Wasserplaneten

[Liopleurodon]

Kann man abschätzen wie tief die Ozeane damals waren?

Nur schätzen... es gibt keine Hinweise auf einen größeren Wasserverlust seit damals, also dürften die Ozeane ungefähr so tief gewesen sein wie heute. Die Temperaturen schätzt man anhand von Mineralien auf über 70°C.

Der Ozean wird allerdings nicht gleichmäßig tief gewesen sein, sondern der Boden hatte schon sein eigenes Relief.

[Spocky]

Sicher nicht zwingend (siehe die Erde), aber das ergibt sich recht schnell. Man vergisst leicht, dass die Erde einfach gerade genug Wasser hat, um Meere UND Kontinente zuzulassen. Diese Wasserwelten haben aber nicht einfach nur einen Faktor 10 mehr Wasser, sondern gut und gerne einen Faktor 100 bis knapp 10000 mehr, und dann wirst du diesen Eispanzer am Grund des Ozeans zwingend haben.

Ja, aber da es im Bereich der Möglichkeit liegt, wollen wir es mal nicht ausschließen. Es ist ja ohnehin alles sehr hypothetisch, also warum nicht einen Fall annehmen mit einer erträglichen Menge Wasser?

Auf der Erde, ja. Aber wie oben erwähnt, bei sehr hohem Druck brauchst du sehr viel höhere Temperaturen, um Gestein zu schmelzen, da stellt sich die Frage, ob sich überhaupt noch Plattentektonik bilden kann. Und wie erwähnt, selbst wenn der Kern ein paar Vulkane aufsitzen hat, die Ionen die diese abgeben kommen dann eben trotzdem nicht durch den Eispanzer am Grund des Ozeans durch. Dann bildet sich vielleicht eine dichte Salzlake direkt zwischen Kern und Eispanzer, aber der Ozean darüber sieht davon nie etwas.

Drücke und Temperaturen sind nicht alles. Gerade das Vorhandensein von Wasser sorgt dafür, dass Gesteine auch bei niedrigeren Temperaturen aufschmelzen. Selbst auf der Erde hätten wir keine Asthenosphäre und wohl auch nicht diese zweite aufgeschmolzene Lage, in der es im Thread "woher kommt unser Wasser" ging. Da liegen wir schon einige 100 km unter der Oberfläche.

Dann hängen Druck und Temperatur natürlich auch noch von der Gesamtmasse und letztlich auch der Dichte des Planeten ab.

Ich sprach nicht von Hurrikans als solchen, sondern von hurrikanartigen (sprich sehr starken) Winden. Uranus und Neptun, unsere nächsten Analoge zu Wasserwelten, haben in ihrer Atmosphäre Windgeschwindigkeiten von bis zu 1000 km/h - und das obwohl sie sehr weit von der Sonne weg sind.

Bei Neptun IIRC sogar bis zum Doppelten, wobei da ebenfalls IIRC die Entfernung von der Sonne eine Rolle spielen soll und diese Geschwindigkeiten näher an unserem Zentralgestirn gar nicht möglich seien. Zwar treiben die Temperaturunterschiede die Stürme überhaupt erst an und das natürlich je stärker, je "heißer", aber wenn sich das lange genug aufschaukelt, dann kann man eine höhere Endgeschwindigkeit erreichen, wenn man weiter weg ist von der Sonne.

Ich finde jetzt leider keinen Link dazu, aber offensichtlich werden die Stürme da draußen von innen angetrieben und nicht von außen. Will sagen: Bei Neptun ist der Wärmezustrom von innen 1,6 mal so hoch wie der von der Sonne:
Blick ins Innere von Uranus und Neptun - Weltraum aktuell

Kann man abschätzen wie tief die Ozeane damals waren?

Das ist extrem schwierig, vor allem weil auch die Geometrie eine völlig andere war. Flachmeere (die ja aus kontinentalem "Schutt" bestehen, konnten natürlich erst entstehen, nachdem bereits vorhandene Gebirge schon längst wieder abgetragen waren, also relativ spät in der Erdgeschichte.

Nur schätzen... es gibt keine Hinweise auf einen größeren Wasserverlust seit damals, also dürften die Ozeane ungefähr so tief gewesen sein wie heute. Die Temperaturen schätzt man anhand von Mineralien auf über 70°C.

