Als habitable Zone (auch Lebenszone, bewohnbare Zone oder veraltet Ökosphäre) bezeichnet man im Allgemeinen den Abstandsbereich, in dem sich ein Planet von seinem Zentralgestirn befinden muss, damit Wasser dauerhaft in flüssiger Form als Voraussetzung für erdähnliches Leben auf der Oberfläche vorliegen kann.
Gelegentlich wird das Konzept einer Umgebung, in der Leben in bekannter oder ähnlicher Form möglich ist, auch auf andere Parameter als Klima und flüssiges Wasser ausgedehnt. So wird von einer UV-habitablen Zone gesprochen, in der die ultraviolette Strahlung der der (frühen) Erde entsprechen muss, oder von einer habitablen Zone einer Galaxie, in der sich bereits genügend schwere Elemente gebildet haben, aber andererseits nicht zu viele Supernova-Explosionen ereignen. Schließlich gibt es noch das Konzept des kosmischen habitablen Alters.
Im englischen Sprachraum wird die habitable Zone auch ‚‘ und zudem teilweise lehnübersetzt Goldlöckchen-ZoneStippvisite in der Goldlöckchen-Zone. Wissenschaft.de, 13. September 2012. genannt, nach dem Märchen Goldlöckchen und die drei Bären (), in dem das richtige Mittelmaß zwischen zwei Extremen eine Rolle spielt.
Das Vorkommen von Gesteinsplaneten in habitablen Zonen um sonnenähnliche Sterne wurde auf ~300 Mio. in der Milchstraße und ~4 innerhalb von 30 Lichtjahren geschätzt.Preprint, angenommen durch das The Astronomical Journal: Neben der relativen Entfernung von Planeten zu deren Sternen gibt es noch zahlreiche weitere Kriterien, die in der Diskussion um Außerirdisches Leben, Chemische Evolution und Panspermie eine Rolle spielen.
Begriffe Der Begriff der habitablen Zone geht zurück auf den Astronomen Su-Shu Huang und wurde Ende der 1950er geprägt.S. S. Huang: Occurrence of life in the universe. In: Amer. Scientist. 47, 1959, S. 397–402.S. S. Huang: Life outside the solar system. In: Scientific American. 202, 1960, S. 55–63.
Andererseits gilt Leben auch durchaus außerhalb der habitablen Zone als möglich, denn für Leben muss flüssiges Wasser nicht zwingend an der Oberfläche eines Planeten vorliegen, es kann beispielsweise auch tief unter der gefrorenen Oberfläche eines Eismonds sein, der sich weit außerhalb der habitablen Zone befindet. Insofern ist der Begriff der habitablen Zone auch dadurch irreführend, dass sein Konzept zu exklusiv ist.
Eine habitable Zone wurde auch schon als Ökosphäre bezeichnet. Der Ökosphäre-Begriff geht zurück auf Hubertus Strughold (1953/1955).H. Strughold: The Green and Red Planet. Albuquerque, 1953, S. 43.H. Strughold: The ecosphere of the Sun. In: Avia. Med. 26, 1955, S. 323–328. Doch in dieser Bedeutung wird Ökosphäre heute nicht mehr verwendet. Das liegt eben an der Begriffsalternative habitable Zone, die sich inzwischen durchgesetzt hat., ISBN 978-0-691-13805-3.
Zirkumstellare habitable Zonen Die klassische habitable Zone
mini|hochkant=2|Ein Beispiel eines Systems, basierend auf der stellaren Leuchtkraft für die Vorhersage der Lage der habitablen Zone um Typen von Sternen
Primär hängt die zirkumstellare habitable Zone (circumstellar habitable zone, CHZ) von der Temperatur und Leuchtkraft des Sterns ab, um den der Planet kreist. Nur innerhalb eines bestimmten Abstandbereichs liegt der Wert der Energie pro Flächeneinheit, die der Planet empfängt, in einem Bereich, der über die daraus resultierende Oberflächentemperatur für ausreichende Mengen flüssigen Wassers sorgt.
In einer sehr einfachen Betrachtung kann die habitable Zone demnach aus der Leuchtkraft des Sterns berechnet werden. Den Durchschnittsradius dieser Zone eines beliebigen Sternes kann man mit folgender Gleichung berechnen:
wobei ist der Durchschnittsradius der bewohnbaren Zone in AE, ist die bolometrische Leuchtkraft eines Sternes, und ist die bolometrische Leuchtkraft der Sonne.
