Eintritt eines Meteoriten in die Erdatmosphäre (Meteorite entrance into the terrestrial atmosphere) Frontpage – Präsentations-Start Vorstellung der Projektarbeit aus CO-Physik des Meteoriten-Teams. Hofmayer M., Holler L., Kazmainejad S., Senekowitsch J., Siebenhofer A.

Bombardement kosmischer Geschosse (Bombardement of cosmic projectiles) Grafik Erde Uni Würzburg, GER Radarbild Impakt, Sahara, Tschad Chicxulub, Yucatan Peninsula, Mexiko Barringer Meteor Crater, Arizona, USA Seit ihrer Entstehung ist die Erde dem Bombardement kosmischer Geschosse ausgesetzt. Diese Vielzahl der Treffer kann man sich besonders deutlich vorstellen, wenn man die Oberfläche des benachbarten Erdmondes betrachtet, der vollkommen von Kratern bedeckt ist. Der Mond besitzt keine Atmosphäre und ist auch nicht geologisch aktiv, sodass seine Oberfläche alle Einschlagsereignisse, die über mehrere Milliarden Jahre erfolgt sind, aufzeichnet. Auf Grund ihrer größeren Anziehungskraft wurde die Erde im Lauf der Jahrmilliarden von einer noch größeren Zahl an kosmischen Projektilen getroffen als der Mond. Allerdings besitzt die Erde eine aktive Atmosphäre und Hydrosphäre und ist tektonischen und vulkanischen Ereignissen ausgesetzt, die zu einer Zerstörung der Impaktkrater an der Erdoberfläche führen. Aufnahme Mond mit Impaktmarken Digital Fotografien Lunar Raumsonde, Bowker and Hughes (NASA) , Mond-Impaktkrater

Asteroidengürtel in unserem Sonnensystem (Asteroid-belt in solar system) Fernab der Erde, zwischen den Planeten Mars und Jupiter, erstreckt sich der Asteroidengürtel. Hier, wo unzählige kosmische Gesteins- und Metallbrocken hausen, vermuten die Astronomen zirka 740.000 Kleinplaneten von denen mindestens 30.00 einem Kilometer Durchmesser und größer aufweisen. Grafik, Asteroidengürtel im Sonnensystem, © NASA

Blick in den Asteroidengürtel (View into the asteroid-belt) Meteoriten sind Teile unseres Sonnensystems, feste Materie die zur Erde fällt. Die meisten stammen von Asteroiden (Kleinplaneten) aus dem Asteroidengürtel, andere wiederum von Kometen und einige kommen sogar vom Mars oder Mond. Grafik, Blick vom Asteroidengürtel in Richtung Sonne, © 6 Billion™

Kollisionsereignis im Asteroidengürtel (Collision event in the asteroid-belt) Durch Kollisionsereignisse innerhalb des Asteroidengürtels und damit verbundener Fragmentierung der Meteoriten-Mutterkörper entstehen ständig neue Meteoriten. Grafik, Asteroidenkollision, © Asteroidspaper

Meteoriten in unserem Sonnensystem (Meteorites in our solar system) Diese fliegen durch unser Sonnensystem, umkreisen die Sonne und können falls ihre Bahnkurve die Erde kreuzt in die Erdatmosphäre eindringen. Grafik, Meteoriten im Sonnensystem, © Image Archive-Space

Meteoriden-Eintritt in die Erdatmosphäre (Meteorite entrance into the terrestrial atmosphere) Dringen Meteoriden in die Erdatmosphäre ein, dann können sie als Sternschnuppen, Feuerbälle oder Boliden am Himmel beobachtet werden. Grafik, Meteoriteneintritt Erdatmosphäre, © SPACE

Meteoriten-Stadien (Meteorites-Stages)  Meteorid  Meteor  Meteorit Es gibt verschiedene Stadien eines Meteoriden in der Erdatmosphäre: 1 sind Sternschnuppen (kleine Meteoride mit Abmessungen im mm bis cm Bereich); 2 sind Meteore (sehr schnelle Projektile mit Abmessungen im cm bis m Bereich); 3, 4 & 5 sind Feuerbälle bzw. Boliden( große Geschosse mit Abmessungen im m bis km Bereich); 6 ist ein Meteorit, der auf der Erdoberfläche einschlägt (der kann sehr klein sein ( einige cm), oder auch ein Globaler Killer (einige km)); Grafik, Meteoriten-Stadien, © Unbekannt

