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Geophysik: Meteoriteneinschlag im Sandkasten

Einschläge von Meteoriten verändern das Antlitz von Himmelskörpern erheblich, wie beispielsweise an unserem Mond zu erkennen ist. Aber welche Vorgänge spielen sich hierbei ab? Mit Experimenten im Kleinen und Computersimulationen gehen Physiker den Prozessen nach.
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Barringer-Krater | Der 150 Meter tiefe und rund 1,2 Kilometer breite Barringer-Krater in Arizona
Glücklicherweise wird die Erde eher selten von großen Brocken aus dem All heimgesucht, und die kleinen verglühen in der Atmosphäre, ohne wirklich Schaden anzurichten. Doch genaues Hinsehen lehrt uns, das zuweilen auch größere Meteoriten auf unseren Heimatplaneten treffen: Der 150 Meter tiefe und 1,2 Kilometer breite Barringer-Meteoritenkrater in Arizona beispielsweise kündet von so einem Einschlag vor 50 000 Jahren – ein Wimpernschlag angesichts von 4,5 Milliarden Jahren Erdgeschichte. Älter und deutlich schlimmer war der Einschlag, der vor 15 Millionen Jahren das Nördlinger Ries schuf.
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Nördlinger Ries | Das Nördlinger Ries entstand bei einem Einschlag vor 15 Millionen Jahren.
Und ein wahrer Killerbrocken aus dem All führte an der Kreide/Tertiär-Grenze zum Zusammenbruch ozeanischer Zirkulation und damit zum Erliegen der Bioproduktion – die Dinosaurier haben diese Katastrophe nicht überlebt. Heute kündet nur noch der 180 Kilometer große Chicxulub-Krater von diesem verheerenden Einschlag.

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Chicxulub-Krater | Der untermeerische Chicxulub-Krater zeugt noch heute von einem gewaltigen Einschlag, der sich vor 65 Millionen Jahren vor der Küste der Halbinsel Yucatán ereignete. Vermutlich löschte dieses Ereignis die Dinosaurier aus.
Wenngleich die meisten Erdenbürger eher froh darüber sein dürften, dass derart große Treffer äußerst selten sind, so interessieren sich Wissenschaftler doch brennend dafür – und das nicht nur theoretisch, sondern durchaus auch praktisch. So stellen beispielsweise Detlef Lohse und sein Team von der Universität Twente bei Enschede solche Einschläge im Experiment nach – in einem deutlich kleineren Maßstab, versteht sich. Die Forscher lassen Stahlkugeln von 2,5 Zentimeter Durchmesser in ein Sandbett von 25 bis 40 Zentimeter Dicke fallen. Dabei filmen sie die Vorgänge mit einer Hochgeschwindigkeitskamera.

Um eine möglichst gut zu reproduzierende Ausgangssituation zu schaffen, hat das Forscherteam den Sand mit einer durchschnittlichen Korngröße von 40 Mikrometern vor dem Fallversuch ordentlich durchlüftet und somit aufgelockert. Das geschieht, indem Luft durch eine poröse Bodenplatte von unten durch die Sandschicht geblasen wird. Die Wissenschaftler schaffen so Gegebenheiten, die in gewisser Weise einer Flüssigkeit entsprechen – sie sprechen von einem fluidartigen Zustand. Angesichts der ansonsten viel größeren Maßstäbe und Energien bei echten Ereignissen durchaus ein realistisches Modellsystem. In diesen fluiden Sand plumpsen also die Kugeln. Was ist zu sehen?

