Titelthema – Wenn die Sonne die Erde frisst: Finale für das Leben

Er ist kein Weltuntergangsprophet, sondern einer der renommiertesten Geochemiker und Klimaforscher sowie ein vielgefragter Mitarbeiter der US-Weltraumbehörde NASA: James Fraser Kasting von der Pennsylvania State University. Trotzdem hat er eine schlechte Nachricht: Lange bevor die Erde im Feuer der sich aufblähenden Sonne sterilisiert wird, verhängen gewaltige klimatische Veränderungen das Todesurteil über die meisten Lebensformen. Die Pflanzen ersticken, die Atmosphäre beginnt sich aufzulösen, und das Wasser verdampft in den Weltraum. Das klingt apokalyptisch und ist es auch. Doch die schlechte Nachricht enthält eine gute Nachricht: Bis zum Exitus ist noch mehr Zeit, als Forscher bislang dachten.

Freilich: „Prognosen sind schwierig, insbesondere wenn sie sich auf die Zukunft beziehen”, hat schon der Physiker Niels Bohr gekalauert. Kasting und seine Kollegen stehen vor demselben Problem. Ihr Ausgangspunkt ist aber unstrittig: Helligkeit und Temperatur der Sonne werden aufgrund der veränderten Energieproduktion im Sonnenzentrum in den nächsten Jahrmilliarden stetig ansteigen (siehe voriger Beitrag). „Eine Zunahme der Sonnenleuchtkraft um 0,25 Prozent erhöht die Temperatur auf der Erdoberfläche um ein halbes Grad Celsius”, sagt David Rind vom Goddard Institute for Space Studies in New York. Auch er hat die Auswirkungen der veränderten Sonneneinstrahlung auf das Klima modelliert.

Wie stark das Erdklima von vergleichsweise geringen Veränderungen der Sonnenaktivität abhängt, hat die sogenannte Kleine Eiszeit zwischen 1645 und 1715 gezeigt. Damals wurde die Erde von der kältesten Periode seit der letzten großen Eiszeit vor 10000 Jahren heimgesucht. Mißernten waren die Folge, und die Bevölkerungsentwicklung stagnierte. Gletscher in Norwegen und der Schweiz drangen weit in die Täler vor. Erstmals in der überlieferten Geschichte war die Themse in England zugefroren. Aus Messungen der Konzentration des Kohlenstoff-14 in Bäumen aus dieser Zeit hat Judith Lean vom Naval Research Laboratory in Washington D.C. errechnet, daß sich die Sonnenleuchtkraft damals um 0,25 Prozent verringert hatte. Und aus astronomischen Aufzeichnungen geht eindeutig hervor, daß die Sonne kaum mehr Sonnenflecken besaß, deren Häufigkeit mit der Sonnenaktivität korreliert ist.

Andererseits hat die Leuchtkraft der Sonne seit deren Entstehung vor rund 4,6 Milliarden Jahren bis heute um 30 Prozent zugenommen, ohne daß die Erde zur Gluthölle wurde. Doch dieser Helligkeitsanstieg erfolgte langsam und konnte durch geochemische Reaktionen kompensiert werden.

Ohne Atmosphäre betrüge die heutige Oberflächentemperatur der Erde minus 18 Grad Celsius, hat Kasting ausgerechnet. Tatsächlich liegt sie aber im Durchschnitt bei plus 15 Grad. Ursache sind die Treibhausgase in der Luft, insbesondere Kohlendioxid, Wasserdampf und Methan, die dafür sorgen, daß nicht die ganze Sonnenwärme zurück ins All gestrahlt wird, sondern teilweise in der Luft gefangen bleibt.

