Habitable Zone ? UE zu Habitable Planeten Präsentation 1. Juni 2006 Eisenkölbl, Grohs, Hren, Lendl Venus 1. Raumsonden zur Venus Überblick

• Raumfahrt zur Venus – Allgemeines – Beweggründe – Technische Hintergründe

• Venus – Missionen – Zeittafel und Überblick – erfolgreiche Missionen – Zukünftige Missionen Raumfahrt zur Venus Allgemeines

• Venus ist der meistbesuchte Planet in unserem Sonnensystem. (~ 25 erfolgreiche Missionen von 44) • Heutige Daten der Venus sind ein Ergebnis der zahlreichen Raummissionen Raumfahrt zur Venus Beweggründe

• Dichte Wolkendecke – keine Beobachtungsmöglichkeit von der Erde aus im sichtbaren Licht • Vorstellung von Leben auf Venus • Suche nach habitabler Zone • Ressourcensuche Raumfahrt zur Venus technische Hintergründe

• Venus ist der Planet mit der geringsten Entfernung von der Erde – Minimum 38.2 x 106 km – Maximum 261.0 x 106 km • Sonden leisten Pionierarbeit – Erprobung von Raumsonden • Technik • Material • Bauart Raumfahrt zur Venus – Zeittafel 1 (1961-1967)

1961 Sputnik 7 - 4 February 1961 - Attempted Venus Impact 1 - 12 February 1961 - Venus Flyby (Contact Lost) 1962 - 22 July 1962 - Attempted Venus Flyby (Launch Failure) Sputnik 19 - 25 August 1962 - Attempted Venus Flyby - 27 August 1962 - Venus Flyby Sputnik 20 - 1 September 1962 - Attempted Venus Flyby Sputnik 21 - 12 September 1962 - Attempted Venus Flyby 1963 Cosmos 21 - 11 November 1963 - Attempted Venera Test Flight? 1964 Venera 1964A - 19 February 1964 - Attempted Venus Flyby (Launch Failure) Venera 1964B - 1 March 1964 - Attempted Venus Flyby (Launch Failure) Cosmos 27 - 27 March 1964 - Attempted Venus Flyby Zond 1 - 2 April 1964 - Venus Flyby (Contact Lost) 1965 - 12 November 1965 - Venus Flyby (Contact Lost) - 16 November 1965 - Venus Lander (Contact Lost) Cosmos 96 - 23 November 1965 - Attempted Venus Lander? Venera 1965A - 23 November 1965 - Attempted Venus Flyby (Launch Failure) 1966 - 10 January 1969 - Venus Probe 1967 - 12 June 1967 - Venus Probe - 14 June 1967 - Venus Flyby Cosmos 167 - 17 June 1967 - Attempted Venus Probe Raumfahrt zur Venus – Zeittafel 2 (1968-1980)

1968 1969 Venera 5 - 5 January 1969 - Venus Probe Venera 6 - 10 January 1969 - Venus Probe 1970 Venera 7 - 17 August 1970 - Venus Lander Cosmos 359 - 22 August 1970 - Attempted Venus Probe 1971 1972 - 27 March 1972 - Venus Probe Cosmos 482 - 31 March 1972 - Attempted Venus Probe 1973 - 4 November 1973 - Venus/Mercury Flybys 1974 1975 - 8 June 1975 - Venus Orbiter and Lander Venera 10 - 14 June 1975 - Venus Orbiter and Lander 1976 1977 1978 Pioneer Venus 1 - 20 May 1978 - Venus Orbiter Pioneer Venus 2 - 8 August 1978 - Venus Probes - 9 September 1978 - Venus Orbiter and Lander - 14 September 1978 - Venus Orbiter and Lander 1979 1980 Raumfahrt zur Venus – Zeittafel 3 (1981-1996)