Der Ozean wird allerdings nicht gleichmäßig tief gewesen sein, sondern der Boden hatte schon sein eigenes Relief.

Zu dem Wasserverlust hab ich schon öfter was gelesen, aber noch nie eine Quelle dazu genannt bekommen. Hättest du da mal was für mich?

[Liopleurodon]

Zu dem Wasserverlust hab ich schon öfter was gelesen, aber noch nie eine Quelle dazu genannt bekommen. Hättest du da mal was für mich?

Nein, deswegen schrieb ich ja, dass es keinen Hinweis auf einen größeren Wasserverlust seit damals gebe.

[Spocky]

Nein, deswegen schrieb ich ja, dass es keinen Hinweis auf einen größeren Wasserverlust seit damals gebe.

Noch 12 Arbeitstage bis zu meinem Urlaub. Ich glaube, den hab ich bitter nötig

[Bynaus]

Es ist ja ohnehin alles sehr hypothetisch, also warum nicht einen Fall annehmen mit einer erträglichen Menge Wasser?

Das kann man gerne, aber diese Sonderfälle sind dann nicht besonders repräsentativ für die Klasse der Wasserplaneten.

Drücke und Temperaturen sind nicht alles. Gerade das Vorhandensein von Wasser sorgt dafür, dass Gesteine auch bei niedrigeren Temperaturen aufschmelzen.

Da hast du recht, aber ich weiss nicht, ob das reicht, um Gestein auf dem Grund eines mehrere 100 km tiefen Ozeans aufzuschmelzen. Wo ist der Solidus von nassem Basalt unter, sagen wir, 300 km Wasser?

Will sagen: Bei Neptun ist der Wärmezustrom von innen 1,6 mal so hoch wie der von der Sonne:

Ja gut, das wäre bei einem Wasserplaneten in der HZ sicher anders. Da muss ja der Eintrag der Sonne per Definition schon mal so um die 900 mal höher sein als beim Neptun.

Winde kommen letztlich von unregelmässiger Aufheizung, und die wäre auf jedem Planeten gegeben (nur schon von der Äquator-zu-Pol-Differenz). Ich denke, bei einem grösseren Planeten (= geringere Dichte wegen hohem Wasseranteil) wären automatisch auch die Winde stärker, da die bestrahlte Querschnittsfläche mit dem Quadrat zum Radius zunimmt, die Zone, über die die Energie wieder abgegeben werden kann (quasi der Tag-Nacht-Terminator) aber nur linear mit dem Radius wächst. Entsprechend wären die Temperaturunterschiede grösser und die Winde somit heftiger.

[Spocky]

Das kann man gerne, aber diese Sonderfälle sind dann nicht besonders repräsentativ für die Klasse der Wasserplaneten.

Vielleicht kann sich der Fragensteller mal dazu äußern, ob er einen repräsentativen Wasserplaneten haben wollte, oder einen Extremfall

Da hast du recht, aber ich weiss nicht, ob das reicht, um Gestein auf dem Grund eines mehrere 100 km tiefen Ozeans aufzuschmelzen. Wo ist der Solidus von nassem Basalt unter, sagen wir, 300 km Wasser?

Wenn du mir einen bestimmten Chemismus vorgibst, dann ist das überhaupt kein Problem, sowas zu berechnen. Die Thermocalc-Software dürfte hoffentlich noch Freeware sein (falls nicht mehr für die Allgemeinheit, dann doch wohl zumindest für dich) und wie man damit umgeht, dazu gibts unzählige Hilfen im Internet, falls du das nicht selbst auf der Uni hattest

Irgendwo müsste ich sogar noch eine alte Version zusammen mit meinen Berechnungen aus der Diplomarbeit auf CD haben...

Ja gut, das wäre bei einem Wasserplaneten in der HZ sicher anders. Da muss ja der Eintrag der Sonne per Definition schon mal so um die 900 mal höher sein als beim Neptun.

Winde kommen letztlich von unregelmässiger Aufheizung, und die wäre auf jedem Planeten gegeben (nur schon von der Äquator-zu-Pol-Differenz). Ich denke, bei einem grösseren Planeten (= geringere Dichte wegen hohem Wasseranteil) wären automatisch auch die Winde stärker, da die bestrahlte Querschnittsfläche mit dem Quadrat zum Radius zunimmt, die Zone, über die die Energie wieder abgegeben werden kann (quasi der Tag-Nacht-Terminator) aber nur linear mit dem Radius wächst. Entsprechend wären die Temperaturunterschiede grösser und die Winde somit heftiger.

