Einfluss der Staubeigenschaften auf das D/H Isotopenverhältnis und die Häufigkeiten wichtiger präbiotischer Spezies im Solaren Nebel

Kupper, Stefan

Die Entstehung des Lebens auf der Erde war ein erstaunliches und einmaliges Ereignis im Sonnensystem. Auch wenn wir noch weit davon entfernt sind, es umfassend zu begreifen, so sind doch einige Grundzüge bereits verstanden. Man ist sich beispielweise einig, dass es eine Gruppe von Molekülen gab, die zum Zeitpunkt der Entstehung frühester zellähnlicher Strukturen eine große Rolle gespielt haben. Diese präbiotischen Moleküle sind wiederum teilweise in einer Zeit gebildet worden, da die Erde als solche noch nicht existierte. In dieser Zeit war der Vorläufer des heutigen Sonnensystems eine Ansammlung von kaltem Gas mit geringer interner Dynamik. Wie sich in jüngerer Zeit gezeigt hat, ist die Entwicklung der Häufigkeiten chemischer Spezies in diesem Gas jedoch von weit größerer Dynamik und vermag es deshalb auch, präbiotische Moleküle zu bilden. Aufgrund dieser potentiell großen Bedeutung für die späteren Häufigkeiten präbiotischer Spezies, beschäftigt sich diese Arbeit auch mit Strukturen, die quasi-stationäre Wolkenkerne (QSCC) genannt werden. Die Gestalt eines QSCC, aus dem heraus das heutige Sonnensystem entstanden sein könnte, lässt sich vom heutigen Standpunkt aus noch nicht festlegen. Im in dieser Arbeit entwickelten Modell werden deshalb verschieden Szenarien für einen QSCC betrachtet. Man findet eine hohe Konzentration von Wasser H2O, Methan CH4 sowie Ammoniak NH3, während die Häufigkeit anderer präbiotischer Spezies wie beispielsweise H2S weitaus variabler ist. Der größte Teil des Sauerstoffs bzw. Kohlenstoff wird in Wasser- bzw. CH4-Eis im QSCC gebunden sein. Der mittlere Gehalt an präbiotischen Molekülen ist dabei einerseits von der Staubgrößenverteilung des QSCC abhängig und andererseits vom Grad der Abschirmung der einfallenden Strahlung, wobei besser abgeschirmte QSCC einen höheren mittleren Gehalt an präbiotischen Molekülen aufweisen. Die Isotopenverhältnisse der präbiotischen Spezies und die Eiszusammensetzung machen es wahrscheinlich, dass die Entstehung der Kometen nicht im QSCC sondern in einer späteren Phase, d.h. im kollabierenden QSCC bzw. in der Scheibe stattfand. Die simulierten Ergebnisse bestätigen zudem, dass ein großer Teil der Konzentrationen und der Isotopenverhältnisse zeitabhängig ist. Somit könnte der Zeitpunkt des einsetzenden Kollapses des QSCC einen signifikanten Einfluss auf die Konzentrationen der präbiotischen Spezies sowie ihre Isotopenverhältnisse in späteren Phasen haben.

A long time ago life emerged on earth. As perceived today this was a unique incident in the solar system and though we do understand little of the full process a coarse picture of it had been emerging lately. For instance, there is a general understanding that a particular class of molecules existed that were needed for early precursors of cells or cellular-like structures. These prebiotic molecules have been produced at least partly in times where the Earth did not yet exist. At that time, the potential precursor of the solar system consisted mostly of cold gas that showed little dynamic movement. This, however, is not true for the evolution of the abundances of species, which show far greater dynamics allowing even for the formation of prebiotic molecules. Naturally, this may have had a great influence on the abundances of prebiotic species in later times. It is for that reason that this work is concerned with the modelling of these structures, which will be termed quasi-stationary cloud cores (QSCC). From today’s perspective one does not know what the QSCC was like that eventually became the solar system of today. Thus, various scenarios have been looked at in this work. In all scenarios considered, a high abundance of water H2O, methane CH4 and ammonia NH3 is found, while the amount of many other prebiotic species - especially H2S - show a much greater abundance variation. Thus, the notably largest part of either oxygen and carbon will be incorporated in water and methane, respectively. These species in turn - like most of the prebiotic molecules - will be mainly present as ice on the grains in the QSCC. The average content of prebiotic molecules is mostly dependent on both the grain-size distribution used and the amount of shielding that is present. Better shielded QSCC show a larger average amount of prebiotic molecules than do less-shielded ones. The isotopic composition as well as the ice composition of the grains in the QSCC are in only moderate agreement with the respective composition of observed comets. Thus, they suggest that comets have been built later in the collapsing QSCC or the disk phase. Furthermore, the simulated results confirm that many of the abundances and isotopic ratios of the considered species are time-dependent implying that the timing of the onset of collapse may be important for later stage abundances and isotopic ratios of these species, respectively.

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Kupper, Stefan: Einfluss der Staubeigenschaften auf das D/H Isotopenverhältnis und die Häufigkeiten wichtiger präbiotischer Spezies im Solaren Nebel. 2015.

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