Die Atmosphären der Nachbarplaneten Venus und Mars haben wenig mit der irdischen gemein. Wie ist das möglich? Die Venus beispielsweise ist nur um ein Geringes kleiner als die Erde und wird deshalb gern als deren Schwester angesehen. Allerdings ist sie der Sonne näher. Pro Quadratmeter empfängt sie fast das Doppelte an Sonnenenergie wie wir. (Außerdem rotiert die Venus sehr langsam, sogar verkehrt herum, und sie hat weder Plattentektonik noch ein Magnetfeld.) Das Wissen um die klimatischen Verhältnisse bei unseren Nachbarn wirft Licht auf das irdische Klima. Da sie sich unbeeinflusst von der Lebewelt entwickelt haben dürften, sind sie in dieser Hinsicht sogar geeignetere Laboratorien für Klimatologen als die Erde selbst.

Die Venus ist ständig umwölkt. Ihre Albedo (Rückstrahlvermögen) ist daher recht hoch: ¾ des einfallenden Lichts wird von Schwe­fel­säure­wolken in großer Höhe zurückgestrahlt. Dass wir dennoch einen Blick auf ihre Oberfläche werfen können, verdanken wir der Radartechnik (Aufn.: Magellan-Sonde). Am Boden des Kohlendioxid-«Ozeans» ist die Hölle los: Mit 460°C ist es dort heißer als auf dem Merkur, dem sonnennächsten Planeten. Blei wäre flüssig! Das Barometer zeigt 92 Atmosphären an, was zum Vergleich dem Wasserdruck in 1 km Ozeantiefe entspricht. Wasser allerdings gibt es nicht. Sollte es bei vulkanischen Eruptionen freigesetzt werden, verkocht es sofort und wird von der kurzwelligen Sonnenstrahlung in seine Einzelteile, Wasserstoff und Sauerstoff, zerlegt. Der leichte Wasserstoff entweicht in den Weltenraum. Verantwortlich für diese unwirtliche Hitze ist (trotz der erwähnten hohen Albedo) nicht bloß die Sonnennähe — Merkur ist, wie gesagt, der Sonne noch viel näher —, es ist der Treibhauseffekt. Das Kohlendioxid wirkt wie ein Pelzmantel und hindert die infrarote Wärmestrahlung des heißen Bodens am Entweichen. Erst bei hoher Oberflächentemperatur findet der Planet sein thermisches Gleich­gewicht zwischen Sonnen­ein­strahlung und Abstrahlung in den kalten Weltenraum.

Ganz anders der Mars. Obwohl auch seine Gashülle fast ausschließlich aus Kohlendioxid besteht, ist sie gegenwärtig ausgesprochen dünn, und bitter kalt ist es auch: -20°C. Den Treibhauseffekt kann man vergessen. Allerdings mehren sich Hinweise, dass es nicht immer so war. Ausgetrocknete Wadis und geologisch junge Hangrillen künden davon, dass zumindest sporadisch und auch nicht überall in der Vergangenheit Sturzbäche von Wasser geflossen sein könnten. Das war allerdings nur bei höherem "Luft"druck (oberhalb von 6,1 mbar) und Plusgraden möglich. Unter den heutigen Bedingungen kann flüssiges Wasser prinzipiell nicht für längere Zeit auf dem Mars vorkommen.

Der verständliche Wunsch, auf dem rostroten Planeten auf Wasser zu stoßen, sollte allerdings den mineralogischen Befund nicht völlig vergessen machen: Es gibt kaum Hinweise auf wasserbedingte Verwitterung und Ablagerungen, wie wir sie in großem Stile von der Erde her kennen, also weder Kreidefelsen wie auf Rügen noch Kalkgebirge wie die Dolomiten.

Wo ist das Wasser hin, das der Mars einst besaß? Unter der Wirkung der UV-Strahlung der Sonne wird Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der Planet ist klein und seine Schwerkraft gering. Die Folge: der Wasserstoff entweicht in den Weltenraum. Der viel schwerere Sauerstoff bleibt dem Planeten erhalten. Er oxidiert die Oberfläche. Dafür spricht auch die rostrote Färbung des Mars.

Vermutlich war der Mars selbst zu Warmzeiten kalt und leblos und das Wasser gefroren.

