Kometen und Asteroiden Fallen auf die Erde

Kometen und Asteroiden Fallen auf die Erde
Agenda:
1.
Planeten. Und weiter?
2. Wo gehobelt wird, da fallen Späne.
3. VII: Very Important Impacts
4. Erde in Gefahr?
5. „Mama, der Himmel brennt!“
6. No Risk, No Fun!
7. Armageddon
Abbildung 1: Sonnensystem – Innerer grauer Bereich: „Asteroidengürtel“,
Äußerer grauer Bereich: „Kuiper-Gürtel“ (nicht maßstabsgetreu)
Simon Lechner, Peter Müller
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Planeten. Und weiter?
Neben den Planeten und Monden gibt es in unserem Sonnensystem weitere Himmelskörper,
mit denen wir uns beschäftigen werden.
1. Asteroiden (lat. „sternähnlich“)
Relativ kleine Gesteinsbrocken (mehre 100 km bis wenige Meter), die um die Sonne
kreisen. Man findet sie im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter sowie im KuiperGürtel außerhalb des Neptuns (Abb. 1). Man kennt etwa 400 000 dieser Objekte
(Durchmesser rund 1 km), von denen man die Umlaufbahn durch Modelle voraussagen
kann. Allerdings schätzt man ihre tatsächliche Zahl auf mehr als 1 Million.
2. Kometen
Asteroiden mit einem Eismantel, der ihnen, sublimiert von der Sonnenstrahlung, einen
Schweif verleiht. Sie findet man im Kuiper-Gürtel oder in der Oortschen Wolke
außerhalb des Sonnensystems. Sie lassen sich nur schwer mit heutigen Mitteln
verfolgen.
3. Meteor (griech. „Ding in der Luft“)
Asteroiden oder ihre Bruchstücke, die in die Erdatmosphäre eindringen
(Sternschnuppen). Kleine Meteore sind häufige Ereignisse, die beinahe täglich zu
beobachten sind. Große Meteore, mit katastrophalen Auswirkungen, kommen höchstens
einmal in 1 Million Jahren vor.
4. Meteorit
Meteore, die nicht vollständig verglühen und auf der Erdoberfläche einschlagen. Sie sind
vor allem für die Forschung nach der Zusammensetzung des Sonnensystems von großer
Bedeutung.
Wo gehobelt wird, da fallen Späne.
Asteroiden und Kometen sind Überbleibsel aus der Zeit, als sich das Sonnensystem bildete. Sie
sind Fragmente von sog. „Planetesimalen“, also Platentenkleinstteilen. Sie bestehen damit aus
dem festen Rohmaterial des Sonnensystems. Ihre Bahnen und Zusammensetzungen erlauben
Rückschlüsse auf dessen Entstehung.
VII: Very Important Impacts
1. Vor ca. 65 Millionen Jahren, der Chicxulub-Krater nahe der Halbinsel Yucatan:
Ein Asteroid oder Komet trifft die Erde. Er entfesselt eine Energie von 100 Billionen
Tonnen TNT (1014 Tonnen; Eine Megatonne, also 106 t TNT entsprechen einer Energie
von 4,2. 1015 Joule). Dabei ragte er, als er den Boden berührte, noch über die offizielle
Grenze der Erdatmosphäre hinaus. Die Folgen waren verheerend. Seine Bruchstücke
fielen erneut auf die Erde und entfachten Waldbrände, sein gebundenes Chlor regnete
mehrere Monate später noch auf die Erde herab. Er löschte damit nicht nur die
Dinosaurier, sondern ¼ aller Tier- und Pflanzenarten der damaligen Erde aus.
2. Am 30. Juni 1908 um 7:14, Zentralsibirien:
Im Tunguska-Gebiet, einer Sumpflandschaft in Sibirien, explodiert ein Meteor von etwa
50 bis 80 Metern Größe dicht über dem Erdboden. Er entwurzelt 80 Millionen Bäume auf
einer unbesiedelten Fläche von 2000 km², seine Energie taut den Permafrostboden auf.
Der See, der den Krater heute füllt, misst etwa 300 x 500 km.
