Document
Werbung
Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones J.-M. Grießmeier, A. Stadelmann, U. Motschmann, N.K. Belisheva, H.Lammer, H.K. Biernat; 2005 Präsentation von Rupert Lang Cosmic Rays Unter kosmischer Strahlung versteht man geladene Teilchen und Photonen, welche die Erde aus allen Richtungen treffen Primärteilchen wechselwirken mit Atomen in Erdatmosphäre Entstehung von auf der Erdoberfläche detektierbaren Sekundärteilchen (Air shower) Die Teilchen besteht zu etwa 98% aus Atomkernen und zu 2% aus Elektronen. Kerne: ~ 87% H-Kerne; ~12% He-Kerne; 1% schwerere Elemente Nachweis fast aller im PSE bekannten Elemente Energien von einigen 1.000 eV bis zu über 1020 eV Cosmic Rays ● 2 Arten von CR 1) galaktische CR – Quellen: Quasare, SN, AGN, etc.. 2) solare/stellare CR – Quellen: Flares, coronal mass ejections, Solar Wind Solare CR haben flacheres Energiespektrum als galaktische CR → geringere Energie aber häufiger! Abb.1 Abschirmung Atmosphäre: Primäre CR Partikel initiieren sog. Air Shower in der oberen Atmosphäre Erde: ~1033 g cm-2 E>450 MeV erreichen den Boden Abb.2 Venusatmosphäre: ~100bar fast vollständige Abschirmung Marsatmosphäre: ~7mbar fast keine Abschirmung Abschirmung Magnetfeld: CR werden von Magnetfeldern energieabhängig abgelenkt An den Polen können CR leichter die Atmosphäre erreichen. Abb.3 Tidal Locking Für Entfernungen d<0.2 AU geschieht tidal locking schnell 3 2 6 RP MP d sync =Q i − f GM P M S RP Goldreich and Soter (1966),Guillot et al. (1996), Showman and Guillot (2002) Abb.4 Tidal Locking 3 2 6 RP MP d sync =Q i − f GM P M S RP starke Abhängigkeit von d Q: tidal dissipation factor 1 ~tan 2 Q für terrestrische Planeten ist Q~101-102 für Gasriesen ist Q~105 i ; f : Winkelgeschwindigkeiten Tidal Locking Graues Band: CHZ continuously habitable zone h ~5Gyrs Flüssiges Wasser! (Kasting et al.(1993)) Abhängig von planetarer Atmosphäre, Masse und Radius sowie kontinentaler Fläche. Abb.5 d und MS Variation (Joshi et al.(1997);Franck et al. (2000)) M-Sterne (~0.5 Msol): CHZ liegt innerhalb des TL-Radius CHZ: HZ in der Zeit zwischen Erreichen der ZAMS bis zum Verlassen der MS Magnetische Momente MM sind direkt von der Rotation abhängig Voraussetzung für einen Geodynamo: Konvektion in einem leitenden Fluid Modelle: 1/2 M ∝c r c 1/2 M ∝ c 1/2 M ∝ c 1/2 1/2 3/4 M ∝ c 3 rc (Busse,1976) −1/2 7/ 2 rc 1/2 1/2 4 3 rc M ∝c r c −1/4 −1/2 7/2 (Stevenson,1983) (Mizutani et al., 1992) (Mizutani et al., 1992) (Sano,1993) M ist die obere Grenze für planetare MM Magnetische Momente MM sind direkt von der Rotation abhängig → TL Planeten haben nur schwache MM unlocked: 0.8M E M 1.8M E 22 M E ~8×10 Am locked: 0.022M E M 0.15M E Abb.6 2 Stellarer Wind Starker T-Gradient zwischen Photosphäre und Korona Aufheizung durch → Strahlung → Übergang Unterschall – Überschallströmung → magnetische Effekte Abb.7 Stellarer Wind Windgeschwindigkeit und Dichte sind abhängig vom Alter und der Spektralklasse Starker T-Gradient zwischen Photosphäre und Korona Aufheizung durch → Strahlung → Übergang Unterschall – Überschallströmung → magnetische Effekte Abb.8 Stellarer Wind Stellare Winde verformen das Magnetfeld Radius der Magnetosphäre R S ∝ M 1/3 nv 2 −1/6 Abb.9 Verwendetes Modell: Zylinderform auf der Nachtseite, Halbkugel auf der Tagseite, zeitunabhängig CR-Impact 7x106 Trajektorien pro Energieintervall mit isotroper Verteilung Counts für Teilchen Rp+100km Abb.10 2 verschiedene Einflüsse: kleinere Distanz → höhere Winddichte TL → schwächeres Magnetfeld Abb.11 CR-Impact Teilchenfluß ist größer E>2GeV ist der Schutz durch das Magnetfeld vernachlässigbar! Abb.12 Abhängigkeit des Flußes vom Sternalter Nur Variationen im Sternwind für E um 250 MeV stark durchlässig Abb.13 CR-Impact Energiespektrum bei TL Planeten um junge Sterne Fluß ähnlich dem außerhalb der Magnetosphäre → TL Planeten sind einem höhen Fluß an geladenen Teilchen ausgesetzt → Auswirkungen auf biologische Systeme Abb.14 Konsequenzen Einheiten: Gray: 1Gy=1 J/kg Sievert: 1Sv = 1 J/kg Äquivalenzdosis für unterschiedliche Strahlungsarten Durch Ionisierende Strahlung wird lebendes Gewebe ge- oder zerstört. Es kommt zu: Zellfusion,Chromatin Fragmentation, Auflösung von Zell- oder Zellkerngewebe, multipol Mitose (Zellkernteilung), etc... Abb.15 Konsequenzen Versuche mit Zellkulturen in Polnähe während erhöhter Sonnenaktivität (1989) zeigt eine erhöhte Rate von Zellschäden und irreversiblen Änderungen an lebendem Gewebe. Änderungen auf genetischem Level sind Voraussetzung für biologische Evolution und für Artenbildung → radiation-induced evolutionary events (Rieseberg,2001) Abb.16 Abb.17 Referenzen ● Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitale Zones; Gießmeier et al. ; 2005 ● Cosmic Ray implications for human health; Shea et al. 2000 ● A summary of major solar proton events; Shea et al. 1990 ● Testing High Energy Acceleration in SNR, Rupert Lang, 2008 ● Particle Scattering by Magnetic Fields, Dröge, 2000 ● Generation of Planetary Magnetism by Convection, Busse, 1976 ● Q in the Solar System, Goldreich, 1965 ● Planetary Magnetic Fields, Stevenson, 2002 ● Transport of ionizing radiation in terrestrial-like exoplanet atmospheres, Smith et al., 2004 ● Chromosomal rearrangements and speciation, Rieseberg, 2001 ● Habitable Zones around Main Sequence Stars, Kasting et al., 1993 Bildquellen Abb. 1&2: Testing High Energy Acceleration in SNR, Rupert Lang, 2008 Abb.3 Cosmic Ray implications for human health; Shea et al., 2000 Abb.4,5,6,8,10-14 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitale Zones; Gießmeier et al., 2005 Abb.7 http://www1.physik.uni-greifswald.de/lehre/plasmaphysik/2007-ss-seminar/SonnenwindPolarlicht.pdf Abb.9 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f3/Magnetosphere_rendition.jpg Abb.15 http://wapedia.mobi/de/Strahlenschaden?t=3.#3. Abb. 16 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitale Zones; Gießmeier et al., 2005 Abb.17 http://www.wetterzentrale.de/cgi-bin/webbbs/wzarchive.pl?noframes;read=1097060