Dieser Treibhauseffekt kann sich allerdings lawinenartig verstärken: „Wenn die Temperatur ansteigt, nimmt die Konzentration an Wasserdampf in der Luft exponentiell zu”, sagt Rind. Bei einer Erhöhung der Sonnenleuchtkraft um zwei Prozent klettert die Durchschnittstemperatur um ungefähr vier Grad. Dann schmilzt an den Polen so viel Eis, daß der Meeresspiegel um etwa 40 Zentimeter ansteigt – Tausende Quadratkilometer Land werden überschwemmt. Wenn die Polkappen schwinden, kann die Erde weniger Wärme ins All reflektieren, und die Temperaturen nehmen noch schneller zu. Dann kommt auch der biogeochemische Karbonzyklus durcheinander. Er basiert auf einem Gleichgewicht von Kohlendioxid und Kalziumsilikaten auf der einen und Kalziumkarbonat und Siliziumdioxid auf der anderen Seite: Der größte Teil des irdischen Kohlenstoffs ist als Karbonat in Kalkgestein gebunden. Steigen die Temperaturen, nehmen Verdunstung, Regen und Wind zu. Dadurch verstärkt sich die Erosion. Je wärmer es wird, desto stärker verwittern die Kalziumsulfate im Gestein. Das freigesetzte Kalzium reagiert mit den Karbonaten im Meerwasser. Plankton und Korallen bauen sich Schalen aus diesen Mineralien. Im Lauf der Zeit sterben sie ab und sinken zum Meeresboden – ganze Berge aus Korallenriffen sind auf diese Weise vor Jahrmillionen entstanden. Die in den Schalen eingefangenen Karbonate bilden sich mit Hilfe des Kohlendioxids aus der Luft wieder nach. Letztlich gelangt also atmosphärisches Kohlendioxid auf den Meeresgrund. Umgekehrt blasen Vulkane das Gas wieder in die Luft, und Siliziumdioxid wandelt sich im Erdinneren wieder in Silikate um. „Dieser Prozeß hat die Temperaturen auf der Erde wohl über die letzten vier Milliarden Jahre stabilisiert”, sagt James Kasting. Doch durch die weitere Zunahme der Sonnenleuchtkraft, so hat er zusammen mit Ken Caldeira errechnet, wird dieser komplexe Regulationsprozeß instabil. Denn der Kohlendioxid-Gehalt wird in den nächsten 500 Millionen Jahren von heute 0,035 auf 0,014 Prozent sinken. Daß er wegen der Abgase von Industrie und Verkehr momentan ansteigt, fällt dabei nicht ins Gewicht.

0,0015 Prozent ist die kritische Schwelle, unterhalb derer 95 Prozent der heutigen Pflanzenarten keine Photosynthese mehr betreiben können. Diesen C3-Pflanzen – benannt nach den ersten Stoffwechselprodukten der Photosynthese, die aus drei Kohlenstoff-Atomen bestehen – geht dann buchstäblich die Luft aus. Die C4-Pflanzen halten zwar noch länger durch, bis zu einem Kohlendioxidgehalt von etwa 0,0001 Prozent, aber dann ersticken auch sie. Das wird in rund 900 Millionen Jahren geschehen. Dann brechen die meisten Nahrungsketten auf der Erde zusammen. Das sind düstere Aussichten. Doch sie sind immer noch besser als die Prognosen der britischen Forscher James Lovelock und Michael Whitfield: 1982 hatten sie berechnet, daß alle höheren Organismen schon in etwa 100 Millionen Jahren verschwinden werden. „Das ist zu pessimistisch”, weiß Kasting heute, der bessere Klimamodelle entwickelt hat. „Damals gab es noch kein gutes Modell für den Einfluß niedriger Kohlendioxid-Konzentrationen auf das Klima.”

Nächster Akt des Horrorszenarios: „In 1,1 Milliarden Jahren wird die Stratosphäre naß”, sagt Kasting. Der Wasserdampfgehalt in den oberen Atmosphärenschichten beträgt dann 10 Prozent – heute gibt es dort gar keinen Wasserdampf, weil sich das Wasser schon in viel geringeren Höhen in Wolken sammelt und wieder abregnet. „Dann spaltet die Ultraviolett-Strahlung der Sonne die Wassermoleküle. Die freigesetzten leichten Wasserstoff-Atome entweichen ins All. Sie sind für immer verloren.” Im Verlauf von 100 Millionen Jahren werden dann auch die Ozeane verdunsten. Selbst thermophile Bakterien, die bei Temperaturen von über 100 Grad Celsius gedeihen, kommen nun in Existenznöte. Nur Mikroben in mehreren Kilometer tiefen Lavaspalten haben noch eine Chance, da sie von der feurigen Apokalypse auf der Erdoberfläche abgeschirmt sind.

Wann genau all das geschieht, läßt sich allerdings nur sehr schwer abschätzen. Zu komplex sind die Zusammenhänge und empfindlichen Rückkopplungen zwischen der Zusammensetzung der Atmosphäre, den Gesteinen, den Meeren und sogar den Lebensformen. Definitive Schlußfolgerungen wagt deshalb momentan niemand. Außerdem ist es noch nicht möglich, die Wolken in der Atmosphäre zu berücksichtigen, die einen Teil der Sonneneinstrahlung gleich wieder ins All reflektieren. „Unser Szenario ist der pessimistischste Fall”, sagt Kasting. „Mit Wolken könnte sich die Gnadenfrist für das irdische Leben verdoppeln.” Doch auch so wären heute schon zwei Drittel der Lebenszeit auf der Erde verstrichen.