Kurzzeitige Erwärmungen können beispielsweise durch globale Staubstürme ausgelöst werden. Der Transport von Staub durch Wind scheint überhaupt eine große Rolle zu spielen. Auf den Aufnahmen erkennt man unschwer Wanderdünen und sogar die Spuren dahinziehender Staubtornados, die bis zu 8 km hoch sein sollen.

Offenbar hat die Erde gerade den richtigen Abstand zur Sonne, und der Treibhauseffekt sorgt für ein angenehmes Klima. Allerdings wissen wir, dass die Sonne anfänglich nicht ihre heutige Leistung hatte. Da muss ein Regelmechanismus am Werk gewesen sein, der von Anfang an für erträgliche Verhältnisse gesorgt hat. Und das besorgte und besorgt auch heute noch der sog. Kohlenstoff-Kreislauf:

Bevor wir uns der Thermostatwirkung dieses Kreislaufs zuwenden, ein paar Worte zur Entwicklung der irdischen Lufthülle. Nicht nur die Sonne hat sich nämlich geändert, auch die Atmosphäre der Erde. Die erste Atmosphäre, sie bestand im wesentlichen aus Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserdampf, war die Folge der schnellen Entgasung des äußeren Erdmantels. Dass es "schnell" vonstatten ging, verraten uns die Unterschiede in den Isotopenverhältnissen von Edelgasen aus der Atmosphäre und aus vulkanischen Gesteinen unterschiedlicher Tiefe. Unter dem Einfluss des Lebens, insbesondere der Photo­syn­these, hat sich danach allmählich der Charakter der Atmosphäre gewandelt. Einen ersten Sauerstoffschub scheint es vor 2,32 Milliarden Jahren gegeben haben. Eine sauerstoffreiche Atmosphäre, vergleichbar mit der heutigen, gibt es aber erst seit gut einer halben Milliarde Jahre, und sie ist ein totales Kunstprodukt. Ohne ständige Nachlieferung durch Blaualgen und ohne das Grün der Gräser und Wälder verschwände der freie Sauerstoff sofort wieder. Der erzeugte Sauerstoff wird übrigens fast völlig zum Atmen verbraucht. Zur Sauer­stoff­an­rei­cherung kommt es, wird ein Teil des im Meere photosynthetisch produzierten organischen Stoffs "vergraben", will sagen aus dem Verkehr gezogen (Öl- und Kohlenlagerstätten). Als weitere Möglichkeit der Sauerstoffanreicherung wird der Verlust von Wasser­stoff in den Weltenraum nach der biologischen Wasserspaltung betrachtet. Nebenbei bemerkt gibt die Entwicklung des Sauerstoff­gehalts der Erdatmosphäre zu denken: Die Photosynthese läuft nachgewiesenermaßen seit 2,75 Md. Jahren ab, wenn nicht gar seit 3,5 Md. Jahren. Wieso hat es dann wenigstens 2 Md. Jahre gedauert, bis freier Sauerstoff ein wesentlicher Bestandteil der Lufthülle wurde? Hat das Leben etwa so lang gehungert (Phosphatmangel?), oder ist der freigesetzte Sauerstoff zunächst für die Oxidation von Erdkruste und Mantel draufgegangen, bis diese irgendwann sauerstoffgesättigt waren?

Doch zurück zu unserem Thermostaten. Wie also funktioniert der lebenswichtige "Kohlenstoff-Kreislauf"?
Wieder ist Wasser wichtig. Regenwasser wäscht Kohlendioxid aus der Luft aus. Der leicht kohlensaure Regen löst aus dem Boden Kalzium und spült alles ins Meer. Plankton produziert daraus Kalziumkarbonat. Im Laufe der Zeit bilden die Kalkskelette abgestorbener Tiere riesige Kalkablagerungen am Meeresboden. Die Mitwirkung von Lebewesen scheint allerdings nicht unbedingt erforderlich. Selbst ohne Plankton schlüge sich vermutlich der Kalk nieder. Würden die solcherart aus dem Verkehr gezogenen Kohlendioxidmengen freigesetzt, hätten wir Venusverhältnisse! Kurz gesagt: Verwitterung entfernt Treibhausgas. Allerdings nicht für ewig. Die Erde ist tektonisch aktiv. Platten bewegen sich, Ozeanboden wird in die Tiefe abgedrängt — was erklärt, warum Japan das erdbebenreichste Land ist. Beim Eintauchen in den Erdmantel wandelt sich der Kalkstein zunächst in Marmor um, bei hohen Temperaturen und Drücken zerfällt der allerdings chemisch in seine Bestandteile. Durch Vulkane gelangt das Kohlendioxid wieder ins Freie.