Bei einem Stern mit 25 % Sonnenhelligkeit würde der Zentralbereich der habitablen Zone etwa 0,5 AE vom Stern entfernt sein, bei einem Stern doppelt so hell wie die Sonne wäre der Abstand 1,4 AE. Das ist das Ergebnis des Abstandsgesetzes der Lichthelligkeit. Der Zentralbereich der bewohnbaren Zone ist in diesem einfachen Modell so definiert, dass ein Exoplanet mit vergleichbarer Atmosphäre der Erde (Aufbau und Dichte) in etwa der globalen Durchschnittstemperatur der Erde entspricht, die Ränder entsprechen den Temperaturen, bei denen Wasser gefriert beziehungsweise siedet.
Darüber hinaus spielt aber auch die Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere die Albedo (das Rückstrahlvermögen) des Planeten, eine große Rolle. Moderne Berechnungen berücksichtigen auch die Entwicklung der Planetenatmosphäre, wie durch den atmosphärischen und teilweise rein chemischen Treibhauseffekt hervorgerufen.
1959 beschrieben die Physiker Philip Morrison und Giuseppe Cocconi diese Zone zum ersten Mal in einem SETI-Forschungsbericht. 1961 veröffentlichte Frank Drake die nach ihm benannte Drake-Gleichung.
Da sich sowohl der Stern als auch der Planet im Laufe der Zeit verändern, ändert sich auch die habitable Zone. Die Leuchtkraft eines Sterns nimmt im Laufe seiner Entwicklung zu. Damit sich Leben in einer Form wie auf der Erde auch auf einem anderen Planeten entwickeln kann, muss dieser sich nicht nur im richtigen Abstand befinden, sondern die Umstände dürfen sich auf entsprechend langen Zeitskalen auch nicht ändern. Der Planet muss sich die ganze Zeit innerhalb der habitablen Zone befinden, auch wenn diese sich langsam zu einem größeren Abstand vom Zentralstern verschiebt. Normalerweise nimmt man für diese Zeit einen Mindestzeitraum von 4 bis 6 Milliarden Jahren an. Will man den zeitlichen Aspekt hervorheben, spricht man auch von der kontinuierlichen habitablen Zone; meist meint man aber auch in der Kurzform „die kontinuierliche“.
Habitable Zone unter Berücksichtigung des planetaren Klimas
Das Konzept der CHZ wurde seit den oben skizzierten Anfängen durch Einbeziehung von Klimarechnungen, insbesondere des Treibhauseffekts durch Kohlendioxid, wesentlich verfeinert.
Der Treibhauseffekt auf einem unbelebten Gesteinsplaneten oder -mond in der habitablen Zone wird hauptsächlich durch den Carbonat-Silicat-Zyklus reguliert: Atmosphärisches CO2 regnet in Form von Kohlensäure auf das Gestein der Oberfläche, wo die Säure Silicat-Gesteine erodiert und der Kohlenstoff in Calcium-Silicat-Mineralen gebunden wird. Das kohlenstoffhaltige Gestein wird durch tektonische Vorgänge in die planetare Lithosphäre transportiert und dort zu Magma geschmolzen. Vulkanismus setzt den Kohlenstoff als CO2 wieder frei.
Der Zyklus ist selbstregulierend, da bei sinkenden Temperaturen die Regenmenge abnimmt, weshalb weniger Kohlenstoff aus der Atmosphäre entfernt wird als der Vulkanismus langfristig, also aufgrund des früheren Klimas, liefert. Dadurch wird der atmosphärische Kohlenstoff angereichert, der Treibhauseffekt steigt und wirkt der Abkühlung entgegen. Bei steigenden Temperaturen reguliert sich der Zyklus über eine zunehmende Regenmenge ebenfalls selbst zu einem niedrigeren Treibhauseffekt.
Die innere Grenze der CHZ kann durch einen sich selbst verstärkenden Treibhauseffekt definiert werden, in dessen Verlauf das Wasser des Planeten in den interplanetaren Weltraum entkommt, und somit die Regulation des Carbonat-Silicat-Zyklus außer Kraft setzt. Diese Grenze liegt im Sonnensystem bei etwa 0,95 AE. An der äußeren Grenze können selbst Wolken aus gefrorenem Kohlendioxid keinen ausreichenden Treibhauseffekt mehr bewirken. Die äußere Grenze der CHZ des Sonnensystems liegt, je nach Modell, bei 1,37 bis 2,4 AE.
Im Sonnensystem befindet sich nur die Erde klar innerhalb dieses Gürtels um die Sonne. Die Venus liegt am inneren Rand der Zone, der Merkur steht der Sonne zu nahe. Der Mars liegt je nach Modell noch knapp innerhalb der CHZ und könnte somit einen ausreichenden Treibhauseffekt gehabt haben. Allerdings ist der Planet zu klein, um eine Plattentektonik über Jahrmilliarden in Gang zu halten. Damit fiel nach dem Erstarren der marsianischen Lithosphäre ein wichtiges Element des nichtbiologischen Klimagleichgewichtes, der Vulkanismus innerhalb des Carbonat-Silicat-Zyklus, weg, und so konnte sich das Klima auf dem Mars nicht langfristig stabilisieren. Ein Planet von Erdmasse könnte somit im Abstand von Mars, abhängig von den Modellparametern, noch Leben beherbergen. In der Entfernung des Jupiters würde ein Planet unter keinen Umständen genug Strahlungsenergie erhalten, um Wasser schmelzen zu lassen.