Allerdings darfst du auch nicht vergessen, dass Wasser für einen besseren Ausgleich sorgt als Land und es dann, wenn keine Landmasse an den Polen war auch keine Eiszeiten gab.

Die wahrscheinlich größten Stürme (Megamonsun) gab es jedenfalls in der Zeit, als der Kontrast zwischen Wasser und Land am größten war (Pangäa, Panthalassa).

[Liopleurodon]

Es gibt einen neuen Artikel zu Wasserplaneten mit ganz tiefen Ozeanen. Schon vorher war bekannt, dass es auf solchen Welten keinen Karbonat-Silikat-Zyklus geben kann; dieser endet auch auf anderen Welten, sobald die gesamte Oberfläche mit flüssigem Wasser bedeckt ist. Nun konnte man mit Klimamodellen jedoch zeigen, dass das Klima auf solchen Planeten fast nur vom atmosphärischen Kohlendioxid und der Kapazität des Ozeans, dieses zu lösen, bestimmt wird. Auf Ozeanplaneten könnte sich viel leichter ein eskalierender Treibhauseffekt entwickeln, der die Oberflächentemperaturen in lebensunverträgliche Höhen treibt und den ganzen Planeten in einen Dampfkessel verwandelt. Lebensfreundliche Bedingungen sind nicht grundsätzlich ausgeschlossen, unterliegen jedoch sehr viel stärkeren Einschränkungen als auf terrestrischen Planeten:

[1507.01727] The unstable CO2 feedback cycle on ocean planets

Ocean planets are volatile rich planets, not present in our Solar System, which are thought to be dominated by deep, global oceans. This results in the formation of high-pressure water ice, separating the planetary crust from the liquid ocean and, thus, also from the atmosphere. Therefore, instead of a carbonate-silicate cycle like on the Earth, the atmospheric carbon dioxide concentration is governed by the capability of the ocean to dissolve carbon dioxide (CO2).In our study, we focus on the CO2 cycle between the atmosphere and the ocean
which determines the atmospheric CO2 content. The atmospheric amount of CO2 is
a fundamental quantity for assessing the potential habitability of the planet's sur-
face because of its strong greenhouse eect, which determines the planetary surface temperature to a large degree. In contrast to the stabilising carbonate-silicate cycle regulating the long-term CO2 inventory of the Earth atmosphere, we nd that the CO2 cycle feedback on ocean planets is negative and has strong destabilising eects on the planetary climate. By using a chemistry model for oceanic CO2 dissolution and an atmospheric model for exoplanets, we show that the CO2 feedback cycle can severely limit the extension of the habitable zone for ocean planets.

[Sternenkreuzer]

Wenn ich das richtig verstehe, dann ist es für Leben auf einem Planeten grundsätzlich empfehlenswert, wenn es dort Landmassen und Wasser gibt. Gemischt, sozusagen.
Beides.

[xanrof]

Würde ich so nicht sagen. Auch in einem Dampfkessel könnte -theoretisch- Leben entstehen und sich halten. Siehe Black und White Smoker.

Allerdings würde ich vorsichtig vermuten, dass auf einem Wasserplaneten keine höheren Zivilisationen entstehen können. Unter Wasser oder in einer sehr feuchten Atmosphäre dürfte es schwer werden, Feuer u/o Elektrizität basierte Kulturen aufzubauen.

[Liopleurodon]

Würde ich so nicht sagen. Auch in einem Dampfkessel könnte -theoretisch- Leben entstehen und sich halten. Siehe Black und White Smoker.

Das ist ein bisschen kompliziert. An diesen Quellen strömt das Wasser zwar teilweise mit 300°C und mehr aus dem Boden, in diesen ganz heißen Zonen jedoch findet man keine Organismen. Größere Bakterienkolonien trifft man erst einige Zentimeter daneben an, in Zonen, in denen es deutlich kühler ist. Gerne um 80°C herum.

Es sind zwar schon Zellen bekannt, die auch bei Temperaturen um 121°C noch optimales Wachstum zeigen (Bedingungen, die denen im Inneren eines Dampfsterilisators entsprechen; https://en.wikipedia.org/wiki/Strain_121 ), jedoch kommt man da schon in den Temperaturbereich, in welchem die Biomoleküle an sich nachweisbar leiden. Bei 150°C z.B. verlieren die Nukleotide der DNA ihre Basen; dieser Effekt ist schon unterhalb von 100°C nachweisbar.