Der Regler funktioniert grob so:
Ist es zu kalt, regnet es nicht. Kohlendioxid aus Vulkanen reichert sich an, und es wird wärmer. Ist es hingegen zu warm, regnet es viel, und der Kohlendioxid-Gehalt sinkt, weil das Treibhausgas ausgewaschen wird. Wichtig für das Funktionieren des Regelwerkes in geologischen Zeiträumen ist, dass beides vorhanden ist: Regenwasser und Vul­ka­nis­mus.

Der unglücklichen Venus ist das Wasser abhanden gekommen, dem Mars, wie es scheint der Vulkanismus, der das Recycling hätten besorgen können. Er ist einfach zu klein und daher innerlich längst ausgekühlt. Mit dem Verlust an innerer Wärme ging auch bald der Dynamo aus, und der Mars verlor zu allem Unglück auch seinen magnetischen Schutzschild. Ungeschüzt nagendem Sonnenwind ausgesetzt, hatte die Marsatmosphäre auf Dauer keine Chance, sie wurde "vom (Sonnen)Winde verweht". (Wie effektiv die Erosion durch Sonnenwind sein kann, sieht man bei den Ionenschweifen der Kometen. Vielleicht hat aber auch intensiver Meteoritenbeschuss der ursprünglichen Atmosphäre schnell den Garaus gemacht.) Die Anfälligkeit einer Atmosphäre gegen die Erosion durch den Sonnenwind unterstreicht auf jeden Fall die Bedeutung eines planetaren Dynamos, der einen magnetischen Mantel um den Planten legt.
Dass eine ursprünglich dichte Kohlendioxidatmosphäre wie im Falle der Erde ausgewaschen wurde, ist eher unwahrscheinlich: Kalk­ab­la­ge­rungen sind auf dem Mars, wie gesagt, unbekannt. (Die Vorstellung, ein Mann wie Schwarzenegger könne den Mars wieder zum Leben erwecken, indem der seine Vulkane, darunter den größten im Sonnensystem, wieder zum Rauchen bringt — man nennt das Terraforming —, wird wohl Drehbuch-Utopie bleiben müssen.)

Wie perfekt der planetare Thermostat im Falle der Erde gewesen sein muss, wird an folgendem deutlich. Schon eine 2-prozentige Ver­rin­ge­rung der Son­nen­leucht­kraft bescherte uns eine Vereisung. Vor 4½ Milliarden Jahren war die Sonne aber sage und schreibe um 30 Prozent leuchtschwächer (vorausgesetzt, sie war anfänglich nicht etwas schwerer als heute)! Ohne Treibhauseffekt wäre alles unter Eis begraben gewesen. (Einmal total vereist, hätte selbst die heutige Sonne keine Chance, die Erde aus dem Winterschlaf zu wecken: das Eis würfe einen Großteil der einfallenden Strahlung in den Weltenraum zurück.) Nur das Ausspeien vulkanischer Gase und später die emsige Tätigkeit methanerzeugender Bakterien hat uns davor bewahrt. Damals war vermutlich Methan das Treibhausgas (neben Ammoniak). Methan ist diesbezüglich 23-fach effizienter als Kohlendioxid! (Die damalige «Luft»hülle dürfte der Titanatmosphäre geähnelt haben. Deshalb die Spannung, mit der die Ergebnisse der Huygens-Eintauch­sonde erwartet werden.) In sauerstoffreicher Luft kann Methan sich freilich nicht halten — es oxidiert zu Kohlendioxid und Wasser (Treib­haus­gase auch sie!) — , aber im Archaikum war der Sauerstoffanteil wie gesagt noch gering. Erst seit 600 Millionen Jahren gibt es Tiere mit relativ dicken Gewebeschichten, die einer hohen Sauer­stoff­kon­zen­tra­tion zum Atmen bedürfen.