Physikalische Beschreibung eines Meteoriten (Physical description meteorites) Wenn ein Meteorid in die Erdatmosphäre eintaucht, dann wird seine kinetische Energie in Wärmeenergie (Hitze) und Licht umgewandelt. Die Reibung in der Atmosphäre verursacht die Erhitzung der außerirdischen Materie und durch Ionisation der umgebenden Luftschichten entsteht Licht, das für den Glüheffekt eines Meteors verantwortlich ist. Außerdem verursacht er beim Eintritt eine vorauseilende Schockwelle, die unmittelbar vor dem Meteoriden den Druck extrem stark ansteigen lässt und einen großen Druckgradienten erzeugt. Grafik, Meteoriteneinschlag Erde, © The Hera Mission Web Pages

Meteor in der äußeren Erdatmosphäre (Meteor in the outside terrestrial atmosphere) Hier sehen wir einen Meteor in der äußersten Atmosphärenschicht, der Thermosphäre. Ein Meteor verglüht vollständig während seines Flugs durch die Erdatmosphäre. Grafik, Meteor in Thermosphäre, © Don Dixon

Feuerkugel / Bolide in der Thermosphäre Fireball / Bolide in the thermosphere Sehr helle Meteore werden auch "Feuerkugeln" und noch hellere "Boliden" genannt. Die Leuchterscheinungen beginnen normaler Weise in der Thermosphäre und können bis zu sehr erdnahen atmosphärischen Schichten (Stratosphäre & Troposphäre) anhalten. Die Geschwindigkeiten, mit der Meteoriden in die Atmosphäre eintreten, sind sehr hoch und unterschiedlich (durchschnittlich 60 km/s). Grafik, Bolide beim Erdatmosphäreneintritt, © DB

Physikalische Formeln aus dem Berechnungsmodell (Physical formulas from calculation model) Modell 1: Gravitation, keine Erdatmosphäre Modell 2: Gravitation, Erdatmosphäre  Reibungseinfluss Wie sieht nun unser Berechnungsmodell für den Eintritt eines Meteoriten in die Erdatmosphäre aus? Druckverteilung Dichteverteilung mit Temperaturprofil

Meteoritenbahnkurven im Zentralpotential der Erde (Meteorite trajectories in earth central potential) Im Anfangsmodell wurde lediglich die Bahn eines kugelförmigen Meteoriten im Zentralpotential der Erde berechnet. Es wurden keine Reibungskräfte durch die Atmosphäre berücksichtigt. Wir sehen in der Abbildung 3 verschiedene Bahnkurven für 3 unterschiedliche Anfangsgeschwindigkeiten und realistischer Starthöhe. Die Erde befindet sich im Ursprung des Koordinatensystems. 1 Kurve für die Minimalgeschwindigkeit, 1 Kurve für die Maximalgeschwindigkeit und 1 Kurve für die Durchschnittsgeschwindigkeit eines Meteoriten. © Grafik der Projektgruppe Meteorit Berechnungsergebnis für Bahnkurven aus Programmteil

Bahnkurvenvergleich im Zentralpotential der Erde (Trajectory comparison in earth central potential) Wir sehen in dieser Abbildung 3 Bahnkurven mit Reibungseinfluss durch die Atmosphäre und den gleichen Anfangsbedingungen wie zuvor. Wir haben für unser Berechnungsmodell eine Reibungskraft verwendet die prop. zum Quadrat der Geschwindigkeit ist! Die weiteren 3 Kurven sind ohne Berücksichtigung der Reibung aus voriger Abbildung zur Verdeutlichung des Unterschieds. © Grafik der Projektgruppe Meteorit Berechnungsergebnis für Bahnkurven aus Programmteil