Rasool und De Bergh (1970) konnten berechnen, dass auf der Erde ein galoppierender Treibhauseffekt einträte, wenn sie sich ca. 10 Millionen km näher an der Sonne befändeI. Rasool, C. De Bergh (1970): The Runaway Greenhouse and the Accumulation of CO2 in the Venus Atmosphere. Nature. 226 (5250): 1037–1039, doi:10.1038/2261037a0. (also ca. 7 % näher). Umstritten ist, ob im Rahmen des Klimawandels auf der Erde ein solcher Treibhauseffekt eintreten könnte, der, ähnlich wie dies für die Venus angenommen wird, zu einer vollständigen Verdunstung aller Wasserozeane führen würde. Inwiefern die Position eines Planeten in einer habitablen Zone daher wirklich zu einer theoretischen Bewohnbarkeit führt, hängt somit vom aktuellen Zustand des Klimasystems des Planeten ab und kann sich im Zeitverlauf durch einen Regimewechsel des Systems ändern.
Schätzungen für das Sonnensystem
mini|Zweidimensionales inneres Sonnensystem mit den planetaren Orbits, überlagert mit der geschätzten minimalen (dunkelgrün) und maximalen (hellgrün) Ausdehnung der für das Sonnensystem vorhergesagten habitablen Zone
Schätzungen für die habitable Zone im Sonnensystem reichen von 0,725 bis 3,0 Astronomische Einheiten, basierend auf verschiedenen wissenschaftlichen Modellen:
Innere Grenze Äußere Grenze Referenz Anmerkung 0,725 AU 1,24 AU Dole 1964Asimov Dole: Planets for Man. 1964 (PDF; 7,43 MB). Die Studie nutzte optisch ausgedünnte Atmosphären und feste Albedos. 0,95 AU 1,01 AU Hart u. a. 1978, 1979Hart u. a.: Icarus. Vol. 37, 1978, 1979, S. 351–335. Sterne der Klasse K0 oder später können keine habitable Zone haben. 0,95 AU 3,0 AU Fogg 1992Fogg 1992. Fogg nutzte Kohlenstoff-Zyklen. 0,95 AU 1,37 AU Kasting u. a. 1993Kasting u. a.: Icarus. 101, 1993, S. 108–128. – 1 % … 2 % weiter außen Budyko 1969„… and Earth would have global glaciation.“ Budyko, 1969. … und die Erde wäre weltweit vergletschert. – 1 % … 2 % weiter außen Sellers 1969„… and Earth would have global glaciation.“ Sellers, 1969. … und die Erde wäre weltweit vergletschert. – 1 % … 2 % weiter außen North 1975„… and Earth would have global glaciation.“ North, 1975. … und die Erde wäre weltweit vergletschert. 4 % … 7 % näher – Rasool & DeBurgh 1970„… and oceans would never have condensed.“ Rasool & DeBurgh, 1970. … und die Ozeane wären nie auskondensiert. – – Schneider and Thompson 1980Schneider and Thompson, 1980. Dem widersprach Hart. – – Kasting 1991Kasting, 1991. – – Kasting 1988Kasting, 1988. Wasserwolken können die habitable Zone verkleinern, soweit sie dem Treibhauseffekt mit höheren Albedos entgegenwirken. – – Ramanathan and Collins 1991„IR trapping is greater than water cloud albedo cooling, and Venus would have to have started ‘dry’.“ Ramanathan and Collins, 1991. Treibhauseffekt: Der Einschluss von Infrarotstrahlung ist größer als der Kühleffekt von Wasser und Albedo, und Venus hätte „trocken“ beginnen müssen. – – Lovelock 1991Lovelock, 1991. – – Whitemire u. a. 1991Whitemire u. a., 1991.
Beispiele habitabler Zonen von Sternen der Hauptreihe:James F. Kasting: Bei: astro.berkeley.edu. (PDF; 1,1 MB), abgerufen am 19. Juli 2011. Spektralklasse in AUArnold Hanslmeier: Habitability and cosmic catastrophes. Springer, Berlin 2009, ISBN 978-3-540-76944-6, Table 3.4., S. 62. O6V 450–900 B5V 20–40 A5V 2,6–5,2 F5V 1,3–2,5 G5V 0,7–1,4 K5V 0,3–0,5 M5V 0,07–0,15
Habitable Zonen um andere als sonnenähnliche Sterne Rote Zwerge