Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close
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Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones Präsentation 15.12.2010 280451 Schwerpunktseminar Astrobiologie: Astronomische Aspekte d. Entstehung des Lebens Inhalt • • • • • • Autoren Einleitung Tidal-locking und magnetische Momente Exomagnetosphären Höhenstrahlung in Exomagnetosphären Genetische Konsequenzen von Aussetzung durch Höhenstrahlung und Implikationen für Bewohnbarkeit • Zusammenfassung 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 2 Autoren • Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones; Astrobiology Vol 5, No 5, 2005 – – – – – – J.-M. GRIEßMEIER 1 A. STADELMANN 1 U. MOTSCHMANN 1 N.K. BELISHEVA 2 H. LAMMER 3 H.K. BIERNAT 3 Technische Universität Braunschweig, Braunschweig, Germany. 2 Polar Alpine Botanical Garden-Institute, Kola Scientific Centre, Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia. 3 Space Research Institute, Austrian Academy of Sciences, Graz, Austria. 1 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 3 Einleitung Folie 1 • Cosmic Ray Impact on Extrasolar EarthLike Planets in Close-in Habitable Zones 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 4 Einleitung Folie 2 • Hauptkriterien für Entwicklung von Leben auf erdartigen Exoplanet: – dichte Atmosphäre – starkes zugehöriges magnetisches Moment 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 5 Einleitung Folie 3 • Primäre galaktische Höhenstrahlung (Primary galactic cosmic rays) (GCRs) • Sekundäre Höhenstrahlung • Sonnen/stellare Höhenstrahlung 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 6 Einleitung Folie 4 Abb. 1. Produktion sekundärer Höhenstrahlung auf Grund der Wechselwirkung von energiereichen Teilchen mit der Erdatmosphäre. © Grießmeier et al. 2005 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 7 Tidal-locking und magnetische Momente Folie 1 • Tidal – locking • magnetische Momente 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 8 Tidal-locking und magnetische Momente Folie 2 • Tidal – locking 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 9 Tidal-locking und magnetische Momente Folie 3 Erde 15 6 360 6,08 x 1024 5,82 x 10-5 . . . 1,33 x 10-4 Gezeitendissipationsfaktor Q Radius RP (km) Masse MP (Kg) Anfangsumdrehungsraten ωi (1/s) Kern Radius rc (RP) 0,55 10 615 Dichte ρc (kg/m3) Leitfähigkeit σ (S/m) 5,0 x 105 Magnetisches Moment M (ME) (unlocked) 0,8 . . . 1,8 M (ME) (locked bei 0,2 AU bei M* = 0,5 Msun) 0,022 . . . 0,15 Tabelle 1. Benutzte Eingabeparameter für die Kalkulation von Gezeitenschlußzeitspannen und planetarisch magnetische Momente und Vergleich von magnetischen Momenten für tidal-locked und tidal-unlocked Planeten © Grießmeier et al. 2005 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 10 Tidal-locking und magnetische Momente Folie 4 Abb. 2. Gezeitenschlusssysteme für einen erdartigen Planeten als eine Funktion von orbitalem Radius d und Masse M* (oder Spektraltyp) des Hoststerns. Die eingefärbte Fläche gibt die Lage vom CHZ © Grießmeier et al. 2005 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 11 magnetische Momente Folie 1 Modelle ergeben folgende Skalierungsgesetze: 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 12 magnetische Momente Folie 2 Abb. 3. Magnetische Momenteinschätzungen für einen erdartigen Planeten, der einen Stern mit M* = 0,5 Msun umkreist. als eine Funktion von orbitaler Entfernung. Das magnetische Moment wird in Einheiten des magnetischen Moments der Erde angegeben. © Grießmeier et al. 2005 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in 15.12.2010 Close-in Habitable Zones 13 Exomagnetosphären • Stellare Windbedingungen • Größe der Magnetosphäre 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 14 Stellare Windbedingungen die stellare Windveränderung an der Planetenposition: 1. für bestimmtes stellares Systemalter: stellare Windgeschwindigkeit und Dichte bei 1 AU Grießmeier et al. (2004) (Gl.16 u. 17). ebenso stellarer Windfluss F = nvd2 und v. 2. für M- Stern von Tabelle 2 werden der stellare Windfluss und Dichte auf die relative Oberfläche des Sternes (wenn man mit der Sonne vergleicht) reduziert. 