Bahnkurvenvergleich im Zentralpotential der Erde (Trajectory comparison in earth central potential) Gleiche Anfangsbedingungen, doppelte Anfangsgeschwindigkeit. © Grafik der Projektgruppe Meteorit Berechnungsergebnis für Bahnkurven aus Programmteil

Dichteverlauf in der Erdatmosphäre (Density curve in the terrestrial atmosphere) Die Luftdichte auf der Erdoberfläche beträgt 1,2 kg/m3. Sie nimmt dann ständig mit wachsender Höhe exponentiell ab, bis sie ab einer Höhe von 250 km (Thermosphäre) praktisch Null ist. © Grafik der Projektgruppe Meteorit Berechnungsergebnis für Dichteverlauf aus Programmteil

Wirkungsquerschnitt der Erde (Activation cross-section of the earth) In dieser Grafik ist der Ablenkwinkel des Meteoriten auf seiner Flugbahn in Abhängigkeit des Stossparameters (Normalabstand MM-Meteorit zum MM-Erde) dargestellt. Der Abszissenbereich beginnt bei 9400 km ( 3000 km Höhe von Erdoberfläche) und endet bei 9700 km ( 3000 km Höhe von Erdoberfläche). Ohne Reibungseinfluss scheint der Ablenkwinkel in diesem Bereich beinahe unabhängig vom Stoßparameter zu sein und bewegt sich zw. 45° und 50°. Wenn wir die Reibung berücksichtigen, dann sehen wir, dass sie nur in einem sehr schmalen Bereich wesentlichen Einfluss auf den Ablenkwinkel ausübt. © Grafik der Projektgruppe Meteorit Berechnungsergebnis für Erd-Wirkungsquerschnitt aus Programmteil

Fragmentierung eines Meteoriten (Fragmenting meteorites) Ist der Druck, der auf den Meteoriten wirkt, größer als die Bindungskräfte der Meteoritenmaterie, dann bricht er zwangsläufig auseinander. Zusätzlich unterstützt die ungleiche Erwärmung des Boliden das Auseinanderbrechen. Dabei entsteht entweder ein neuer, kleinerer Meteorit und mehrere kleinere Fragmente, oder viele kleine Fragmente unterschiedlicher Größe, welche keine gegenseitigen Wechselwirkungen aufweisen. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit dieser Fragmente findet eine so starke Erwärmung durch Reibung statt, dass sie beginnen zu ablatieren und immer mehr an Masse zu verlieren. Der Großteil der Meteoridenpartikel verdunstet fast vollständig in der Erdatmosphäre und explodiert zum krönenden Abschluss. Grafik, Meteoriten Fragmentierungsprozess, © Unbekannt

Physikalische Formeln aus dem Berechnungsmodell (Physical formulas from calculation model) Modell 3: Gravitation, Reibung & Masseverlust Masseverlust des Meteoriten in der Atmosphäre Leistungsänderung durch Masseverlust Für die Berechnung des Masseverlusts haben wir ein System 2er gekoppelter Differentialgleichungen (DG) vorliegen. DG: Bewegungsgleichung (DG 2. Ordnung inhomogen); 2. DG: Masseverlust in Abh. der Zeit (DG 1. Ordnung inhomogen) Der Masseverlust geht nicht explizit in die Bewegungsgleichung ein. Wir berechnen für einen Iterationsschritt den Masseverlust und lösen mit diesem Ergebnis die Bewegungsgleichung. Für den nächsten Iterationsschritt passiert das gleiche: Massenverlust berechnen und lösen der Bewegungsgleichung mit der neuen Masse! Die Gesamtleistung des Meteoriten wird um den Anteil durch Masseverlust verringert. Die Gesamtleistung berechnet sich aus dem Produkt aus Gesamtkraft auf den Meteoriten mal Geschwindigkeit und der Masseverlustanteil aus dem Produkt der oben dargestellten Größen. Der Masseverlustanteil wird in Innere Energie pro Zeit umgewandelt und berechnet sich aus Masse des Meteoriten, spezifischer Wärmekapazität des Meteoritenmaterials und Temperaturänderung. Leistungsanteil-Umwandlung in Innere Energie pro Zeit

