In spätestens fünf Milliarden Jahren wird unsere Sonne zu einem roten Riesen, der die Erde überhitzen oder sogar verschlucken wird. Wohin könnte eine menschliche Zivilisation dann ausweichen?
Die Erde ist eine Seltenheit im Universum. Sie ist ein Gesteinsplanet mit reichlich flüssigem Wasser und einer lebensfreundlichen Atmosphäre, die von einem globalen Magnetfeld geschützt wird. Sie umkreist im richtigen Abstand - in der habitablen Zone - die Sonne, einen relativ stabilen Stern des Spektraltypen G. Der Erde und unserer Sonne verdanken wir unser Leben.
Doch unsere paradiesischen Zustände werden nicht ewig anhalten. In etwa fünf Milliarden Jahren wird sich unsere Sonne zu einem roten Riesen transformieren, sich dabei auf das Hundert- bis Tausendfache ihrer jetzigen Größe aufblähen und dabei die Planeten Merkur, Venus und vielleicht auch die Erde verschlucken. Selbst wenn die Erde ihre Umlaufbahn halten sollte, so wird es auf unserem Planeten unvorstellbar heiß werden.
Die Ozeane werden verdampfen, die Sonnenstrahlung wird die Wassermoleküle zerstören und der freiwerdende Wasserstoff wird ins All entweichen. Aus unserem blauen Planeten wird ein trockener, heißer Gesteinsplanet werden, wobei es sogar so heiß werden könnte, dass das Gestein zu Lava schmilzt. Ein Leben auf der Erde wird nicht mehr möglich sein. Rund eine Milliarde Jahre später wird unsere Sonne zum weißen Zwerg - und unser gesamtes Sonnensystem wird wegen der Kälte unbewohnbar.
Doch schon lange davor, nämlich in etwa einer Milliarde Jahren, wird es auf weiten Teilen der Erde für menschliches Leben unter natürlichen Bedingungen zu heiß werden. Welche Folgen wird dies für die Erde und das Leben auf unserem Heimatplaneten haben? Wo könnte die Menschheit beziehungsweise wie könnten unsere evolutionären und kulturellen Nachfahren eine neue Heimat finden?
Warum die Sonne in 5 Milliarden Jahren ein roter Riese wird
Unsere Sonne ist rund 4,6 Milliarden Jahre alt. Sie besteht zu etwa 92 Prozent aus Wasserstoff und rund 8 Prozent Helium. Der Wasserstoff wird durch Kernfusion im Kern der Sonne in Helium umgewandelt, wobei Energie freigesetzt wird. Wenn die Wasserstoffreserven zur Neige gehen beziehungsweise seine Menge zu klein wird, um die Kernfusion im Kern der Sonne aufrechtzuerhalten, verlässt die Sonne die sogenannte Hauptsequenz von Sternen und wird zum roten Riesen, bei dem die Wasserstofffusion nicht mehr im Kern sondern in einer Schale außerhalb des Kerns stattfindet. Der Radius der Sonne nimmt stark zu.
Aktuell ist die Sonne noch in der Mitte ihrer Lebensdauer auf der Hauptreihe (Main Sequence). Sterne auf der Hauptreihe haben die Eigenschaft, dass ihre Wasserstofffusion im Kern der Sterne stattfindet. Je größer die Masse eines Sterns ist, desto schneller verlässt er die Hauptreihe, weil bei größerer Masse auch die Dichte und Temperatur im Kern höher sind und somit die Intensität der Wasserstofffusion größer ist.
Man kann sich das in etwa so vorstellen: Je höher die Dichte und Temperatur sind, umso schneller und dichter beieinander bewegen sich Wasserstoffionen in einem Raum und umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie innerhalb einer Zeiteinheit miteinander kollidieren und zu Helium fusionieren. Unsere Sonne hat eine Verweildauer von etwa 10 Milliarden Jahren auf der Hauptreihe. In etwa 5 Milliarden Jahren werden also ihre Wasserstoffreserven zur Neige gehen, sie wird die Hauptreihe verlassen und sich zu einem roten Riesen aufblähen.