Wir sollten also den Treibhauseffekt nicht verteufeln. (Wichtigstes Treibhausgas ist derzeit der Wasserdampf, nicht Kohlendioxid. Ohne Wasserdampfmantel wäre es 30 Grad kälter! Übrigens tragen auch Rußteilchen zur Erwärmung bei.) Was Angst macht, ist nicht so sehr die Höhe des Kohlendioxid-Gehalts in der Atmosphäre (der war in der Vergangenheit oft deutlich höher — wir leben in einer Kaltzeit), als vielmehr der rasante Anstieg seit dem Beginn der industriellen Revolution. (Was Natur an Kohlenstoff in Gestalt von Kohle und Öl in einer Million Jahre vergraben hat, setzt Technik binnen Jahresfrist frei! Der jetzige Kohlendioxidgehalts ist doppelt so hoch wie vor 18000 Jahren, zum Ende der letzten Vereisung. Die Hälfte dieses Anstiegs erfolgte in den vergangenen 140 Jahren! Schlimmsten Falls haben wir Ende des Jahrhunderts Temperaturen wie vor 70 Millionen Jahren als sich Verwandte heutiger Krokodile am Polarkreises tummelten.) Der Kohlenstoffkreislauf kann zwar langsame Än­de­rungen wie die Zu­nahme der Son­nen­leucht­kraft über geologische Zeiträume aus­gleichen, aber keine schnellen. Dazu ist dieser Regler viel zu träge. Im übrigen ist nur ein Beispiel aus der Erdgeschichte bekannt, wo es zu einem ähnlich dramatischen Anstieg von Treib­haus­gas kam. Damals, vor 55,5 Millionen Jahren, sollen ziemlich plötzlich zwei Billionen Tonnen Sumpfgas freigesetzt worden sein. Warum? War es ein Komet, der die Erde rammte, oder nur die schleichende globale Erwärmung der Ozeane am Ende des Paläozäns? Die Folge dieses Methan-«Rülp­sers»: ein plötzlicher Tem­pe­ra­tur­an­stieg um 7 bis 8 Grad. Es brauchte 250000 Jahre, um sich von diesem Methan­schock zu erholen. Immerhin: Der Regler hat sich bewährt! Aber 250000 Jahre ist schon ganz schön lang.
War es Zufall, dass danach die ersten mo­der­nen Säuger auftauchten? (Möglicherweise haben ähnliche «Rülp­ser» vor 251 Millionen Jahren — ausgelöst durch großflächigen Vulkanismus in Sibirien und das dabei freigesetzte Treibhausgas Kohlendioxid — zum bislang größten Artensterben der Erdgeschichte geführt. Damals starben 95% aller Arten aus! 80 Millionen Jahre später hatte sich die Lebewelt erholt und gedieh üppiger denn je, freilich mit neuer Besetzung.)

Für das Klima ist aber noch etwas anderes entscheidend, die Lage der Rotationsachse der Erde. Die Äquatorebene der Erde ist um 23,5° gegen die Bahnebene geneigt, was die Jahreszeiten verursacht. Nicht auszudenken, wie das Klima wäre, hätten wir Uranusverhältnisse. (Beim Uranus liegt die Achse in der Bahnebene.) Dann wären für ein halbes Jahr jeweils abwechselnd der Nord- und der Südpol der prallen Sonne ausgesetzt.

Die Achse weist z.Z. auf den Polarstern. Da sich die abgeplattete Erde aber wie ein geneigter Spielzeugkreisel unter der Wirkung eines Kippmoments benimmt, vollführt diese Achse wie ein Spielzeugkreisel eine Präzessionsbewegung, d.h. die Rotationsachse ist nicht raumfest, beschreibt vielmehr um eine Achse, die senkrecht auf der Bahnebene steht (also zum Pol der Ekliptik weist), einen Kegelmantel mit einer Öffnung von 2 mal 23,5°. Um einen Umlauf zu vollenden — ein sog. Platonisches Jahr — , braucht es allerdings im Mittel 25700 Jahre. In 25700 Jahren ist also wieder der Polarstern der Polarstern. (Und auch für die Astrologen ist die Welt wieder in Ordnung: Die Tierkreiszeichen stimmen mit den Sternbildern in 24000 Jahren wieder überein, kurzzeitig. Das letzte Mal herrschte Übereinstimmung vor 2000 Jahren. Heute liegt der Widderpunkt in den Fischen.) Zwischendurch wird die Stafette an andere Sterne weitergereicht. In 13000 Jahren an Wega. (Da dann die Erde ihren sonnennächsten Punkt gerade im Nord-Sommer durchläuft, dürfte dann der Sommer-Winter-Gegensatz für die Bewohner der Nordhalbkugel unangenehm werden. Gegenwärtig wird das Perihel Anfang Januar, im tiefsten Nord-Winter also, durchlaufen. Allerdings vermindert sich gegenwärtig die Exzentrizität der Erdbahn, sie wird immer kreisähnlicher, so dass dieser Effekt im nächsten Platonischen Jahr schwindet.)