1981 - 30 October 1981 - Venus Orbiter and Lander - 4 November 1981 - Venus Orbiter and Lander 1982 1983 - 2 June 1983 - Venus Orbiter Venera 16 - 7 June 1983 - Venus Orbiter 1984 - 15 December 1984 - Venus Lander and Balloon/Comet Halley Flyby - 21 December 1984 - Venus Lander and Balloon/Comet Halley Flyby 1985 1986 1987 1988 1989 - 4 May 1989 - Venus Orbiter - 18 October 1989 - Jupiter Orbiter/Probe (Venus Flyby) 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 Raumfahrt zur Venus – Zeittafel 4 (1997-2010)

1997 Cassini - 15 October 1997 - Saturn Orbiter (Venus Flyby) 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 MESSENGER - 3 August 2004 - Mercury Orbiter (Two Venus Flybys) 2005 - 09 November 2005 - ESA Venus Orbiter 2006 2007 2008 Planet-C - Early 2008 - ISAS Venus Orbiter 2009 BepiColombo - August 2009 - ESA Mercury Orbiters and Lander (possible Venus flybys) 2010 Überblick erfolgreicher Venus – Missionen

Mariner Venera Pioneer Venus Vega Magellan Galileio Cassini Huygens Venus Express Erfolgreiche Venus-Missionen Teil 1

Name Owner Start Art der Sonde Zieldatum Mariner 2 NASA 27.08.1962 Flyby 14.12.1962 Venera 3 UdSSR 16.11.1965 Lander 01.03.1966 Venera 4 UdSSR 12.06.1967 Descent Probe 18.10.1967 Mariner 5 NASA 14.06.1967 Flyby 19.10.1967 Venera 5 UdSSR 05.01.1969 Descent Probe 16.05.1969 Venera 6 UdSSR 10.01.1969 Descent Probe 15.05.1969 Venera 7 UdSSR 17.08.1970 Descent Probe 15.12.1970 + Lander Venera 8 UdSSR 27.03.1972 Descent Probe 22.07.1972 + Lander Mariner 10 NASA 03.11.1973 Flyby 05.02.1974 Venus – Missionen Mariner 2

1962 Passage in 34.833 km Distanz

Start: 27.08.1962 Ankunft: 14.12.1962 • Messungen: • Strahlungstemperatur • Magnetfeld • Atmosphäre • Wolkenbedeckung Venus – Missionen Venera 3

1966 Impakt auf Venus

Start: 16.11.1965 Ankunft: 01.03.1966

• Erstes Raumschiff, dass Impakt auf fremden Planeten durchführt Venus – Missionen Venera 4

1967 Messung der Venusatmosphäre

Start: 12.06.1967 Ankunft: 18.10.1967 • Erste funktionierende Raumsonde • Messungen: • Druck • Temperatur • Zusammensetzung der Atmosphäre Venus – Missionen Mariner 5

1967 Passage in 3.320 km Distanz

Start: 14.06.1967 Ankunft: 19.10.1967 • Messungen verbesserten Masse- und Radiusangaben • Messungen: • Magnetfeld • Solarwindbeeinflussung • Refraktion • Temperaturverteilung Venus – Missionen Venera 5 und 6

1969 Abstieg in Venusatmosphäre

Start: 05.01.1969 und 10.01.1969 Ankunft: 16.05.1969 und 15.05.1969 • Abstieg: 53 min bis 18km und 51min bis 10 km Höhe • Messungen: • Druck • Temperatur • Dichte • atmosphärische Zusammensetzung Venus – Missionen Venera 7

1970 erste weiche Landung Start: 17.08.1970 Ankunft: 15.12.1970 • Landesonde war für 180 bar ausgelegt • Abstiegsdauer: 35 min • 23 min Daten von Oberfläche Venus – Missionen Mariner 10

1974 Passage in 5.870 km Distanz

Start: 03.11.1973 Ankunft: 05.02.1974 • Landesonde war für 180 bar ausgelegt • Abstiegsdauer: 35 min • 23 min Daten von Oberfläche Erfolgreiche Venus-Missionen Teil 2