3. Grießmeier et al., 2004 nahm an, dass die stellare Winddichte sich bei substellarer Entfernung mit n(d) ∝ d-2 vermindert, jetzt wird ein Parker-ähnliches stellares Windmuster benutzt, um n(d) und v(d) als eine Funktion an der Entfernung zum Stern zu finden. Ähnlich zu Mann et al. (1999), wird die Coronaltemperatur zu dem Wert eingestellt, bis die stellare Windgeschwindigkeit bei 1 AU übereinstimmt, der in Schritt 1 erhalten wurde. Die Dichte n(d) wird dann durch dividieren des Flusses F durch v(d)d2 erhalten. 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 15 Größe der Magnetosphäre Folie 1 Der magnetosphärische Radius wird vom Druckausgleich am substellaren Punkt bestimmt BP(r) µ0 M v n 15.12.2010 planetarisches Magnetfeld die Permeabilität im Vakuum planetares magnetisches Dipolmoment stellare Windgeschwindigkeit stellare Winddichte Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 16 Größe der Magnetosphäre Folie 2 Das magnetische Moment für einen tidal-locked erdähnlichen Planeten aus der Tab. 1. Für drei verschiedene Sternsysteme mit dem Alter (4,6 Gyr, 1,0 Gyr, und 0,7 Gyr), die magnetosphärische Standoff Distance ist gegeben Erdähnlicher Planet tidally locked bei 0,2 AU rund um einen M Stern vom Alter 4,6 Gyr v(t) (stellar wind velocity) (km/s) 300 -3 n(t) (stellar wind density at 0,2 AU) (m ) 7,0 x 107 M (magnetic moment) (ME) 0,022 . . . 0,15 Rs (size of the magnetosphere) (RP) 2,1 . . . 4,0 1,0 Gyr 589 6,2 x 108 0,022 . . . 0,15 1,2 . . . 2,2 0,7 Gyr 686 1,0 x 109 0,022 . . . 0,15 1,0 . . . 2,0 Tabelle 2. Stellarere Wind und planetarische Parameter bei einer Distanz von 0,2 AU rund um einen Stern von 0,5 MSUN © Grießmeier et al. 2005 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 17 Höhenstrahlung in Exomagnetosphären – Magnetosphärisches Modell und Höhenstrahlungsmodell – Wirkung von Höhenstrahlen auf erdartigen Exoplaneten – Höhenstrahlung und Sternsystemalter 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 18 Magnetosphärisches Modell und Höhenstrahlungsmodell Folie 1 – Das magnetoshärische Magnetfeld eines Planeten: Überlagerung von einem inneren und einem äußeren Teil. 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 19 Magnetosphärisches Modell und Höhenstrahlungsmodell Folie 2 – Kalkulation von Teilchenflugbahnen Abb. 4. Verteilung von den Startpositionen und Geschwindigkeitsvektoren für kosmische Höhenstrahlungsflugbahnen (schematisierte Ansicht) © Grießmeier et al. 2005 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 20 Magnetosphärisches Modell und Höhenstrahlungsmodell Folie 3 Abb. 5. Abhängigkeit des Wirkungsgebiets von Teilchenenergie. Feste Linie, Erde; strichlierte Linie, erdähnlicher Planet tidal-locked bei 0,2 AU um einen Stern mit M* = 0,5 Msun. © Grießmeier et al. 2005 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 21 Wirkung von Höhenstrahlung auf erdartigen Exoplaneten Abb. 6. Höhenstrahlungs-Energiespektrum. Feste Linie, Erde; strichlierte Linie, erdartiger tidal-locked Planet bei 0,2 AU um einen Stern mit M*= 0,5Msun; strichpunktierte Linie, Energiespektrum außerhalb der Magnetosphäre. © Grießmeier et al. 2005 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 22 Höhenstrahlung und Sternsystemalter Abb. 7. Abhängigkeit des Wirkungsgebiets von Teilchenenergie und Sternsystemalter. Das Wirkungsgebiet wird definiert als der Bruchteil der Oberfläche des Planeten wo Höhenstrahlungsteilchen von einer bestimmten Energie eindringen können. Feste Linie, Erde; strichlierte Linie, erdartiger tidal-locked Planet bei 0,2 AU um einen M-Star eines Alters von 4,6 Gyr; punktierte Linie, erdartiger tidal-locked Planet bei 0,2 AU um einen M-Star eines Alters von 0,7 Gyr. © Grießmeier et al. 2005 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in 15.12.2010 23 Close-in Habitable Zones Genetische Konsequenzen von Aussetzung durch Höhenstrahlung und Implikationen für Bewohnbarkeit Folie 1 • Ionisierende Strahlenbelastung: – erzeugt Schaden an DNA, das Doppelfadenbrüche innerhalb des Genoms einschließt. – Initiierungen gentoxischer Ereignisse: • DNA-Reparaturmechanismen