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Wie viel Radioaktivität braucht die Erde?

Für die Habitabilität eines Planeten ist auch der Gehalt an Uran und Thorium entscheidend

Erdinneres
Die Erde wird vom Zerfall radioaktiver Elemente in ihrem Inneren aufgeheizt. © Johannes Gerhardus Swanepoel/ thinkstock

Kosmischer Glücksfall: Unser Planet verdankt seine Lebensfreundlichkeit zum großen Teil seinen radioaktiven Elementen – denn er enthält von ihnen genau das richtige Maß, wie nun Forscher ermittelt haben. Die Zerfallshitze von langlebigen Radionukliden wie Uran und Thorium ermöglicht die Plattentektonik, hält den Geodynamo in Gang und schafft das schützende Erdmagnetfeld. Andere Planeten dagegen haben oft zu viel oder zu wenig von dieser inneren Heizung.

Die Habitabilität eines Planeten hängt nicht nur vom richtigen Abstand zu seinem Stern ab, sondern auch von einer Reihe interner Faktoren. So benötigt er ein Magnetfeld, um das Leben auf seiner Oberfläche vor Strahlung zu schützen und seine Atmosphäre vor der Erosion durch den Sternenwind zu bewahren. Günstig ist zudem eine Plattentektonik, die geologische Kreisläufe antreibt. All diese Eigenschaften und Prozesse wiederum haben eine gemeinsame Wurzel: Sie beruhen auf der inneren Heizung des Planeten.

Warum radioaktive Elemente wichtig sind

„Planeten sind gewaltige Wärmemaschinen: Sie geben innere Hitze an ihre Oberflächen ab und treiben damit Prozesse wie den Geodynamo, den Vulkanismus und die Plattentektonik an“, erklären Francis Nimmo von der University of California in Santa Cruz und seine Kollegen. Die Energie für diese innere Hitze liefert bei jungen Planeten noch die Restwärme aus der Akkretionszeit. Sie könnte auch bei Mars und Erdmond die Haupttriebkraft für den urzeitlichen Vulkanismus gewesen sein.

Später jedoch sind entweder Gezeitenkräfte nötig, wie sie beispielsweise der Jupiter auf seine Monde Io und Europa ausübt, oder aber eine interne Heizung in Form radioaktiver Zerfallsreaktionen. Als Quelle dafür spielen vor allem langlebige Radionuklide wie Uran und Thorium eine Rolle. Diese schweren Elemente jedoch entstehen im Kosmos vor allem durch energiereiche Ereignisse wie Neutronensternkollisionen oder den Kollaps sehr massereicher Sterne.

Große Schwankungsbreiten

An diesem Punkt setzt die aktuelle Studie an. Denn diese energiereichen Ereignisse sind im Kosmos nicht gleichmäßig verteilt, so dass Sterne und ihre Planeten ganz unterschiedliche Gehalte dieser schweren Elemente in sich bergen können. „Gesteinsplaneten haben daher große Unterschiede in ihrer radiogenischen Hitzeproduktion – sie variiert von 30 bis zu 300 Prozent des irdischen Werts“, erklären Nimmo und sein Team.

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In einer Simulation haben die Forscher untersucht, wie sich diese verschiedenen Werte auf Faktoren wie die Plattentektonik und den Geodynamo auswirken – und damit auf die Lebensfreundlichkeit. „Im Prinzip haben wir ein Modell der Erde genommen und die interne Hitzeproduktion durch radioaktive Elemente hochgeregelt oder verringert. Und dann haben wir geschaut, was passiert“, so Nimmo.

Zerfallshitze
Die Erde (Mitte) hat gerade genug radioaktive Zerfallshitze. Mehr davon würde Tektonik und Vulkanismus, aber keinem Geodynamo bewirken (oben). Ein Planet mit weniger hat zwar ein Magnetfeld, aber keine anhaltende Tektonik. © Melissa Weiss

Erde ist perfekt austariert

Das Ergebnis: Die Erde sitzt ziemlich genau im optimalen Bereich. Denn ihr Vorrat an radioaktivem Uran und Thorium reicht genau aus, um sowohl den Geodynamo als auch die Plattentektonik am Laufen zu halten, aber eine Überhitzung zu vermeiden. „Wenn wir diese eine Variable aber verändern, bewegen wir uns durch ganz verschiedene Szenarien – von einem geologisch toten Planeten über erdähnliche Welten bis hin zu extremen Vulkanhöllen ohne Magnetfeld“, sagt Nimmo.

Hat ein Planet zu viele radioaktive Elemente, heizt dies den Mantel stark auf und bewirkt einen extremen Vulkanismus. Gleichzeitig aber fehlt das Wärmegefälle, das die Konvektionsströmungen im Kern antreibt, wie die Forscher erklären. Dadurch kann sich kein dauerhafter Geodynamo etablieren. Hat ein Planet dagegen von Anfang an zu wenig radioaktive Elemente, kühlt der Planet zu schnell aus und erstarrt innerlich.

„Beide Extreme haben demnach negative Auswirkungen auf die Habitabilität“, kommentiert Nimmos Kollegin Natalie Batalha. „Man benötigt genügend radioaktive Hitze, um die Plattentektonik zu erhalten, aber nicht so viel, dass der Geodynamo stockt.“

Hilfe bei der Suche nach lebensfreundlichen Exoplaneten

Diese Erkenntnis hat auch Bedeutung für die Suche nach lebensfreundlichen Exoplaneten und nach Leben im All, wie die Wissenschaftler erklären. Denn neben ihrer Lage relativ zu ihrem Stern könnte es auch wichtig sein, die Leistung ihrer „inneren Heizung“ zu kennen. „Die Mengen an Uran und Thorium könnten Schlüsselfaktoren sein, die ebenfalls einen Erdzwilling ausmachen“, so Nimmo.

Das lässt sich zwar bei einem Exoplaneten nicht direkt ermitteln, wohl aber indirekt: Weil Planeten aus der gleichen Urwolke entstehen wie ihre Sterne, kann das Lichtspektrum des Sterns verraten, welche Elemente und wie viel davon in einem Planetensystem vorhanden sind. Als geeigneter Indikator könnte dabei die spektrale Signatur des Elements Europium dienen, wie die Forscher erklären. Denn dieses entsteht bei denselben kosmischen Prozessen wie Uran und Thorium, lässt sich im Sternenlicht aber besser nachweisen. (Astrophysical Journal Letters, 2020; doi: 10.3847/2041-8213/abc251)

Quelle: University of California – Santa Cruz

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