In etwa 2,5 Milliarden Jahren wird aufgrund der veränderten atmosphärischen und geochemischen Bedingungen kein Silikatgestein mehr auf der Erde verwittern. Kohlendioxid, das aus Vulkanen entweicht, reichert sich dann wieder in der Atmosphäre an und führt zu einem starken Treibhauseffekt. Schwefeloxide, die zuvor durch Regen aus der Luft gewaschen wurden, zirkulieren nun frei und machen die Atmosphäre sauer. Die Erde wird also, bevor sie in die Feuersbrunst der Roten Riesensonne gerät, zu einer Höllenwelt, ganz ähnlich wie die heutige Venus. Wenn sie dann in die Fänge des Roten Riesen gerät, verliert sie ihre restliche Atmosphäre, dörrt völlig aus und glüht – je nach Sonnenabstand – vielleicht sogar auf. Vor dem zweiten Riesenstadium der Sonne würde sich die Erdoberfläche nochmals verfestigen. Aber die Temperaturen betragen immer noch einige hundert Grad, und alle Spuren des Lebens und der Kultur sind für immer getilgt.

Kompakt In ein bis zwei Milliarden Jahren wird die Sonne so heiß, daß sie einen Großteil ihres Wassers verliert. Schon vorher sterben die meisten Lebewesen, weil das Kohlendioxid fast völlig aus der Atmosphäre verschwindet. Auf den Monden von Jupiter und Saturn werden für kurze Zeit lebensfreundliche Bedingungen herrschen. Auf Titan könnte die Evolution sogar einen Neubeginn schaffen. Falls die Erde in den nächsten zwei Milliarden Jahren aus dem Sonnensystem hinausgeschleudert wird, sind die Chancen für das Leben langfristig am größten.

Blühende Landschaften Der Untergang der sonnennahen Planeten ist der Aufschwung für das äußere Sonnensystem. Mit der Zunahme der Leuchtkraft unseres Muttersterns wandert die Öko-sphäre, die lebensfreundliche Zone, nach außen.

Bei der 1,5- bis 4fachen Leuchtkraft werden auf Mars irdische Temperaturen herrschen. Falls es dann noch Menschen gibt, können sie sich dort eine Weile niederlassen. Doch auf Dauer kann ihnen der Rote Planet nicht Asyl geben. „Wenn sich die Sonne in sechs Milliarden Jahren zum Roten Riesen aufbläht, wird auch Mars gebacken”, hat Lee Anne Willson von der Iowa State University in Ames ausgerechnet.

Dann beginnt die Blütezeit der großen Monde im äußeren Sonnensystem. Die mächtigen Eispanzer der Jupitermonde werden schmelzen und große Ozeane bilden. Flüssiges Wasser ist eine optimale Voraussetzung für erdähnliches Leben. Ob die Evolution jedoch eine zweite Chance hat, ist fraglich. „Es bleibt nicht viel Zeit”, sagt Ray Reynolds vom Ames Research Center der NASA im kalifornischen Moffett Field. „Nur einige 100000 Jahre, länger reicht das Wasser nicht aus. Dann hat es sich ins All verflüchtigt.” Allerdings lassen die Forschungen der Raumsonde Galileo vermuten, daß sich schon heute unter der Eiskruste Europas und vielleicht auch Kallistos ein Ozean verbirgt (bild der wissenschaft 5/1998, „Expedition zum Wassermond”). Biologen wie Julian Chela-Flores vom Internationalen Zentrum für Theoretische Physik in Triest spekulieren sogar über exotische Lebensformen in Europas Tiefsee. Vielleicht werden

diese in einigen Milliarden Jahren ungeahnte Entfaltungsmöglichkeiten bekommen. Dann könnte auch Titan aufblühen, Saturns größter Mond, glauben Ralph D. Lorenz und Jonathan I. Lunine von der University of Arizona in Tucson und Christopher P. McKay vom Ames Research Center. Gegenwärtig herrschen auf Titan eisige minus 180 Grad Celsius.