Name Owner Start Art der Sonde Zieldatum Venera 9 UdSSR 08.06.1975 Orbiter + 20.10.1975 Lander Venera 10 UdSSR 14.06.1975 Orbiter + 25.10.1975 Lander Pioneer Venus 1 NASA 20.05.1978 Orbiter 04.12.1978 Pioneer Venus 2 NASA 08.08.1978 Multiprobe 09.12.1978 Venera 11 UdSSR 09.09.1978 Orbiter + 25.12.1978 Lander Venera 12 UdSSR 14.09.1978 Orbiter + 21.12.1978 Lander Venera 13 UdSSR 30.10.1981 Orbiter + 01.03.1982 Lander Venus – Missionen Venera 9 und 10

1975 sanfte Landung

Start: 08.06.1975 und 14.06.1975 Ankunft: 20.10.1975 und 25.10.1975 • erste Photos von der Oberfläche • Spektroskopieuntersuchungen des Oberflächengesteins mittels Gamma-Strahlung • Messungen über den Gehalt von radiaktiven Elementen • Erste Direktdichtemessung von Oberflächengestein Venus – Missionen Pioneer Venus 1 und 2

1978 Venus-Satellit ("Orbiter") vier Messsonden in Venusatmosphäre Start: 20.05.1978 und 08.08.1978 Ankunft: 04.12.1978 und 09.12.1978 • erste Abbildungen der Oberfläche mittels Radar (Auflösung:20 000 m/Pixel) • Herstellung einer ersten globalen Landkarte • Messungen: • Gravitationsfeld • Masse- und Dichteverteilung • Ionosphäre Venus – Missionen Venera 13 und 14

1982 sanfte Landung 127 Minuten farbige Panoramaaufnahmen

Start: 30.10.1981 und 04.11.1981 Ankunft: 01.03.1982 und 03.03.1982 • Untersuchungen der Atmosphäre • Analysen des Gesteins • 22 Bilder in Farbe und SW von Oberfläche Erfolgreiche Venus-Missionen Teil 3

Name Owner Start Art der Sonde Zieldatum Venera 14 UdSSR 04.11.1981 Orbiter + 03.03.1982 Lander Venera 15 UdSSR 02.06.1983 Orbiter 10.10.1983 Venera 16 UdSSR 07.06.1983 Orbiter 11.10.1983 Vega 1 UdSSR 15.12.1984 Flyby + Lander 11.06.1985 + Ballon Vega 2 UdSSR 21.12.1984 Flyby + Lander 14.06.1985 + Ballon Magellan NASA 04.05.1989 Orbiter 10.10.1990 Galileio NASA 18.10.1989 Flyby 10.02.1990 Venus – Missionen Venera 15 und 16

1983 Radarabtastung der Planetenoberfläche

Start: 02.06.1983 und 07.06.1983 Ankunft: 10.10.1983 und 11.10.1983 • Radarerfassung von 25% der Oberfläche. Auflösung: 1 500 m/Pixel • Erkennung der Coronae Strukturen • Abschätzung des Oberflächenalters Venus – Missionen Vega 1 und 2

1985 Ballonsonden in Venusatmosphäre abgesetzt

Start: 15.12.1984 und 21.12.1984 Ankunft: 11.06.1985 und 14.06.1985 • 46 ½ und 60 stündiger Ballonflug durch Atmosphäre bis Kontakt abbrach. • Messungen: • Temperatur, Druck • Windgeschwindigkeit • Helligkeit • Detektion von Blitzen Venus – Missionen Magellan

1990 Venus-Radar-Mapper: ~ 98% Kartierung der Venusoberfläche

Start: 04.05.1989 Ankunft: 10.10.1990 • Kartierung der Oberfläche mittels Synthetic Aperture Radar ~98% der Oberfläche von 1990 -1992. Auflösung: 100 m/Pixel • Test des Aerobraking-Manöver Venus – Missionen Galileio

