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Asteroideneinschlag

Wähle Größe, Material, Geschwindigkeit und Winkel — und spüre die Energie in Joule und Megatonnen TNT.

Wähle Größe, Material, Geschwindigkeit und Winkel. Zuerst hat die Atmosphäre das Wort: Kleine, schwache Körper zerplatzen am Himmel, große oder feste schlagen durch. Dann wird die Energie zu Feuerball, Druckwelle und Krater. Jede Zahl stammt aus den veröffentlichten Gleichungen des Earth Impact Effects Program.

Dein Asteroid
Zerbricht in ⁦54 km⁩ Höhe, doch der Trümmerschwarm trifft trotzdem mit ⁦16,1 km/s⁩ auf den BodenKomplexer Krater: ⁦4,9 km⁩ Durchmesser, ⁦640 m⁩ tief
Zusammensetzung

Kleine Zahlen: Dichte in kg/m³.

11 km/s ist das Minimum (die Fluchtgeschwindigkeit der Erde); 72 km/s ist ein rückläufiger Komet, der frontal auftrifft.

Gemessen ab dem Horizont: 90° heißt senkrecht. 45° ist der wahrscheinlichste Winkel.

Einschlagsort
Energie (TNT-Äquivalent)
1.460 Mt TNT
6,1×10¹⁸ J · ≈ ⁦98.000⁩ × Hiroshima · am Boden noch ⁦1.320 Mt TNT⁩
Endkrater
4,9 km
Komplexer Krater · Tiefe ⁦640 m⁩
Radius des Feuerballs
3,5 km
Seine Hitze ist auf der Karte eingezeichnet
Erdbeben (Magnitude)
M 6,7
So viel Energie: etwa einmal in ⁦32.000⁩ Jahren

Schadensringe, maßstabsgetreu

Tippe oder ziehe auf der Karte — oder nutze den Schieberegler —, um die Wirkung in jeder Entfernung abzulesen.

50 km100 km150 km53 kmNullpunkt50 km
  • Krater 2,4 km
  • Feuerball 3,5 km
  • Kleidung entzündet sich 28 km
  • Verbrennungen 3. Grades 42 km
  • Verbrennungen 2. Grades 54 km
  • 20 psi · Betonbauten zerstört 24 km
  • 5 psi · die meisten Häuser stürzen ein 48 km
  • 1 psi · Fensterscheiben zerbersten 130 km

In ⁦53 km⁩ Entfernung vom Nullpunkt

  • Die Hitze verursacht Verbrennungen 2. Grades
  • Die Druckwelle lässt Fensterscheiben zerbersten
Maximaler Überdruck
28 kPa
Maximaler Wind
60 m/s
Hitze (Wärmestrahlung)
860 kJ/m²
Ejektaschicht
1,6 cm

Kraterquerschnitt (echter Maßstab 1:1)

Burj KhalifaD = 4,9 kmd = 640 m

Bei einem komplexen Krater federt der Boden zurück: flacher Boden, terrassierte Wände, Zentralberg (Form schematisch; Durchmesser und Tiefe aus dem Modell). Maßstabsgetreu sind große Krater erstaunlich flach.

Größenvergleich, maßstabsgetreu

300 mEiffelturm330 m

Wirkung nach Entfernung

EntfernungMaximaler ÜberdruckMaximaler WindHitze (Wärmestrahlung)EjektaschichtWas passiert
5 km4,1 MPa1.600 m/s110 MJ/m²19 m
Die Hitze setzt Kleidung in Brand
Die Druckwelle zerstört Stahlbetonbauten
10 km870 kPa700 m/s26 MJ/m²2,4 m
Die Hitze setzt Kleidung in Brand
Die Druckwelle zerstört Stahlbetonbauten
20 km190 kPa280 m/s6,5 MJ/m²30 cm
Die Hitze setzt Kleidung in Brand
Die Druckwelle zerstört Stahlbetonbauten
50 km32 kPa66 m/s980 kJ/m²1,9 cm
Die Hitze verursacht Verbrennungen 2. Grades
Die Druckwelle lässt Fensterscheiben zerbersten
100 km10 kPa22 m/s190 kJ/m²2,4 mm
Die Druckwelle lässt Fensterscheiben zerbersten

Druckwelle: Anpassung von Collins et al. (2005) an Testdaten für 1 kt (Glasstone & Dolan 1977), skaliert mit der Kubikwurzel der Energie. Hitze: 0,3 % der Energie werden zu Strahlung; die Schwellen für Verbrennungen und Entzündung wachsen mit E^(1/6). Ejekta: Dicke der Schicht, die in dieser Entfernung niedergeht.

