Is the Presence of Oxygen on an Exoplanet a reliable Biosignature?
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Is the Presence of Oxygen on an Exoplanet a reliable Biosignature? Astrobiology, Volume 11, Number 4, 2011 A. Léger, M.Fontecave, A. Labeyrie, B.Samuel, O. Demangeon, D. Valencia Einführung Abiotische Photogeneration von O2 auf der Oberfläche eines Planeten innerhalb der habitablen Zone (HZ) Erfordert effiziente Photokatalysatoren, welche unter natürlichen Bedingungen auf einem solchen Planeten in großer Menge vorhanden sein sollen Darwinistisches Argument: Biologische Systeme haben einen Adaptationsvorteil Marlene Hausleitner 2 Was ist eine Biosignature? • Derzeit gibt es keine definitiven Biosignatures • Beste, derzeitige Definition: „Eine beobachtbare Eigenschaft eines Planeten, wie zB. seine atmosphärische Zusammensetzung, die unsere derzeitigen Modelle nicht reproduzieren können, wenn die uns bekannten abiotischen physikalischen und chemischen Prozesse miteinbezogen werden.“ Marlene Hausleitner 3 O2 und O3 als Biosignatures: ausreichende Produktion von O2: • Anwesenheit von O2 als Biosignature zuerst von Tobias Owen in 1980 postuliert • Detektion von primitivem Leben auf einem Exoplanet mittels remote sensing könnte den Ansatz einer Antwort auf die Frage „Are we alone in the universe?“ liefern • → eine Biosignature ist ausreichend für das Auffinden von primitivem Leben, Suche nach intelligentem Leben erfordert Technomarkers Marlene Hausleitner 4 • Hauptsächlicher Einwand gegen O2 als Biosignature ist die Möglichkeit einer abiotischen Produktion von O2 durch UV Photolyse von H20 (Rosenqvist und Chassefière, 1995). Marlene Hausleitner 5 • Photolyse von H2O: Tritt nur auf, wenn H20 en masse vorhanden ist und in der Stratosphäre bleibt Auf einem erd-ähnlichen Planeten: Wasserdampf (Verdampfen, Sublimation) kühlt bei Aufsteigen ab -> Regen, Schnee Marlene Hausleitner 6 • Kasting et al (1997).: Greenhouse runaway zu erwarten, wenn Planet in der inneren Grenze der HZ liegt. Tropopause ist hier warm genug. → Innerhalb der HZ des Sterns: O2 Biosignature Marlene Hausleitner 7 • Oberflächentemperatur geringer als 50°C • Kein unteres Limit der Oberflächentemperatur: Snow ball planet: vulkanisches Gas durchdringt die Eisschicht, kleine Menge an O2 (produziert durch Photolyse von H2O), welche die Stratosphäre erreicht wird reduziert -> Sauerstoff aus einer solchen Atmosphäre wird entfernt Marlene Hausleitner 8 Trotzdem: biologische Produktion von Sauerstoff auf Planet mit sehr geringer Durchschnittstemperatur ist unwahrscheinlich, außer Planet hat große saisonale Unterschiede durch große Schräge Marlene Hausleitner 9 • Rosenqvist und Chassefière, 1995: Minimalmenge von O2, ab der biologische Aktivität ausgelöst werden würde, beträgt P (O2): 10 mbar (hierfür ist große Produktion nötig) • Auf der Erde beträgt die abiotische Produktion von O2, zB durch Photolyse von H20, weniger als 1 ppm der photosynthetischen Produktion Marlene Hausleitner 10 • Stopp der biologischen Photosynthese auf der Erde: Häufigkeit von O2 in der Atmosphäre würde innerhalb kurzer Zeit (2 x 107 Jahren) verringert werden, verglichen mit dem Alter der Erde (4.6 x 109 Jahre) → Derzeitig ist die Anwesenheit von O2 ein Indiz für biologische Aktivität Marlene Hausleitner 11 • Missionen, welche O2 im sichtbaren Teil des planetaren Spektrums detektieren, messen die Absorption des Lichts des Sterns in der Atmosphäre - sowohl in den A, als auch in den B Banden von O2. • Unterscheiden nicht zwischen stratosphärischem und troposphärischem O2 • In der Praxis werden die Beobachtungen von troposphärischem O2 dominiert Marlene Hausleitner 12 O3 als Marker von O2 • O3 ist aktiv im IR² • Logarithmischer tracer (Léger