1990 Vorbeiflug in 16.000 km

Start: 18.10.1989 Ankunft: 10.02.1990 • 81 Aufnahmen der Venus Erfolgreiche Venus-Missionen Teil 4

Name Erbauer Start Art der Sonde Zieldatum Cassini Huygens NASA / 15.10.1997 Swingby 24.04.1998 ESA 24.06.1999 Venus Express ESA 09.11.2005 Orbiter 11.04.2006 Venus – Missionen Cassini Huygens

Vorbeiflug: Radar brachte genaueste Kartierung einiger Venus-Regionen

Start: 15.10.1997 Swingby: 24.04.1998 und 24.06.1999 • genaueste Kartierung einiger Venus- Regionen durch speziell für Saturnmonde konstruiertes Radar. • Magnometer-Test zeigten keine Blitze aus den 40 km hohen Wolken. Venus – Missionen Venus Express

Erforschung der Venusatmosphäre

Start: 09.11.2005 Ankunft: 11.04.2006 • Erforschung des Treibhauseffektes • chemische Zu- sammensetzung • Suche nach Wasser • Messung von seismischen und vulkanischen Aktivitäten geplante Venus - Missionen

• 2008 Planet-C - Early 2008 - ISAS Venus Orbiter • 2009 BepiColombo - August 2009 - ESA Mercury Orbiters and Lander (possible Venus flybys) Venus 2. Daten Venus – Daten

Venus Earth Masse (1024 kg) 4.8685 5.9736 Volumen (1010 km3) 92.843 108.321 Radius (km) 6052 6378 Dichte (kg/m3) 5243 5515 Gravitationsbeschl. (m/s2) 8.87 9.80 Visuelle geometrische Albedo 0.65 0.367 Große Bahnhalbachse (106 km) 108.21 149.60 Siderische Umlaufzeit (d) 224.701 365.256 Exzentrizität 0.0067 0.0167 Inklination (°) 3.39 0.00 Tageslänge (d) 116,75 1 Venus 3. Aufbau und Oberfläche Aufbau der Venus

• Wie die Erde aus Kern und Schalen • Vermutlich große Ähnlichkeiten zum Aufbau der Erde • Radius des Kerns: 3000 km • Wahrscheinlich fest und bestehend aus Eisen und Nickel Aufbau der Venus

• Flüssiger Mantel ist auch ca. 3000 km dick • Besteht wie die Kruste aus magnesium- und eisenhaltigen Silikaten • Konvektion • Kein Dynamoeffekt Aufbau der Venus

• Man glaubt dass die Lithosphäre um einiges dicker ist als die auf der Erde => deswegen gibt es heute keine Plattentektonik auf der Venus. • Brüche auf der Oberfläche deuten auf tektonische Verschiebungen vor langer Zeit hin Oberfläche

• Im Radiobereich kartographiert • Wie auf der Erde gibt es tiefe Beckenbereiche und hohe Kontinentalbereiche • Einige Kilometer Höhenunterschied • Zwei Kontinentalblöcke: Oberfläche Krater • Es finden sich relativ wenig Meteoritenkrater (wegen dichter Atmosphäre und Vulkanismus) • Zahlreiche vulkanische Formationen erkennbar Hinweise auf Vulkanismus • Baltische Zusammensetzung von Gestein • Schweflige Gase • Blitze in Atmosphäre

Trotzdem sind das keine eindeutigen Anzeichen für momentanen Vulkanismus

Eruptionswolken wären fürs Radar unsichtbar;

Man untersucht ältere und neuere Karten auf Veränderungen in der Oberfläche Hinweise auf Vulkanismus

• Geringe Kraterdichte weist auf erneuerte Kruste hin => älteste Bereiche sind ca. 800 Mio. Jahre alt • Möglicherweise staut sich Wärmestrom über lange Zeit in der dicken Lithosphäre auf • Abbau dann durch heftigen Vulkanismus und tektonische Aktivität Lavakanäle

