Umlaufbahn. Die ersten Messreihen sind bald lang genug, um auch solche Planeten mit der Doppler-Methode zu entdecken. Im April 2007 wurde immerhin ein erster Planet gefunden, auf dem eine Oberflächentemperatur von 0 bis 40 Grad Celsius herrscht, Wasser also flüssig wäre - er umkreist den Roten Zwergstern Gliese 581. Insgesamt kennen die Astronomen heute über 370 “Exoplaneten”, wie die Planeten außerhalb unseres Sonnensystems genannt werden.

Planeten von der Größe der Erde können weit besser bei Weltraummissionen entdeckt und untersucht werden, bei denen keine Erdatmosphäre stört. Die im März 2009 gestartete Kepler-Mission der NASA wird 100.000 Sterne auf Lichtabschattungen untersuchen. Die „Terrestrial Planet Finder Mission“ der NASA (in zwei Stufen geplant für 2014 und 2020) und die „Darwin-Mission“ der ESA (geplant für 2015) sollen mittels Interferometrie das Licht erdgroßer Planeten entdecken und analysieren. Beide Missionen sollen mit Hilfe von Infrarotspektren auch Sauerstoff oder Ozon entdecken können, die in größeren Konzentrationen als sicheres Kennzeichen für Leben gelten.

Über die Chancen dieser Suche kann man kaum etwas sagen. Die alten Griechen glaubten an andere Welten: alles andere wäre wie ein Acker mit nur einer einzigen Ähre. Heute können wir nur vermuten, dass es diesen Acker gibt: Planeten, auf denen die Bedingungen für das Leben stimmen. Wir wissen aber nicht, wie wahrscheinlich die Entstehung von Leben ist, und auch nicht, wie wahrscheinlich Leben sich zu intelligentem Leben weiterentwickelt. Außerirdisches Leben zu entdecken: Das wäre eine zweite kopernikanische Revolution. Vor 500 Jahren entdeckte Kopernikus, dass die Erde nicht der Mittelpunkt unseres Sonnensystems ist; und dann wäre sie auch nicht mehr der einzige Planet, der Leben beherbergt – sondern Teil eines Netzes von Leben im Universum... Man kann sich kaum ausmalen, wie solch eine Entdeckung unser Selbstbild verändern würde. Ob es jemals nötig sein wird, steht dahin.

Websites zum Thema

NASA-Keppler-Mission: Wissenschaftlicher Hintergrund, Beschreibung der Mission und ihres aktuellen Standes, Lehrmaterialen (in englischer Sprache) (http://www.kepler.arc.nasa.gov/).

Terrestrial Planet Finder Mission: Projektseite des Jet Propulsion Laboratory: Beschreibung der Ziele und des Projekts (in englischer Sprache) (http://planetquest.jpl.nasa.gov/TPF/tpf_index.html).

Darwin Mission: Projekt-Seite der ESA Science & Technology (in englischer Sprache) (http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=28)

Siehe auch:
>> Gibt es andere intelligente Zivilisationen im Weltall?

Dass die Voraussetzungen für Leben auf der Erde gegeben sind, ist durch die Existenz von Leben auf der Erde bewiesen. Wie aber das Leben auf die Erde gekommen oder auf ihr entstanden ist, ist immer noch ein Rätsel. Mit dieser Frage und mit der Entwicklung des Lebens auf der Erde beschäftigt sich der nächste Abschnitt: >> Das Leben.

Weiter zu >> Das Leben

Ähnliche Themen:
>> Ökosystem Erde

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