Bahnkurven in der Erdatmosphäre mit Masseverlust (Trajectories in terrestrial atmosphere with mass loss) Abbildung: Bahnkurven für den Meteoriten unter Berücksichtigung von Gravitation, Reibung & Masseverlust für 2 versch. Anfangsgeschwindigkeiten und gleichen Startpositionen. 2. Abbildung: Masseverlust vom Meteoriten in Abh. der Zeit! In den wenigen Sekunden die unser Meteorit (m=1 kg) braucht, um die Erdatmosphäre zu durchdringen, verliert er sehr stark an Masse, bis er infolge der extrem hohen Temperatursteigerung vollständig verglüht. 3. Abbildung: Temperaturerhöhung des Meteoriten in Abhängigkeit der Zeit. Zu Beginn hat der Meteorit eine Temperatur von 4 °K und diese nimmt dann exponentiell zu (rote Kurve, 18 km/s). Ab einem Temperaturwert von 300 °K haben wir einen extrem starken Temperaturanstieg, bis zu Endtemperaturen von vielen tausend °K. © Grafik der Projektgruppe Meteorit Berechnungsergebnisse für Komplettmodel aus Programmteil

Erdeinschlag eines Meteoriten (Earth Impact) Wenn ein großer Meteorit ins Erdmaterial einschlägt, dann können wir das vergleichen mit der Wirkungsweise einer Atombombe. Je nach Masse und Abmessungen des Meteoriten könnte dann eine ganze Stadt ausradiert werden (City-Killer) oder im schlimmsten Fall eine Globale Katastrophe stattfinden, die 70 % Leben auf der Erde auslöschen würde (Globale-Killer). Grafik, Meteoriteneinschlag auf Erdoberfläche, © LUXORION

Wassereinschlag eines Meteoriten (Ocean Impact) Außerordentlich spektakulär ist ein Meteoriteneinschlag ins Wasser. Wir sehen hier einen sehr großen Meteoriten, der ins Meer eingedrungen ist und explodiert. Durch die hohen Temperaturen nach dem Einschlag verdampft das Wasser in wenigen Sekunden und bildet eine riesige Wolke über der Einschlagsstelle. Außerdem mischt sich dabei feinstes Meteoritenmaterial mit dem Wasserdampf und es entsteht eine finstere Wolke aus Staub und Salz, die den Himmel sofort verdunkelt. Der gefährliche Folgeeffekt bei einem Wasser-Impakt ist die Entstehung von unglaublichen Flutwellen die gebirgshohe Ausmaße annehmen können. Diese breiten sich mit mehreren hundert Stundenkilometer übers Meer aus und erreichen auch noch tausend Kilometer weit entfernte Küstenregionen. Die Berge aus Wasser walzen alles nieder, was ihnen im Weg steht und es bleibt nichts mehr von dem übrig, was zuvor noch existierte.  Stürzt ein großer Meteorit (Globaler Killer) in den Ozean, hat dies stets globale Auswirkungen und ist deshalb weit gefährlicher, als ein Einschlag auf dem Land. Grafik, Meteoriteneinschlag ins Meer, © brandon

Dinosauriersterben durch Meteoriteneinschlag (Dinosaur-exctinction by meteorite impact) Grafik, © ECOTOURS Grafik, © Lunar and Planetary Institute Grafik, © 1996 George Arthur Bush Wir können heute mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit behaupten, dass ein Meteorit an der Küste von Yukatán vor 65 Millionen Jahren in den Golf von Mexiko einschlug. Mit einer Größe von 10 km Durchmesser und einer Sprengkraft von rund 70 Millionen MT TNT löste er eine globale Katastrophe aus und muss es wie in der Apokalypse zugegangen sein. Alle Ökosysteme kollabierten und siebzig Prozent aller Pflanzen- und Tierarten fielen dem Meteoriteneinschlag zum Opfer. Mit einem Schlag war das Zeitalter der Dinosaurier beendet und es dauerte Jahrtausende, bis sich wieder Leben auf der Erde entwickelte. Es ist einmal passiert und es kann wieder passieren! Nur wann, das ist die Frage? Grafik, © Monkey Mia LIVE Studio Art Gallery Grafik, © Don Davis, NASA Grafik, © Department TLG&R