Wir wissen das, weil wir die Masse der Sonne ziemlich genau kennen und durch Beobachtungen anderer Sterne und rechnerische Simulationen vorhersagen können, wann in etwa ein Stern die Hauptreihe verlassen wird. Sterne, die mindestens etwa eineinhalb Mal massereicher als die Sonne sind, gehen einen anderen Weg: Sie explodieren und werden zu einer sogenannten Supernova. Sterne wie unsere Sonne, mit einer nicht so großen Masse, werden zu einem roten Riesen.
Spürbar werden die Veränderungen der Sonne auf unserer Erde nicht erst in 5 Milliarden Jahren: Betrachten wir zunächst die "nahe" Zukunft.
Nach und nach wird es auf der Erde immer heißer
In etwa einer Milliarde Jahre wird die Sonnenstrahlung auf der Erde um rund 8 Prozent zugenommen haben. Ausgerechnet hat das Icko Iben, ein Astronom und Professor mit dem Schwerpunkt Stellar Evolution Physics vom Massachusetts Institute of Technology, schon im Jahre 1967. Die National Academy of Science wiederum hat 1994 herausgefunden, dass eine Erhöhung der Sonnenintensität von 0,1 Prozent die Durchschnitttemperatur auf der Erde um etwa 0,2 Prozent steigen lässt.
Das bedeutet: In einer Milliarde Jahre wird es auf der Erde durchschnittlich um 16 Grad Celsius heißer sein als jetzt, wie in einem Artikel bei astronomycafe.net berichtet wird, der sich auf die zwei oben genannten Studien bezieht und die sich daraus ergebenden Folgen auf das Erdklima verdeutlicht.
Ganz genau ist diese Aussage nicht, weil auch andere Effekte eine Rolle spielen, wie der in Medien oft diskutierte Treibhauseffekt der Atmosphäre und der sogenannte Albedo-Effekt, der von der Reflexion der Sonnenstrahlen durch bestimmte Moleküle in der Atmosphäre oder der Beschaffenheit der Erdoberfläche abhängt.
Aber gehen wir einmal von etwa 16 Grad Temperaturerhöhung in einer Milliarde Jahren aus: Was wird dann aus den Menschen oder ihren evolutionären Nachfolgern, falls sich die Menschheit nicht schon vorher selbst vernichtet hat oder von einem anderen katastrophalen Ereignis wie einem großen Asteroideneinschlag ausgelöscht wurde?
Vergleichen wir diese Erderwärmung, verursacht durch die Zunahme der Sonnenstrahlung auf der Erde, mit der von Menschen geschaffenen Erderwärmung: Die globale Oberflächentemperatur auf der Erde beträgt etwa 15 Grad Celsius. Seit 1880 hat sie um etwas mehr als ein Grad Celsius zugenommen.
Man vermutet, dass die Erwärmung größtenteils an den von Menschen verursachten Treibhauseffekten liegt, die wiederum Folge der industriellen Revolution und des Verbrennens von fossilen Energieträgern ist. Diese Erderwärmung ist besorgniserregend, weil sie relativ schnell erfolgt ist.
Langfristig betrachtet gab es zwar immer wieder Klimaveränderungen, aber die meisten erfolgten langsamer. Zwar ist eine Temperaturerhöhung um 1 Grad Celsius nicht bedrohlich für das Leben auf dem gesamten Planeten - und selbst eine Erhöhung um ein paar Grad wäre es nicht: Manche Regionen werden für Menschen weniger lebensfreundlich, manche werden kaum betroffen sein und manche werden sogar lebensfreundlicher werden. Jedoch kann eine Erderwärmung um ein paar Grad Celsius katastrophale Folgen auf manche von Menschen besiedelte Erdregionen haben.
Durch das Schmelzen der Gletscher und der Eisdecken der Antarktis steigt der Meeresspiegel, was die Existenz von Küstenstädten oder ganzen Ländern bedroht. Länder und politische Grenzen verhindern oder erschweren es, aus vom Klimawandel negativ betroffenen Gebieten in nicht betroffene oder gar profitierende Gebiete umzusiedeln. Deshalb kann ein globaler Klimawandel zu sozialen und politischen Konflikten bis hin zu kriegerischen Auseinandersetzungen führen.