• 85% der Oberfläche bestehen aus ausladenden Schichten von Lavafluten • Lavakanäle erstrecken sich über tausende von Kilometern • Geschwungene Formen, wenige Verzweigungen Vulkane

• Klein: bis zu 20 km Durchmesser • Mittel: 20 bis 100 km Durchmesser • Groß: 100 bis 600 km Durchmesser Kleine Vulkane

• Kegelvulkane, recht steiles Gefälle • 200 m hoch, 2 km im Durchmesser • Brüche zerteilen Kegel Mittlere Vulkane

• Dazu zählen vor allem Dome: Kreisförmig, flaches Plateau, steile Abhänge • „Pancake – Domes“: Große Vulkane

•Sapas Mons: •Durchmesser: 400 km •Höhe: 1,5 km Calderas

• Vertiefung durch Einbruch einer darunter liegenden Magmakammer • Im Gegensatz zu Einschlagkratern haben sie keine hügelige Grenze Sacajawea Patera: 260 km lang Coronae

•Entstehung auch durch Vulkanismus •Zahlreich auf der Venusoberfläche vorhanden •Typische konzentrische Risse Venus 4. Die Atmosphäre Allgemeines

Venus Erde Oberflächendruck [bar] 92 1

Oberflächentemperatur [K] 737 288

Mittleres Molekulargewicht 44 29

Skalenhöhe [km] 15 9

Gesamtmasse der 4.8 x 1020 5.1 x 1018 Atmosphäre[kg] Zusammensetzung

• Hauptbestandteil:

– CO2: 96.5%

• Weitere Bestandteile

–N2: 3.5% – SO2: 0.015% – Ar: 0.007%

– H2O: 0.002% – CO: 0.0017% – He: 0.0012% – Ne: 0.0007% Wet Early Venus Model

Im Vergleich zur Erde besitzt die Venus einen hohen Anteil an Deuterium: • Venus: D/H ≈ 2 • 10-2 • Erde: D/H ≈ 1.5 • 10-4

Dies könnte ein Hinweis auf größere Wasservorkommen in der Vergangenheit sein • bei zunehmender Sonnenleuchtkraft verdampft • Dissoziation • Sauerstoff Æ Oxide • Wasserstoff Æ Weltraum Winde

Windgeschwindigkeiten: • Oberfläche: 0.3 bis 1.0 m/s • Wolken in Äquatornähe: v=110m/s

➔ 4 Tage - Superrotation

Kaum Temperaturunterschied zwischen Tag und Nacht ● Temperaturausgleich durch Superrotation

● Hohe Wärmekapazität der Atmosphäre

Das Y – Muster wird durch Konvektion und Rotation der Atmosphäre hervorgerufen Wolken

• dicke, visuell undurchsichtige Wolkendecke

• Wolken aus Schwefelsäuretröpfchen (H2SO4) – Konzentration in oberer Wolkenschicht: ~ 81% – Konzentration in unteren Wolkenschichten: ~ 98 %

•d = 2-3 μm • zwischen 45 und 75 km Höhe

•SO2 Zufuhr von der Oberfläche Runaway Greenhouse Effect

• Die vom Planeten abgestrahlte Infrarotstrahlung kann nicht entweichen • Ursachen: Absorption durch

»CO2

»H2O

Immer weitere Erhöhung der Temperatur Temperaturverlauf

• Die Temperatur nimmt stark mit der Höhe ab

• kaum Unterschiede zwischen Tag und Nacht

• Wolkenschichten ab ~ 45 km Höhe

• darunter Dunstschicht Venus 5. Habitabilität Habitable Zone?