Schuld an dieser Präzession sind im wesentlichen Mond und Sonne. Sie versuchen, indem sie gemeinsam am Äquatorwulst der Erde zerren, deren Rotationsachse aufzurichten. Mit dem bekannten Ergebnis, dass das gerade die Kreiselgesetze verbieten. (Im Physikkabinett der "Alten Urania" in Berlin kann man selbst einmal versuchen, einem schnell rotierenden Rad seinen Willen auf­zu­zwingen.)
Was aber, gäbe es keinen Mond? Im Zeitalter der Computer­astronomie ist dieses himmelsmechanische Problem kein Problem. Der französische Astronom Jaques Laskar hat bei numerischen Experimenten — dank der Computer können Astronomen inzwischen mit Himmelskörpern experimentieren! — Erstaunliches her­aus­be­kom­men. Ohne den stabilisierenden Einfluss des Mondes wäre die Bewegung der Rotationsachse auf lange Sicht unberechenbar: es herrschte Chaos. Und nach wenigen Jahrmillionen könnte der Neigungswinkel der Erdachse fast jeden beliebigen Winkel einnehmen. Genau das scheint beim Mars der Fall zu sein. Dass der heute etwa die gleiche Achsneigung wie die Erde aufweist, wäre demnach reiner Zufall. Das ändert sich bereits in wenigen Jahrmillionen. Bei ihm schwankt die Achsneigung zwischen 14° und 48°! (Zum Vergleich: Die Erdachse wackelt, wegen des Mondes, nur zwischen 22° und 24,5°.) Seine beiden winzigen Monde, Phobos und Deimos, können trotz ihrer furcht­er­re­gen­den Namen daran nichts ändern. Sie fallen nicht ins Gewicht. Hinzu kommt, dass Mars in einem weit stärkeren Maße dem gravitativen Einfluß des Jupiter ausgesetzt ist als die Erde. Jupiter ist bekanntlich der größten Störenfried im Planetensystem. Dadurch variiert die Elliptizität der Marsbahn erheblich, was sich ebenfalls auf das Marsklima auswirkt. Vieles am Mars wird erklärlich, geht man davon aus, dass er gerade auftaut. Möglicherweise liegt die letzte Eiszeit nur wenige hundertausend Jahre zurück.
Noch verwirrender sind die Verhältnisse bei der Venus. Sie hat gar keinen Trabanten. Ist das der Grund dafür, dass sie verkehrt herum rotiert und ziemlich langsam obendrein? (Ihre Rotation wird irgendwie von der Erde beeinflusst. Ist sie der Erde am nächsten, wendet sie dieser immer die gleiche Seite zu.)

Sollte unser guter Mond tatsächlich die Rotationsachse unseres Pla­ne­ten im Zaum halten und damit verheerende Klimaeskapaden unter­drücken, hätte dies Auswirkungen auf unsere (meist optimistischen) Abschätzungen über die Häufigkeit außerirdischer Zivilisationen. Planeten wie die Erde, im richtigen Abstand zu ihrer Sonne, mag es viele geben, aber welche mit einem so mächtigen Begleiter, der seine Existenz zudem einem katastrophalen Ereignis verdankt, sind sicher­lich selten.
Wie lange noch hat der Mond die Rotationsachse der Erde im Griff? Er entfernt sich, bedingt durch Gezeiten- und Kern-Mantel-Reibung, z.Z. um wenige Zentimeter pro Jahr von uns — was in Jahr­mil­li­ar­den was ausmacht! —, sein Einfluss schwindet!