Die Menschheit kann gegen diesen selbstgemachten Klimawandel etwas unternehmen oder sich daran anpassen, zum Beispiel:
- Verringerung der Produktion von Treibhausgasen
- Bindung von Treibhausgasen aus der Atmosphäre und ihre Lagerung in der Erde
- Erhöhung des Albedo durch den Einsatz entsprechender Moleküle in der Atmosphäre oder in den Ozeanen oder durch die Erhöhung des Albedo der Erdoberfläche
- Umsiedlung von durch den Klimawandel negativ betroffenen Menschen
- finanzielle Unterstützung von durch den Klimawandel negativ betroffenen Regionen und Einwohnern.
Viele Regionen werden unbewohnbar
Im Gegensatz zu der menschengemachten Klimaerwärmung ist gegen die Erderwärmung aufgrund der Zunahme der Sonnenstrahlung wenig zu machen. Eine Temperaturerhöhung um 16 Grad Celsius würde bedeuten, dass die mittlere globale Temperatur von derzeit 15 auf 31 Grad Celsius steigen würde.
Eine derart hohe Temperatur gab es nicht einmal vor 500 Millionen Jahren in der sehr warmen Kambrium-Zeit. Zwar ist diese Epoche für die Explosion von Leben auf der Erde bekannt, allerdings war selbst damals die Durchschnittstemperatur nur um etwa 7 Grad höher als heute und größere Tiere lebten ausschließlich im Wasser.
Eine Temperaturerhöhung von 16 Grad hätte zur Folge, dass Regionen in Äquatornähe für menschliches Leben nicht mehr geeignet wären. Die Menschen dort müssten in höhere Breitengrade auswandern oder, falls doch in heißen Regionen gesiedelt würde, unterirdische Behausungen bauen und tagsüber Spaziergänge nur mit spezieller Ausrüstung unternehmen. Der Meeresspiegel würde steigen, weil viel Eis von Antarctica und Grönland schmelzen würde. Früher oder später würde sogar alles Eis auf den Landmassen schmelzen. Allein das Schmelzen der Gletscher von Antarctica würde den Meeresspiegel um etwa 60 Meter erhöhen. Welche Folgen das auf die menschlichen Besiedlungsregionen hätte, kann man auf der Floodmap simulieren.
Weite Teile Norddeutschlands inklusive Hamburg, Bremen und Berlin würden vom Meer verschlungen. Ähnlich wäre es auch mit London und den Ballungsgebieten im Großraum Tokyo. Allein in Letzterem leben aktuell etwa 30 bis 40 Millionen Menschen. Natürlich wird es diese Städte dann ohnehin nicht mehr geben.
Kontinente werden nicht mehr existieren
Diese Beispiele dienen nur dazu, sich die Folgen einer Erhöhung des Meeresspiegels auf unserer heutigen Erde vorstellen zu können. Allerdings wird die Erde in einer Milliarde Jahren ohnehin ganz anders aussehen. Durch tektonische Aktivitäten und Bewegungen der Kontinentalplatten werden die Kontinente, wie wir sie heute kennen, in der Form nicht mehr existieren.
In den nächsten paar Hundert Millionen Jahren wird sich vermutlich ein Superkontinent bilden, der aus allen oder den meisten bisherigen Kontinenten besteht. Über sein Aussehen wird noch diskutiert. Es gibt mehrere Modelle, die von verschiedenen Wissenschaftlern und Forschungsinstituten erstellt wurden.
Je nach Modell wird der neue Superkontinent beispielsweise Pangea Ultima, Novopangea, Aurica oder Amasia genannt. Einen ausführlichen Artikel zu diesem Thema findet man beim Discover Magazine. Allein schon die Entstehung eines Superkontinents wird das lokale Klima vieler Regionen sehr stark beeinflussen, weil in großen Gebieten Kontinentalklima herrschen wird und so große, niederschlagsarme Gebiete existieren werden, die Wüsten sein könnten.