• Verhältnisse extrem: – Globale Temperatur ~464°C – Druck ~9.5 MPa – Atmosphäre: •96.5% CO2 •3.5% N2 • Spuren von H2O (20ppm; höhenabhängig) • Wolken aus H2SO4 (81-98%) Habitable Zone?

• Good News:

– Mit zunehmender Höhe nimmt die Temperatur ab (~7.7°/km) • bei 50km – 40°C – 0.15 MPa

– Einst evtl. deutlich mehr Wasser vorhanden • Deuterium/Wasserstoff - Verhältnis Habitable Zone?

• Anforderungen: – Temperatur – Osmoregulation –Druck – UV-Strahlung – Atmosphärische Zusammensetzung – Säuregehalt Temperatur

– Pyrolobus fumarii • bestes Wachstum bei ~113°C • Schwarze Raucher

– bei 250°C: • Fast alle Peptidbindungen lösen sich in weniger als 10 min auf • DNS ~20µs

– Oberflächentemperatur 464°C…. Wasser

• Oberfläche: – Temperatur ~464°C – Druck ~ 9.5 MPa

– krit.Temp.~374°C

– d.h. sicher kein flüssiges Wasser Wasser

– theoretisch ab einer Höhe von ~38km möglich

– extreme Xerotoleranz

• Endolithe (Organismen im Gesteinsinneren)

• Halophile (Organismen in salzhaltiger Umgebung)

– Fähigkeit zur Osmoregulation, d.h. Schutz vor Austrocknung Druck

– Druck an der Venusoberfläche entspricht Druck in ~950 Meter Wassertiefe

– Stellt für viele Meerestiere kein Problem dar

– Kein Grund, um Leben auszuschließen UV-Strahlung

– UV-Fluss ~3 Mal höher – Hoher Albedo (0.8) • Absorption durch Wolkenschicht • Streuung durch CO2 • 2-3% der Strahlung erreicht die Oberfläche – Obere Atmosphärenschichten • Strahlungsfluss < auf früher Erde • Ist keine kritische Einschränkung UV-Strahlung

– Bei früher Venus • Kaum abschätzbar • Limit, um Bildung von Leben zu verhindern, nicht bekannt • Evtl. Anpassung möglich Atm. Zusammensetzung

–CO2

• Wachstum auch bei purem CO2 möglich • Chlorella (Süßwasseralge)

–CO2 bei 0.6 bar – keine Auswirkungen

–CO2 bei 1.0 bar – gehemmtes Wachstum

–N2 • kein Problem

–H2SO4 • Problem H2SO4

– pH-Wert auf Oberfläche unbekannt – pH-Wert der Wolkenschicht ~0

– Acidophile: • Gewisse Arten wachsen optimal bei pH 0.7 • Auch bei pH 0 lebensfähig Multiple Anpassung

– Kann sich ein Organismus an mehrere/alle Extreme anpassen? • Thermophil + Halophil (z.B. in heiße Quellen) • Thermophil + Acidophil (z.B. Acidianus infernus)

– Hoher Druck kann den Temperaturbereich für optimales Wachstum nach oben verschieben: • Thermococcus peptonophilus • 30 MPa – 85°C • 45 MPa – 90-95°C Multiple Anpassung

– Warum haben wir noch keinen Organismus entdeckt, welcher auf der Venus überleben könnte?

• Energiebedarf des Organismus zu hoch?

• Extreme Anpassung nur in einem Bereich möglich, bzw. sind manche Anpassungen inkompatibel?

• Fehlende Habitate auf der Erde?

• Mangelhafte Kenntnis der Biospäre? Leben in der Venusatmosphäre? In den Wolken evtl. Mikroben • In einer Höhe von 38-55 km Wasser möglich • P = 1.15 bar •T = 40°C • Weniger Kohlenmonoxid als erwartet – von Lebewesen abgebaut? • Carbonsulfid, das anorganisch schwer herstellbar ist, nachgewiesen • Schwefelverbindungen als UV Schutz Literaturverzeichnis 1.Teil

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Ende