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Einschlag in Sand | Sandkastenexperiment: Der aufgelockerte Sand verhält sich fast wie eine Flüssigkeit. Ein Strahl spritzt senkrecht aus der Krone hervor und übertrifft sogar die Abwurfhöhe der Stahlkugel.
Kurz nach dem Untertauchen der Kugel unter die Sandoberfläche spritzen die Körner trichterförmig zu allen Seiten weg. Wenige Augenblicke später bilden sich auf Grund der Wechselwirkung der Sandkörner untereinander kleine Inhomogenitäten, welche dem Ganzen das Aussehen einer Krone verleihen. Während diese Krone wieder in sich zusammenstürzt, schießt knapp eine Zehntelsekunde nach dem Einschlag der Kugel ein Sandstrahl aus der Mitte des kollabierenden Gebildes hervor – hoch hinaus, noch über die Abwurfstelle der Stahlkugel. Das Ganze erinnert sehr an Tröpfchen oder Kugeln, die in eine Flüssigkeit fallen und diese entsprechend hochspritzen lassen. Der Sand bildet jedenfalls beim Zurückfallen ein kleines Häufchen in der Mitte des Einschlagkrater, das jedoch häufig durch eine abschließende Eruption dem Boden gleich gemacht wird. Aber was löst überhaupt den emporschießenden Sandstrahl aus?

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Tropfen | In Flüssigkeiten beobachtet man häufig, wie nach dem Eintauchen eines Tröpfchens oder Gegenstandes in der Mitte Flüssigkeit hoch spritzt – von Sand kennen wir dieses Phänomen eher nicht.
Um das herauszufinden, simulierten Lohse und seine Kollegen ein zweidimensionales Einschlagsszenario am Computer. Auch hier bildeten sich Jets aus Sand aus – allerdings nicht so ausgeprägt wie im Experiment. Das jedoch mag zum einen an dem zweidimensionalen System, zum anderen an der Korngröße liegen, die in der Simulation deutlich größer war. Nichtsdestotrotz ist der Sandstrahl zu erkennen, und nicht nur einer. Genau genommen sind es nämlich zwei Strahlen, wobei nur der eine im Experiment sichtbar ist, da er von der Einschlagsstelle nach oben wegschießt. Der andere Strahl bohrt sich ganz unspektakulär nach unten in den Boden und folgt somit der Stahlkugel. Erklären lassen sich die Jets wie folgt: Beim Einschlag hinterlässt die Stahlkugel einen röhrenförmigen Hohlraum, der jedoch auf Grund des Drucks des umliegenden Sandes kollabiert. Da sich der Sand fast wie Wasser verhält, kann man hier durchaus von hydrostatischem Druck sprechen. Am oberen Rand des Hohlraums beginnt der Kollaps recht früh, da hier jedoch der Druck vergleichsweise gering ist, vollzieht sich die Bewegung nicht so schnell wie weiter unten, wo der Zusammensturz dafür später beginnt. Irgendwo auf halbem Wege zwischen Sandoberfläche und Stahlkugel berühren sich die zusammenstürzenden Sandwände des Tunnels zuerst. Von diesem Punkt aus – die Wissenschaftler sprechen von einer Singularität – breiten sich die Sandstrahlen nach oben und unten aus.

All das lässt sich, wie die Forscher herausgefunden haben, auch recht gut durch ein einfaches Kontinuumsmodell beschreiben, das sonst deformierbare Medien wie Flüssigkeiten und Gase behandelt – eigentlich ungewöhnlich für granulare Materie wie Sand. Aber wir haben ja bereits gesehen, wie ähnlich die Verhältnisse bei diesem Experiment flüssigen Systemen ist.

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Mondkrater | Ein typischer Einschlagskrater auf dem Mond mit einem kleinen Hügel im Zentrum
Inwieweit sich das Modell auf irdische oder außerirdische Einschläge übertragen lässt, ist natürlich noch die große Frage. Die Experimente deuten zumindest an, dass es der aufwärts gerichtete Jet und nicht die hochspritzende Krone ist, der Material hinaus ins All schleudert. Außerdem könnte dieser Jet auch die kleinen, zentralen Hügelchen erzeugen, die zuweilen in Einschlagskratern zu finden sind. Der nach unten gerichtete Strahl indes mischt die Sedimentschichten unterhalb eines Kraters ordentlich durcheinander und könnte erklären, warum Oberflächenmaterial zuweilen tief in den Untergrund eintaucht – eine Information, die Geologen unter Umständen hilft, bestimmte Eigenarten realer Einschlagskrater zu erklären, vielleicht auch bei Barringer, Chicxulub und Co.
25.06.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 25.06.2004

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