So funktioniert das Modell

Die kinetische Energie des Asteroiden ist E = (π/12) ρ L³ v² mit der Dichte ρ, dem Durchmesser L und der Geschwindigkeit v. Eine Megatonne TNT entspricht 4,184 × 10¹⁵ Joule.

Beim Fall durch die Atmosphäre drückt die Luft mit etwa ρ_air v² auf die Vorderseite des Körpers. Übersteigt dieser Druck seine Festigkeit, zerbricht er; die Trümmerwolke plattet sich wie ein Pfannkuchen ab, und dehnt sie sich vor dem Erreichen des Bodens auf das Siebenfache ihrer ursprünglichen Breite aus, wird die gesamte Energie auf einmal als Luftexplosion frei. So explodierten die Körper von Tscheljabinsk und Tunguska, ohne Krater zu hinterlassen.

Erreicht er den Boden, liefert die π-Skalierung den Übergangskrater, der in den ersten Sekunden ausgehoben wird. Seine Wände rutschen nach und bilden eine um 25 % breitere Endschüssel (einfacher Krater) oder brechen — ab etwa 3,2 km — zu einem weiten, flachen komplexen Krater mit Zentralberg zusammen.

Ab etwa 15 km/s verdampft der Einschlag Gestein zu einem Feuerball, dessen Hitze noch in der Ferne Verbrennungen verursacht. Danach folgt die Druckwelle, und der Boden bebt mit der Magnitude M = 0.67 log₁₀E − 5.87 (E in Joule).

Die verwendeten Gleichungen

  • E = (π/12) ρᵢ L³ v² Collins et al. 2005, eq. 1
  • Yᵢ = 10^(2.107 + 0.0624 √ρᵢ) Collins et al. 2005, § entry
  • z_b = z* − 2H ln[1 + (l/2H) √(f_p² − 1)], f_p = 7 Collins et al. 2005, eq. 18
  • D_tc = 1.161 (ρᵢ/ρ_t)^⅓ L^0.78 vᵢ^0.44 g^−0.22 sin^⅓θ Collins et al. 2005, eq. 21
  • D_fr = 1.25 D_tc | D_fr = 1.17 D_tc^1.13 / D_c^0.13 Collins et al. 2005, eq. 22, 27
  • R_f = 0.002 E^⅓, φ = f η E / (2π r²), η = 3×10⁻³ Collins et al. 2005, § thermal
  • p = (p_x r_x / 4r₁)(1 + 3 (r_x/r₁)^1.3), r₁ = r / E_kt^⅓ Collins et al. 2005, § air blast
  • M = 0.67 log₁₀E − 5.87 Collins et al. 2005, § seismic
  • t_e = D_tc⁴ / (112 r³) Collins et al. 2005, § ejecta

Echte Einschläge: Modell und Befund

Für jeden echten Einschlag erhält das Modell die besten Schätzwerte für Größe, Material, Geschwindigkeit und Winkel. Die Spalte „Befund“ zeigt, was tatsächlich beobachtet oder rekonstruiert wurde — vergleiche beide, um zu sehen, wie weit ein einfaches Modell kommt.