et al., 1993; Des Marais et al., 2002) -> geringe Mengen von O2 könnten detektiert werden, allerdings wird durch diese logarithmische Abhängigkeit von O2 eine genaue Schätzung der Menge schwierig → ideal: Zugang zu IR (O3) und sichtbarem (O2) Spektrum Marlene Hausleitner 13 O2 und H20 Produktion durch abiotisches H20 Photosplitting • Größte Energiequelle auf OF eines Planeten innerhalb der HZ = Strahlung des Sterns • Gemeinsam mit Katalysator: große Mengen an O2 möglich H2O -> H2 + ½ O2 • Reaktionsenthalpie: Wasserdampf: ∆H1 = -2.52 eV; flüssiges Wasser: ∆H2 = -2.98 eV Marlene Hausleitner 14 • Diese Werte korrespondieren mit Photonen der Wellenlängen λ < 490 nm (Dampf) und λ < 420 nm (flüssig) • „ ½ O2“ ist Indiz für O* mit höherer Enthalpie (erreicht entweder durch Addition der Energien von mehreren Photonen – biologische Photsynthese; oder durch signifikantes Erniedrigen durch die Aktivität passender Katalysatoren – „artificial photosynthesis“) Marlene Hausleitner 15 Marlene Hausleitner 16 • -> Fig.1: auf der OF eines Planeten der einen solar-type Stern (F, G, oder K Typen) umkreist: abiotische Wasserspaltung durch Absorption eines einzigen Photons • Hierfür wäre Katalysator nötig, um fast die gesamte Energie eines Photons in chemische Energie umzuwandeln • Zum Vergleich: in der höheren Stratosphäre wird direkte Photolyse von Wasser von energiereicheren Photonen ( hv > 6.9 eV, λ < 180 nm) durchgeführt Marlene Hausleitner 17 • Biologische Photosynthese auf der Erde: benutzt komplexe Proteinmaschinerie, zB in Chloroplasten. Diese sammeln das Sonnenlicht, speichern die Energie von – üblicherweise – 8 Photonen und wandeln einen Teil dieser Energie in chemische Energie um. Wichtiger Schritt hier: Spaltung von zwei Wassermolekülen in O2, Elektronen und Protonen (McEvoy and Brudvig, 2006). Marlene Hausleitner 18 • Daher ist Photosynthese auch bei weniger energiereichen Photonen effizient (Chlorophyll: Absorptionsmaximum bei 650 nm) • Eine solche Maschinerie ist das Ergebnis einer langen Evolution, wird in einer abiotischen Welt nicht erwartet! • In dieser: Speicherung der Photonenenergie, lang genug, um Absorption durch ein zweites Photon zu erlauben, eher unwahrscheinlich Marlene Hausleitner 19 • Antwort auf die Frage, ob ein abiotisches System, welches unter natürlichen Bedingungen auf einem Planeten in der HZ seines Sterns produziert wird, durch photokatalytische Spaltung von H2O eine O2-reiche Atmosphäre (PO2 > 10 mbar) schaffen kann, entscheidet über Sauerstoff als tatsächliche Biosignature Marlene Hausleitner 20 Abiotischer Photokatalysator für H20 Spaltung • „Artificial Photosynthesis“ • Zwei Komponenten: -Photosensitizer unit um Photonen zu sammeln und eine Ladungstrennung zu schaffen -Katalysator, um charge recombination zu minimieren, Oxidation von Wasser anzutreiben Marlene Hausleitner 21 • In abiotischer Natur können diese Photosensitizer in einer Vielzahl halbleitender Metalloxide, wie TiO2, Fe2O3, WO3, gefunden werden • Katalysatoren: Co3O4 (Frei, 2009), Mn2CaO4 (Najafpour et al., 2010), wenn Spezies verwendet werden, die sehr häufig auf einem Tellurplaneten vorkommen Marlene Hausleitner 22 Marlene Hausleitner 23 Abundance Problem • IrO2 und Pt erzielen bessere Gewinne, aber korrespondieren mit weniger häufigen Spezies • Abundance Problem ist abhängig vom physischen Zustand der betrachteten Spezies • So kann zB. TiO2 in Nanopartikeln auf einem Photonensammler verteilt sein, was viel weniger TiO2 benötigt, als eine dicke Schicht. Nanopartikel -> unter natürlichen Bedingungen in Erden/Böden (Schrick et al., 2004) Marlene Hausleitner 24 Schwierigkeiten von Systemen mit low-abundance Materialien a) Die Quantenausbeute dieser Systeme ist gering (<5%), dies könnte sich in