In fünf Milliarden Jahren ist Schluss auf der Erde
Doch selbst wenn die Menschheit oder ihre evolutionären Nachfolger es mittels technischer Mittel schaffen sollten, in einer Milliarde Jahre noch eine Zivilisation auf der Erde zu haben, so wird dies in etwa 5 Milliarden Jahren nicht mehr möglich sein. Die Erde wird dann nicht mehr nur unangenehm heiß sein, sondern von der Sonne verschluckt oder verbrannt werden.
Jegliche Bauwerke, seien sie technologisch noch so innovativ, werden dem Inferno nicht standhalten. Der Menschheit beziehungsweise ihren evolutionären Nachfolgern bleibt nur eine Alternative: die Erde zu verlassen und neue Heimatwelten suchen.
Mit etwas Glück wären die neuen Welten nicht fern.
Das Sonnensystem besteht aus acht Planeten (Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun), fünf Zwergplaneten (Ceres, Pluto, Haumea, Makemake, Eris) - wobei es vermutlich noch viele weitere, bisher unentdeckte Zwergplaneten gibt - und einer Vielzahl von Monden, die sich in orbitalen Bahnen mancher der Planeten befinden.
Merkur und Venus sind mit 0,4 und 0,7 AE der Sonne näher als die Erde und somit keine Option. AE ist die Abkürzung für Astronomische Einheit, eine Entfernungsgröße in der Astronomie, wobei 1 AE der mittleren Entfernung zwischen der Sonne und der Erde entspricht. Für eine gewisse Zeit wäre der Mars bewohnbar
Der Mars wird für eine Weile angenehm warm
Der Mars ist schon interessanter. Er ist, wie die Erde, ein Gesteinsplanet und mit einer Entfernung von etwa 1,5 Astronomischen Einheiten (AE) etwa eineinhalbmal weiter als die Erde von der Sonne entfernt. Der Mars hat auch einige wichtige Rohstoffe: Er verfügt unter anderem über Wassereis sowie Eisenvorkommen.
Aktuell ist er zu kalt: Seine durchschnittliche Oberflächentemperatur beträgt etwa -60 Grad Celsius. Während der Zunahme der Sonnenintensität wird es aber einen Zeitraum geben, in dem es auf dem Mars angenehm warm sein wird. Das Wassereis wird schmelzen und es werden sich Ozeane bilden. Für diese begrenzte Zeit wird der Mars bewohnbar sein, wenn auch nur dank des Einsatzes von Technologie.
Der Mars hat eine kleinere Masse als die Erde, eine geringere Anziehungskraft und somit nur etwa vier Zehntel der Fallbeschleunigung auf der Oberfläche. Er verfügt, im Gegensatz zur Erde, über kein globales Magnetfeld, das den Mars und seine Atmosphäre vor dem Sonnenwind schützen könnte.
Wieso der Mars kein globales Magnetfeld hat, ist noch nicht gänzlich geklärt. Man vermutet, dass auf der Erde das globale Magnetfeld dadurch entsteht, dass flüssiges Eisen im äußeren Kern um einen soliden inneren Kern fließt und so ein Magnetfeld aufbaut wird - ähnlich wie ein Dynamo. Eine Theorie ist, dass wegen seiner geringen Masse das Innere vom Mars schon vor langem abgekühlt ist und der innere Dynamo zu funktionieren aufgehört hat, weil der äußere Kern abgekühlt ist und fest (solide) wurde. Außerdem wird wegen seiner geringen Masse zu wenig Druck auf den inneren Kern ausgeübt, so dass er nicht fest (solide) wurde.
Wegen des fehlenden globalen Magnetfelds wird der Mars eine dichte Atmosphäre nicht halten können. Seine Atmosphäre wird in das Weltall entweichen. Jedoch wäre es möglich, in luftdichten Bauwerken wie Kuppeln zu wohnen und Landwirtschaft zu betreiben. Es gäbe genug Sonnenlicht, Wasser und planetare Rohstoffe für die Industrie und die Landwirtschaft.
Jedoch wird es auf lange Sicht auch auf dem Mars zu heiß werden. Die Sonne wird als roter Riese den Mars zwar vermutlich nicht verschlucken, aber überhitzen. Die habitable Zone, also jene Entfernungsbandbreite von der Sonne, bei der die Temperaturen Wasser im flüssigen Aggregatszustand ermöglichen, wird weiter nach außen verlagert werden.