3. Am 13. April 2036:
Der Asteroid „(99942) Apophis“ - benannt nach dem ägyptischen Gott der Auflösung,
Finsternis und des Chaos – wird die Erde mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 zu 45 000
treffen. Er hat eine Masse von 2,7. 10 10 kg eine relative Geschwindigkeit von etwa 6
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km/s, wenn er die Erdbahn kreuzt. Seine Einschlagenergie schätzt man auf etwa 510 Mt
(2,142. 1018 J). 2029 wird er die Erde noch in einer Entfernung von 30 000 km
passieren. Auf der Turiner Skala wurde er mit Klasse 1 bewertet.
Erde in Gefahr?
Himmelskörper, die die Umlaufbahn der Erde schneiden, werden als „erdnah“ oder „potentiell
gefährlich“ bezeichnet. Man kennt rund 5600 solche erdnahe Objekte, schätzt ihre Zahl aber
auf mehr als 10 000 mit einem Radius über 140 m. Rund 900 der bekannten erdnahen Objekte
ist größer als 1 km.
Einschläge von Asteroiden sind näherungsweise poissionverteilt, das bedeutet, dass die Zeit
zwischen den Aufschlägen näherungsweise exponentialverteilt ist. Werte, die sich aus Studien
des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt ergeben haben, lauten:
•
Durchmesser > 100 m – 1 Mal pro 5000 Jahre
•
Durchmesser > 200 m – 1 Mal pro 47 000 Jahre
•
Durchmesser > 1 km – 1 Mal pro 600 000 Jahre
„Mama, der Himmel brennt!“
Wie bewegen sich Asteroiden und Kometen im All? Warum verglüht eigentlich ein Meteor, wenn
er in die Erdatmosphäre eintritt?
Wenn Asteroiden (bzw. Kometen) in Wechselwirkung mit der Gravitation eines Planeten treten,
dann kommt es Abhängigkeit ihrer Energie zu unterschiedlich Bahnkurven. Diese sind bei
Zweikörper-Problemen Kegelschnitte.
Abbildung 2: E=-GmM/r + L2/(2mr2): Unterschiedliche Gesamtenergien
erzeugen unterschiedliche Radien, der verschiedenen Kegelschnitte.
Bei negativer Gesamtenergie überwiegt der anziehende Teil der potentiellen Energie. Der
Asteroid ist gebunden (Ellipse, Kreis). Bei positiven Energien überwiegt die kinetische Energie
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und der Asteroid entflieht dem Planeten (Grenzfall: Parabel, darüber: Hyperbel).
In der Realität sind die Bahnen jedoch nicht so einfach zu berechnen, da es sich bei der
potentiellen Energie um komplizierte Mehrkörper-Potentiale handelt.
Dringt ein Asteroid in die Erdatmosphäre ein, so komprimiert er die Luft auf die er trifft. Diese
physikalischen Vorgänge wollen wir nun mathematisch näherungsweise betrachten:
Aus den Kräften, die auf einen Asteroiden beim Eintritt wirken ergibt sich folgende
Differentialgleichung für seine Bewegung.
dv
dt
c Aρ
k := w
2m
−g +k⋅v 2=
Die „Konstante“ k ergibt sich aus dem Luftwiderstand, dabei ist c w der Strömungswiderstandskoeffizient (CW-Wert), A die effektive Fläche, m die Masse des Asteroiden und ρ die Dichte der
Luft. Die Lösung ist eine hyperbolische Funktion, die sich einer Endgeschwindigkeit annähert.
Die Differenz der kinetischen Energien bei Eintritt und Endgeschwindigkeit geht in
E th=c m Δ T
über. Dabei ist c die spezifische Wärmekapazität und ΔT die Erwärmung. So werden enorme
Temperaturen von einigen 10 000 °C erreicht, die den Asteroiden zum Glühen bringen. Zudem
wird die Luft ionisiert, was zu weiteren Leuchterscheinungen (Rekombinationsleuchten)
beiträgt.
No Risk, No Fun!
Die Turiner Skala (Abb. 2) ist eine der üblichen
Skalen zur Einstufung der Risiken durch
Asteroiden. Die kinetische Energie des Asteroiden
wird
über
seine
Impaktwahrscheinlichkeit
aufgetragen. Der Graph ist unterteilt in Flächen,
die Klassen von 0 bis 10. Sie würde bei der UNKonferenz 1995 von Prof. R.P. Binzel (MIT) unter
dem Namen Near-Earth Objekt Hazard Index
vorgestellt.