Berücksichtigt man, dass nach der oben genannten Studie die Wassertemperaturen auf solch einem Ozeanplaneten irgendwo zwischen 0°C und dem kritischen Punkt bei 374°C liegen können, so kann hier der Toleranzbereich selbst harter Organismen leicht überschritten werden.

Erschwerend kommt hinzu, dass sich bei diesen Planeten schon früh in der Entstehungsphase das Wasser vom Gestein getrennt haben soll. Der Boden der Ozeane bestünde aus Eis, silikatischen Boden fände man erst weitere 1.000 oder 3.000 Kilometer tiefer wieder. Schwarze Raucher werden derzeit als Modell für die Entstehung der ersten Organismen favorisiert, weil sie an ihren Oberflächen eine Anlagerung von Biomolekülen ermöglichen. Solche Strukturen gäbe es auf den tiefen Ozeanplaneten wahrscheinlich gar nicht.

[Spocky]

Es gibt einen neuen Artikel zu Wasserplaneten mit ganz tiefen Ozeanen. Schon vorher war bekannt, dass es auf solchen Welten keinen Karbonat-Silikat-Zyklus geben kann; dieser endet auch auf anderen Welten, sobald die gesamte Oberfläche mit flüssigem Wasser bedeckt ist. Nun konnte man mit Klimamodellen jedoch zeigen, dass das Klima auf solchen Planeten fast nur vom atmosphärischen Kohlendioxid und der Kapazität des Ozeans, dieses zu lösen, bestimmt wird. Auf Ozeanplaneten könnte sich viel leichter ein eskalierender Treibhauseffekt entwickeln, der die Oberflächentemperaturen in lebensunverträgliche Höhen treibt und den ganzen Planeten in einen Dampfkessel verwandelt. Lebensfreundliche Bedingungen sind nicht grundsätzlich ausgeschlossen, unterliegen jedoch sehr viel stärkeren Einschränkungen als auf terrestrischen Planeten:

[1507.01727] The unstable CO2 feedback cycle on ocean planets

Öhm, entschuldige bitte, auf welchem Planeten hat man denn das getestet?

Auf der Erde dauerte es auch lange Zeit, bis sich überhaupt kontinentale Kruste bilden konnte. Kein Mensch weiß, ob es zuvor schon Landmassen (über Wasser) gab oder nicht.

Der Artikel - soweit ich ihn lesen kann, scheint mir doch recht spekulativ.

Was man sagen kann ist, dass es ohne Wasser gar nicht geht, weil dann das Gestein bei den erreichbaren P-T-Bedingungen keine flüssige Phase ausbildet, aber ich wüsste nicht, wie man da eine Obergrenze für Wasser ermitteln wollte.

[Bynaus]

dieser endet auch auf anderen Welten, sobald die gesamte Oberfläche mit flüssigem Wasser bedeckt ist.

Das ist nicht korrekt: so lange es einen Kontakt zwischen Wasser und Gestein gibt, funktioniert der Kohlenstoff-Silikat-Zyklus auch ohne Landoberfläche.

Ein Problem ergibt sich erst dann, wenn der Ozean so tief wird, dass sich aufgrund des hohen Druckes am Boden Hochdruckeis (das dichter als Wasser ist) bildet. Dieses kann dann eine undurchlässige Schicht zwischen Gestein und Ozean bilden und so den Kohlenstoff-Silikat-Zyklus abwürgen. Dann hängt der CO2-Gehalt der Planetenatmosphäre nur noch von der Temperatur ab, was das Klima des Planeten über eine selbstverstärkende Rückkopplungsschleife (mehr CO2 -> wärmer -> mehr CO2 Ausgasung aus dem Ozean -> wärmer...) destabilisieren kann.

aber ich wüsste nicht, wie man da eine Obergrenze für Wasser ermitteln wollte.

Wenn sich Hochdruckeis am Boden des Ozeans bildet, ists zuviel. Das wird eine Funktion der Masse des Planeten und seines Wasseranteils sein. Wobei es natürlich auch hier bestimmte Feedback-Mechanismen geben könnte, die nicht untersucht wurden, z.B. wie der Druck am Boden des Ozeans mit dem Einbau von Wasser in abtauchende Platten zusammenhängt. Ein zu dicker Ozean würde dann einfach subduziert (so zumindest die Idee in dem Paper, das ich vor ein paar Jahren mal gelesen habe).