Jupiters Monde könnten ein Zufluchtsort sein
Als nächste kommen die Planeten Jupiter und Saturn mit Entfernungen von 5,2 AE und 9,5 AE von der Sonne in Betracht.
Sie sind die zwei größten Gasriesen in unserem Sonnensystem, haben keine feste Oberfläche und sind zum Kolonisieren somit nicht geeignet. Jedoch haben beide Planeten eine große Anzahl von Monden, von denen einige durchaus interessante Heimatwelten werden könnten.
Von Jupiters Monden sind Ganymed und Europa vielversprechend. Ganymed ist der größte Mond des Sonnensystems. Er hat einen Radius von etwa vier Zehnteln des Radius der Erde und ist somit ein wenig größer als der Planet Merkur. Unter einer Eisschicht wird ein riesiger Ozean vermutet, der möglicherweise mehr Wasser enthält als alle Ozeane der Erde zusammen. Auch der Mond Europa, der immerhin etwa ein Viertel des Erdradius hat, verbirgt vermutlich einen riesigen Ozean unter einer dicken Eisschicht. Man schätzt eine Eisdicke von 10 bis 100 km.
Wenn die Sonne größer und die habitable Zone nach außen verlagert wird, könnten diese zwei Monde relativ gute Lebensbedingungen bieten. Während auf der Erde ein Inferno herrscht, alles Wasser schon längst verdampft und die meiste Atmosphäre ins All entwichen ist, könnten vergleichsweise paradiesische Zustände auf den zwei Monden existieren.
Ein warmer Mond mit Aussicht auf den Saturn - traumhaft, oder?
Eine andersartige Alternative könnte der Saturnmond Titan sein. Er ist aktuell der Mond mit der dichtesten Atmosphäre im Sonnensystem. Seine Atmosphäre ist dichter als die der Erde. Auf seiner Oberfläche beträgt der atmosphärische Druck etwa 1,5 bar.
Titans Atmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff (mindestens 97 Prozent), Methan (bis zu 3 Prozent) sowie kleinen Mengen an Argon, Wasserstoff und anderen Molekülen. Was ihn darüber hinaus besonders macht, sind sein Wetter und seine Seen: Er ist neben der Erde das einzige Objekt im Sonnensystem, auf dem man größere Seenbildung beobachten konnte. Seine Seen bestehen nicht aus Wasser, sondern aus Kohlenwasserstoffverbindungen wie Ethan (C2H6), Propan (C3H8) und Methan (CH4), die aufgrund der niedrigen Temperaturen flüssig werden und Seen bilden können.
Titan hat eine durchschnittliche Oberflächentemperatur von etwa -180 Grad Celsius, wobei die Temperaturen auch Minimalwerte von etwa -200 Grad Celsius erreichen können. Seine Oberfläche besteht aus Gestein und Wassereis. Unter der Oberfläche existiert möglicherweise sogar flüssiges Wasser. Wenn die habitable Zone wegen der größer werdenden Sonne den Titan erreicht, hätte man einen warmen Mond mit einer dichten Atmosphäre, flüssigem Wasser und einer schönen Aussicht auf den Saturn. Traumhaft, oder?
Leider wird der Saturnmond Titan nicht ewig warm bleiben. Nachdem die Sonne zum roten Riesen geworden ist, wird sie in diesem Zustand nur etwa eine Milliarde Jahre verweilen. Danach wird sie zu einem weißen Zwerg schrumpfen und unsere neuen Heimatwelten im Orbit von Jupiter und Saturn werden wieder eiskalt werden - sogar noch kälter, als sie es jetzt sind.
Als weißer Zwerg wird die Sonne in etwa den Durchmesser der Erde haben. Das ist nur noch etwa ein Hundertstel ihres jetzigen Durchmessers und nur noch etwa 0,01 bis 0,1 Promille ihres Durchmessers während ihres Zustands als roter Riese.