Abbildung 3: Turiner Skala
•
•
Weiß (0): Keine Gefahr von Schäden
•
Grün (1): Gewöhnlicher, aber
beobachteter Vorbeiflug
•
Gelb (2,3,4): Beobachteter, engerer
Vorbeiflug, der lokalen bis regionalen
Schaden anrichten würde, sollte er
aufschlagen.
•
Orange (5,6,7): Enge bis sehr enge
Begegnung mit möglichen regionalen bis
globalen Auswirkungen
Rot (8,9,10): Sichere Kollision. Auswirkungen von lokalen Zerstörungen an Land, über
Tsunami zu Wasser bis zu globalen Klimakatastrophen wahrscheinlich.
Zur Berechnung der Impaktwahrscheinlichkeit werden auf der nominalen (mittleren)
Umlaufbahn des Asteroiden sog. VAs (Virtual Asteroids) erstellt. Ihre Bahnen werden von
Computersimulationen numerisch berechnet und stellen jeweils eine mögliche Flugbahn des
Asteroiden dar. Es entsteht ein Ellipsoid indem sich alle VAs befinden und der sich mit der Zeit
entlang seiner nominalen Flugbahn ausdehnt. Innerhalb einer Unschärferegion werden jene
VAs gesucht, die nun die Erde treffen. Je nach Rechenkapazitäten werden unterschiedlich
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große Regionen mit unterschiedlich vielen VAs erstellt. Typische Zahlen sind 100 000 VAs,
typische Radien der Regionen sind 3σ der Verteilung der VAs (0,99-Konfidenzintervall). Treffen
nun 2 dieser 100 000 VAs die Erde, dann nimmt man eine Wahrscheinlichkeit von 1/50 000 an.
Liefern die VAs keine brauchbare Aussagen, so werden mittels Monte-Carlo-Methode weitere
VAs berechnet.
Armageddon
Wie können wir die Erde vor einem drohenden Einschlag retten? Zwei denkbare Möglichkeiten:
1. Zerstörung
Den Asteroiden mit einer Atombombe zu zerstören, ist eine denkbar schlechte Idee.
Einerseits würden viele kleine Trümmer entstehen, die weit größeren Schaden anrichten
könnten. Anderseits blieben die meisten Asteroiden von einer Atombombenexplosion
unbeeindruckt, denn sie bestehen zumeist aus Metallen oder sogar nur aus losen
Trümmern. Der Einsatz einer Atombombe käme einem Schlag mit einem Hammer auf
einen Reissack (bzw. einem Amboss) gleich.
2. Ablenken
Eine Methode mit besseren Erfolgsaussichten stellt die Ablenkung dar. Man könnte die
Atombombe neben dem Asteroiden zünden um ihn mit der Druckwelle aus seiner Bahn
zu schleudern. Dies würde, wenn es überhaupt funktioniert, sich jedoch unkontrollierbar
auf die Flugbahn auswirken. Um eine kontrollierbare Ablenkung zu erzielen, ist der
Einsatz eines sogenannten „Traktors“ denkbar, der mit Hilfe seiner Eigengravitation
langsam die Flugbahn korrigiert. Dazu ist aber eine gute Früherkennung notwendig.
Dumm gelaufen Menschheit …
Quellen:
1. „Astronomie – Die kosmische Perspektive“ (5. Auflage) (J. Bennet, M. Donahue, N.
Schneider, M. Voit), Pearson Studium 2010
2. „Spektrum der Wissenschaft“, Ausgaben: 2005/2 (Der Tag an dem die Erde brannte),
2008/7 (Der Tunguska Explosion auf der Spur), 23.11.2008 (Tagebuch – Auf
Kollisionskurs)
3. Wikipedia (4.10.2012): Suchwörter: „Kleinkörper (Astronomie)“, „Impakt“, „Turiner
Skala“
4. Homepage des Near-Earth Object Programms der NASA (4.10.2012):
http://neo.jpl.nasa.gov/risk/doc/sentry.html
5. Video aus der TVthek des ORF: http://tvthek.orf.at/ , „Sendung ohne Namen“ Episode
114: Die Welt im Taumel (18.9. 2012), 9:25 bis 10:30 (mittlerweile noch auf YouTube
verfügbar)
6. „Tod aus dem All: Wie die Welt einmal untergeht“ (Philip Plait), Rowohlt Verlag (E-Book
2012)
7. „Experimentalphysik I“ (5. Auflage) (Wolfgang Demtröder), Springer Verlag 2008
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