aktivieren – Zellkreislauffortschritt anzuhalten – Apoptosis (programmierter Zelltod) auslösen. – Belastungsantwort, um auf die auf Strahlenbelastung zu reagieren: • viele überlagende Komponenten: – – – – – – – 15.12.2010 Wachstumsfaktoren Zytokine Gene im Zellkreislauf einbezogene Eiweiße Apoptosis Signalisierungswege DNA Reparatur Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 24 Genetische Konsequenzen von Aussetzung durch Höhenstrahlung und Implikationen für Bewohnbarkeit Folie 2 Abb. 9 Oben links: L-Line Zellkultur Oben rechts: Zellfussion Unten links: Zusammenballung von Chromosonen Unten rechts: Multipole Mitosis von Chromosonen © Grießmeier et al. 2005 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 25 Genetische Konsequenzen von Aussetzung durch Höhenstrahlung und Implikationen für Bewohnbarkeit Folie 3 • Abb. 5 und 7: viel größere Oberflächenbruchteile eines terrestrischen Planeten in der bewohnbaren Zone von Niedrigmassesternen Höhenstrahlungsteilchen ausgesetzt werden. • Abb. 6: kosmische Strahlungsfluss viel höher, aufgrund des schwächeren magnetisches Moments, welches in einer unterschiedlichen magnetoshärischen Struktur resultiert. • Abb. 2: durch die niedrigere Helligkeit von K- und M-Zwerg Sternen ihre bezogenen bewohnbaren Zonen sind viel näher beim Stern als die der Erde zur Sonne ist. • Niedrigmassesterne haben tieferes äußere Konvektionsschichten als sonnenartige G-Typ-Sterne, deswegen sind ihre magnetischen Dynamos viel mehr wirksam als der Sonnendynamo: – sehr starke Corona/chromosphärischen Röntgenstrahlung – extreme UV-(XUV-) Emissionsflüssen – heftigen Flares 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 26 Zusammenfassung • erdartige Exoplaneten an orbitalen Entfernungen innerhalb der bewohnbaren Zone von M-Sternen fast alle tidal-locked • reduziertes magnetisches Moment • schwach schützende Magnetosphären • Schwaches magnetischen Moment in energiereichen Teilchenumgebung um Niedrigmassesterne beeinflussen stark einen Planeten bei 0,2 AU mit einem Außenluftdruck von ungefähr 1 bar • je nach der Energie der Teilchen können zwischen 50% und 100 % der Grundfläche der Atmosphäre von Höhenstrahlteilchen erreicht werden. • Auswirkungen für die planetarische Bewohnbarkeit • häufige GLEs von sekundären Höhenstrahlteilchen können biologische Wirkungen in einfachen genetischen Systemen erzeugen. 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 27 Abkürzungen und Erklärungen • CHZ continuously habitable zone • kontinuierlich bewohnbaren Zone • FHM fat head minnow • Dickkopfelritze - Pimephales promelas • GCR galactic cosmic rays • galaktische Höhenstrahlung • GLE ground level enhancement: • Die sekundäre Strahlung wird durch Sonnenereignisse stark erhöht, wobei hohe Dichten von energiereichen Teilchen die planetarischeAtmosphäre erreichen • Tidal-locked: • Planet mit Orbit eng am Hoststern ist durch Gezeitenschluss mit Stern verbunden 15.12.2010 Cosmic Ray Impact on Extrasolar Earth-Like Planets in Close-in Habitable Zones 28 Quellenverzeichnis • • • • • • • • • Bieber, J.W., Eroshenko, E., Evenson, P., Flückinger, E.O., and Kallenbach, R., eds. (2000) Space Sciences Series of ISSI 10: Cosmic Rays and Earth, Kluwer, Dordrecht, the Netherlands. Busse, F.H. (1976) Generation of planetary magnetism by convection. Phys. Earth Planet. Int. 12, 350–358. Desai, N., Wu, H., George, K., Gonda, S.R., and Cucinotta, F.A. (2004) Simultaneous measurement of multiple radiation-induced protein expression using the Luminex ™ system. Adv. Space Res. 34, 1362–1367. Kasting, J.F., Whitmire, D.P., and Reynolds, R.T. (1993) Habitable zones around main sequence stars. Icarus 101,108–128. Mann, G., Jansen, F., MacDowall, R.J., Kaiser, M.L., and Stone, R.G. (1999) A heliospheric model and type III radio bursts. Astron. Astrophys. 348, 614–620. Mizutani, H., Yamamoto, T., and Fujimura, A. (1992) A new scaling law of the planetary magnetic fields. Adv. Space Res. 12, 265–279. Mullan, D.J. and MacDonald, J. (2001) Are magnetically active low-mass M dwarfs completely convective? Astrophys. J. 559, 353–371. Sano, Y. 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