[Spocky]

Wenn sich Hochdruckeis am Boden des Ozeans bildet, ists zuviel. Das wird eine Funktion der Masse des Planeten und seines Wasseranteils sein. Wobei es natürlich auch hier bestimmte Feedback-Mechanismen geben könnte, die nicht untersucht wurden, z.B. wie der Druck am Boden des Ozeans mit dem Einbau von Wasser in abtauchende Platten zusammenhängt. Ein zu dicker Ozean würde dann einfach subduziert (so zumindest die Idee in dem Paper, das ich vor ein paar Jahren mal gelesen habe).

Das schon, aber das hatte sich zunächst nicht so gelesen, denn dann würden wir auf der Erde heute vielleicht auch ein Problem haben - oder besser gesagt gar keine mehr

[Liopleurodon]

Das ist nicht korrekt: so lange es einen Kontakt zwischen Wasser und Gestein gibt, funktioniert der Kohlenstoff-Silikat-Zyklus auch ohne Landoberfläche.

Ich suche das nochmal raus. Ich hatte einen relativ neuen Artikel gehabt, wo das explizit so behauptet wurde. Kann natürlich auch sein, dass die daneben gelegen haben. Schauen wir mal...

Ein zu dicker Ozean würde dann einfach subduziert (so zumindest die Idee in dem Paper, das ich vor ein paar Jahren mal gelesen habe).

Das ist natürlich auch interessant. Kannst Du Dich noch an die ungefähren Daten (des Titels) erinnern?

Öhm, entschuldige bitte, auf welchem Planeten hat man denn das getestet?

Auf der Erde dauerte es auch lange Zeit, bis sich überhaupt kontinentale Kruste bilden konnte. Kein Mensch weiß, ob es zuvor schon Landmassen (über Wasser) gab oder nicht.

Der Artikel - soweit ich ihn lesen kann, scheint mir doch recht spekulativ.

Was man sagen kann ist, dass es ohne Wasser gar nicht geht, weil dann das Gestein bei den erreichbaren P-T-Bedingungen keine flüssige Phase ausbildet, aber ich wüsste nicht, wie man da eine Obergrenze für Wasser ermitteln wollte.

Das sind natürlich alles Modellrechnungen. Die Dicke des Ozeans bzw. der Eisschicht ergibt sich nicht nur aus der reinen Wassermenge, sondern aus der vermuteten Entstehungsgeschichte des Planeten. Eis und Felsen sollen sich noch in der heißen Phase der Planetenbildung voneinander getrennt haben. Das Wasser kondensierte erst später aus der Dampfatmosphäre. Der Artikel bezieht sich auf Planeten mit 20-50% Massenanteil Wasser.

Die Phasenübergänge zu Eis VI und Eis VII lassen sich experimentell noch ermitteln. Die Bedingungen für Eis X kann man auch noch messen, auch wenn es da apparativ schon schwierig wird. Noch höhere Eisformen - bis hin zu Eis XVI inzwischen - lassen sich berechnen und können zumindest punktuell auch in Experimenten bestätigt werden. Die Nachbildung der immens hohen Drücke ist dabei das größte Problem.

[Bynaus]

@Liopleurodon: Ich hab die Publikation gefunden und sie schlägt gleich zwei Fliegen mit einer Klappe:

Water Cycling between Ocean and Mantle: Super-Earths Need Not Be Waterworlds

Zuerst mal hast du recht das man Kontinente für den Kohlenstoff-Silikat-Zyklus braucht weil dieser stark Temperaturabhängig ist und die Temperatur im Ozean nicht so empfindlich reagieren kann wie an Land.

"The silicate weathering thermostat requires exposed continents because their chemical weathering is strongly temperature-dependent"

Das Paper selbst handelt von dem von mir beschriebenen Effekt, der Wasser zwischen Oberfläche und Mantel verteilt, in einer Art und Weise, dass auch Supererden Kontinente haben könn(t)en.

- - - Aktualisiert - - -

Nachtrag: Gerade heute ist ein neuer Artikel zum Thema (im weiteren Sinn) auf Arxiv: http://arxiv.org/abs/1509.00427