In sechs Milliarden Jahren wird die ultraviolette Strahlung der Sonne aber so stark abgenommen haben, daß sich der Smog in Titans dichter Stickstoff-Atmosphäre allmählich auflöst. Heute blockt er 90 Prozent des Sonnenlichts ab. Dieser Smog besteht aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen, die sich unter UV-Einfluß aus dem auf Titan ebenfalls reichlich vorhandenen Methan bilden. Wenn diese Dunstglocke durchsichtig wird, dringt 17mal mehr Sonnenlicht auf die Mondoberfläche als heute. Dies, die größere Sonnenleuchtkraft und der Treibhauseffekt durch das atmosphärische Methan erhöhen Titans Durchschnittstemperatur auf minus 100 Grad Celsius. Ammoniak in der Atmosphäre wirkt als Frostschutzmittel, so daß es flüssiges Ammoniakwasser gibt. Titan wird ein natürliches Labor für die Erforschung der Verhältnisse auf der Urerde, glauben McKay und seine Mitarbeiter. Die biochemischen Bausteine für die Entstehung des Lebens liegen dort bereit, und 500 Millionen Jahre lang dürften auch die Umweltbedingungen günstig sein, schätzen die Forscher. Vielleicht wird, wenn die Erde stirbt, Titan eine neue Wiege des Lebens.

Sturz in die Kälte

Unter der Sonne hat das irdische Leben das Licht der Welt erblickt. Aber es kann die Augen länger offen halten, wenn es sein Muttergestirn verläßt. Denn die langfristigen Aussichten für das Leben sind besser, wenn die Erde nicht von der Sonne versengt würde, sondern zufällig in das Gravitationsfeld eines anderen Sterns geriete. Rein theoretisch könnte die Erde von einem Roten Zwergstern eingefangen werden und in eine lebensfreundliche Umlaufbahn gelangen. Unter günstigen Umständen könnte das Leben dann noch lange weiterbestehen. Denn ein Roter Zwerg von einem Zehntel der Masse unserer Sonne hat ein Tausendstel ihrer Leuchtkraft und aufgrund seines sparsameren Energieverbrauchs eine Lebensdauer von 14 Billionen Jahren – das Tausendfache des bisherigen Alters unseres Universums.

„Die Wahrscheinlichkeit eines solchen Glücksfalls ist äußerst gering, wenn ein einzelner Stern an der Erde vorbeizieht”, schränken Fred Adams von der University of Michigan in Ann Arbor und Greg Laughlin von der University of California in Berkeley ein. „Würde unser Sonnensystem einem Doppel- oder Dreifachstern begegnen, wären die Chancen wesentlich besser – etwa 1 zu 3 Millionen.” Viel wahrscheinlicher, etwa 1 zu 100000, so zeigten die Rechnungen der Astrophysiker, ist es aber, daß die Erde durch die Gravitation eines anderen Sterns aus dem Sonnensystem hinauskatapultiert wird und in eine endlose Nacht stürzt.

„Tropische Pflanzen gefrieren im letzten Dämmerlicht der Sonne, die nach einem Jahr als heller, sternähnlicher Punkt am Himmel erscheint”, malen sich Adams und Laughlin diese Zukunft aus. „Die Ozeane verzehren allmählich ihren Wärmevorrat. Bald steckt der ganze Planet für immer in einer Tiefkühltruhe. Bei minus 196 Grad regnet der Stickstoff aus der Atmosphäre auf den schneebedeckten Boden, strömt in den Flußbetten zu den Meeren und türmt sich schließlich meterhoch auf den längst zu dickem Packeis gefrorenen Ozeanen. Auch der Sauerstoff fällt vom Himmel, so daß es von kalten, toten Städten aus eine wundervoll klare Sicht auf ferne Sterne gibt.”

Tief unter der Erdoberfläche ist von den Veränderungen noch lange Zeit kaum etwas zu spüren. Am Meeresgrund bleibt das Wasser flüssig. Bei den hydrothermalen Schloten können exotische Lebensformen ungestört weiterexistieren, zum Beispiel Bakterien und Röhrenwürmer. Sie sind nicht auf das Sonnenlicht angewiesen, sondern beziehen ihre Energie aus dem Erdinneren. Die Aktivität der Schlote, die letztlich von der Wärme aus dem Zerfall radioaktiver Elemente angetrieben wird, würde noch Milliarden Jahre anhalten. „Es entbehrt nicht der Ironie”, schmunzelt Adams, „daß das Leben auf der Erde länger bestehen kann, wenn unser Planet aus dem Sonnensystem verjagt wird.” RV

Rüdiger Vaas