Ihre Wasserstoffreserven werden erschöpft sein und ihre Leuchtkraft wird wegen ihrer kleinen Oberfläche abnehmen. Weil die Sonne so klein und dicht sein wird, wird auch ihre Temperatur sehr hoch sein und sie wird noch viele Milliarden Jahre weiter leuchten. Jedoch wird die habitable Zone sehr schmal sein und sehr nahe an der Sonne liegen - und zwar näher als der heutige Orbit des Planeten Merkur, den es dann ja gar nicht mehr geben wird.
Es wird vermutlich keine Planeten in der habitablen Zone des weißen Zwergs geben. Die verbleibenden Planeten, also eventuell die verbrannte Erde und wahrscheinlich Mars und die äußeren Planeten, werden außerhalb dieser Zone liegen und finstere Eiswelten sein. Es ist zwar vorstellbar, dass ein Nomadenplanet, also ein Planet, der von außerhalb des Sonnensystems geflogen kommt und von dem weißen Zwerg gravitativ eingefangen wird, zufällig einen Orbit in der neuen habitablen Zone einnehmen könnte, aber die Wahrscheinlichkeit, dass das passiert, ist sehr klein.
Welche Sternensysteme kommen als Heimat infrage?
Die Menschheit beziehungsweise ihre Nachfahren werden vermutlich neue Heimatwelten in anderen Sternensystemen suchen. In Frage kommen Sternensysteme mit Sternen von den spektralen Typen G (gelbe Sterne wie unsere Sonne), K (orange Sterne, die etwas massenärmer und kühler als die Sonne sind) und vielleicht auch M (rote Zwerge, das sind kleine, massenarme, relativ kühle Sterne).
Sterne vom Typ G wie unsere Sonne haben relativ breite habitable Zonen. Bei Sternen der Typen K und M sind die habitablen Zonen schmaler, jedoch haben diese Sterne eine höhere Lebenserwartung, so dass Planeten möglicherweise über längere Zeiträume bewohnbar bleiben können, als dies bei der Erde der Fall ist.
Je kleiner die Masse eines Sterns ist, desto länger halten seine Wasserstoffreserven und desto höher ist seine Lebenserwartung. Große, massereiche Sterne wie blaue Riesen haben ein kurzes und wildes Leben, das mit einer Supernova-Explosion endet - beziehungsweise sie existieren danach weiter als Neutronensterne oder schwarze Löcher.
Die künftige Heimat ist vielleicht schon in Sicht
Dagegen haben Sterne mit einer geringen Masse ein langes und ruhiges Leben. Rote Zwerge können Hundert Milliarden Jahre, vielleicht sogar Billionen von Jahren Wasserstofffusion betreiben. Deshalb ist es vorstellbar, dass in ihren habitablen Zonen Planeten existieren könnten, die Leben für unvorstellbar lange Zeiten ermöglichen. Dort könnten sich Zivilisationen aufbauen, die länger als die Erde existieren würden.
Zudem sind rote Zwerge der mit Abstand häufigste Sternentyp in unserer Galaxie. Mehr als die Hälfte aller Sterne in unserer Galaxie sind vom Typ M, also kleiner als die Sonne. Die Sonne ist, verglichen mit zum Beispiel blauen Riesen, tatsächlich ein kleiner Stern, aber dennoch überdurchschnittlich groß, wenn man die Sonne mit der Grundgesamtheit aller Sterne vergleicht.
Es gibt somit mehrere Dutzend Milliarden roter Zwerge allein in unserer Milchstraße. Solche Sterne des Typs K (orange Sterne) und M (rote Zwerge) haben eine hohe Lebenserwartung. Vielleicht sehen wir also heute schon am Nachthimmel unser zukünftiges Heimatsternensystem.
Miroslav Stimac ist Informatiker, promovierter Wirtschaftswissenschaftler und aktuell Teilzeitstudent der Astronomie. Er arbeitet seit 2004 als Entwickler mit branchenübergreifender Projekterfahrung, hauptsächlich in Business Intelligence, Data Science und Statistik. Seine fachlichen Interessenschwerpunkte sind Astronomie, Japanologie, Konsumforschung und Robotik.
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