Zukunft durch physikalische und chemische Optimierungen aktiver Materialien ändern (Barber, 2009). Ein Analogon eines solchen Systems müsste unter natürlichen Bedingungen gefunden werden -> schwierig. Marlene Hausleitner 25 b) Generell sind solche Systeme das Resultat fortgeschrittener chemischer Technologien. zB: Produktion von TiO2 Nanopartikeln (Kristalle auf 150°C in 10M NaOH erhitzt) (Suzuki et al., 2007); CaMn2O4 Katalysator auf 400°C – 600°C erhitzen (Najafpour et al., 2010) Weder ausgeschlossen, noch sehr wahrscheinlich, dass natürliche Bedingungen zu solchen Strukturen führen könnten. Marlene Hausleitner 26 c) Es wird eine Co-Lokalisation und –Funktion von Photosensitizer und Katalysator impliziert – kein verfügbares Material, welches die beiden kombiniert. d) Die meisten Katalysatoren müssen von Zeit zu Zeit entweder regeneriert, oder ersetzt werden. Ein abiotischer Photokatalysator müsste in natürlicher Umgebung für eine lange Zeit arbeiten, um eine O2-reiche Atmosphäre zu schaffen. (6 -8 x längere Lebenszeit, als die eines industriellen Katalysators) Marlene Hausleitner 27 e) Photokorrosion des Materials sollte über lange Zeit (Millionen Jahre) vermieden werden. Dies erfordert sehr spezifische Behandlungen, sogar für viel kürzere Zeitspannen (Jahre). Ist a) nicht prohibitiv -> schwierig, natürliche Lösung zu finden, die gleichzeitig b), c), d) und e) umgeht. Marlene Hausleitner 28 • • • • Um eine große Menge an O2 als Biosignature abzulehnen, wäre ein System nötig, dass: Wasser photolysiert, mit einem Regenerationsprozess, der Lebenszeit von einem Jahr auf 106 bis 108 Jahre verlängert Unter natürlichen Bedingungen und Auf einem signifikanten Abschnitt der Planetenoberfläche vorkommt Bis dato: Kein solches System bekannt Marlene Hausleitner 29 O2 Flux auf der Erde • Produktion von organischem C durch Photosynthese auf der Erde: 1.1 x 1014 Ckg/yr (Field et al., 1998) • Korrespondiert mit O2 Produktion von 2.9 x 1014 kg/yr CO2 + H20 + 8 hv -> (CH2O) + O2 Marlene Hausleitner 30 • Großteil dieses Sauerstoffs verbraucht durch Oxidation organischer Stoffe aus toter Biomasse • Reservoirs von organischem C: Lehm, Schiefersediment • Organic sink = Oxidation von Biomasse und Mineralien • Menge von O2 in Atmosphäre: 1.2 x 1018 kg • O2 residence time bei Photosynthesestopp = 2 x 107 yr Marlene Hausleitner 31 Marlene Hausleitner 32 Darwinistisches Argument • O2 Produktion auf Oberfläche eines Planeten – ohne UV Photolyse (Owen, 1980) • Erklärungen: abiotische Photogeneration oder biologische Photosynthese • Abiotische Photogeneration unwahrscheinlich • Biologische Photosynthese: Selektion, Kolonisierung von Nischen, Evolution und Fortpflanzung Marlene Hausleitner 33 Marlene Hausleitner 34 Zusammenfassung • Qualifikation von O2/O3 als Biosignature abhängig vom Versagen alternativer abiotischer Erklärungen • Abiotisch katalysierte Photolyse von H2O ist auf Planet, der von Sonnen-ähnlichem Stern bestrahlt wird, möglich -> Photokatalysator • Biologische Erklärung durch Photosynthese eines lebenden Systems -> benötigte große Mengen von O2 aufgrund von Reproduktion, Kolonisation Marlene Hausleitner 35 Zusammenfassung • Die Anwesenheit von O2 auf einem felsigen Exoplaneten innerhalb der HZ seines Sterns ist guter, aber nicht definitiver Indikator für Anwesenheit von Leben • Verlässlichkeit abhängig von Identifikation aller abiotischen Photokatalysatoren Marlene Hausleitner 36 Quellen • Is the presence of oxygen on an Exoplanet a reliable biosignature, Astrobiology, Volume 11, Number 4, 2011 A. Léger, M.Fontecave, A. Labeyrie, B.Samuel, O. Demangeon, D. Valencia • http://de.wikipedia.org/w/index.php?title= Datei:Atmosph%C3%A4re_Stufen.svg&filet imestamp=20100206171012 Marlene Hausleitner 37