Ereignis Eingaben Modell Befund Quelle
Tscheljabinsk (2013) 19 m · Dichtes Gestein · 19 km/s · 18°
465 kt TNT
Luftexplosion in ⁦33 km⁩ Höhe
440–500 kt TNT
Luftexplosion in ⁦≈ 30 km⁩ Höhe
Brown et al. 2013, Nature 503, 238; Popova et al. 2013, Science 342, 1069
Tunguska (1908) 60 m · Dichtes Gestein · 16 km/s · 35°
10,4 Mt TNT
Luftexplosion in ⁦7,8 km⁩ Höhe
3–15 Mt TNT
Luftexplosion in ⁦5–10 km⁩ Höhe
Boslough & Crawford 2008, Int. J. Impact Eng. 35, 1441
Meteorkrater
≈ 50 ka
40 m · Eisen · 18 km/s · 45°
10,4 Mt TNT
Krater ⁦1,2 km⁩
Krater ⁦≈ 1,2 km⁩
Melosh & Collins 2005, Nature 434, 157
Chicxulub
66 Ma
12 km · Dichtes Gestein · 20 km/s · 60°
1,3×10⁸ Mt TNT
Krater ⁦150 km⁩
Krater ⁦≈ 180 km⁩
Hildebrand et al. 1991, Geology 19, 867; Collins et al. 2020, Nat. Commun. 11, 1480

Wie sicher sind diese Zahlen?

  • Größe, Dichte, Geschwindigkeit und Winkel eines echten Impaktors kennt man selten genauer als auf einige zehn Prozent — und die Energie wächst mit der dritten Potenz der Größe und dem Quadrat der Geschwindigkeit.
  • Die Formeln für Krater, Druckwelle und Hitze sind Anpassungen an Experimente, Kernwaffentestdaten und Simulationen: genau bis auf einen kleinen Faktor, nicht bis auf die letzte Stelle. Für Chicxulub liefert unser Modell zum Beispiel einen Krater von etwa 150 km statt der beobachteten rund 180 km.
  • Das Pfannkuchenmodell des Zerbrechens ist bewusst einfach; neuere Fragmentationsmodelle ergeben etwas andere Explosionshöhen. Weder die Hitze von Luftexplosionen noch Tsunamis werden modelliert. Schadensschwellen wie „5 psi bringen die meisten Häuser zum Einsturz“ stammen aus Kernwaffentests und hängen von der Bauweise der Gebäude ab.
  • Sehr kleine oder langsame Körper werden auf wenige km/s oder weniger abgebremst und hinterlassen kleine Gruben; die Kratergleichung (Schwerkraftregime) überschätzt sie.

Fragen

Wie viel Energie setzte der Asteroid frei, der die Dinosaurier auslöschte?

Ungefähr 10²³–10²⁴ Joule — in der Größenordnung von 100 Millionen Megatonnen TNT, also Milliarden Hiroshima-Bomben. Ein etwa 10–15 km großer Körper schlug vor 66 Millionen Jahren mit rund 20 km/s bei Chicxulub in Mexiko ein und hinterließ einen etwa 180 km breiten Krater.

Warum hinterließen Tscheljabinsk und Tunguska keinen Krater?

Beides waren Steinkörper von einigen zehn Metern Größe. Der Luftdruck zermalmte sie hoch in der Atmosphäre — bei Tscheljabinsk in rund 30 km Höhe, bei Tunguska in etwa 5–10 km —, sodass ihre Energie als Luftexplosion frei wurde. Die Tunguska-Explosion knickte etwa 2.000 km² sibirischen Wald um.

Wie oft kommen solche Einschläge vor?

Collins et al. (2005) geben den mittleren Abstand mit etwa 109 × E^0.78 Jahren an (E in Megatonnen): etwa alle 60 Jahre für eine Luftexplosion wie in Tscheljabinsk (0,5 Mt), alle 600–700 Jahre für 10 Mt und größenordnungsmäßig alle 100 Millionen Jahre für einen Einschlag wie Chicxulub.

Was bedeutet „5 psi“?

Der Überdruck gibt an, wie weit die Druckwelle den Luftdruck über den Normalwert anhebt (101 kPa ≈ 14,7 psi). 1 psi (6,9 kPa) lässt Fensterscheiben zerbersten, 5 psi (34 kPa) bringen die meisten Häuser zum Einsturz und 20 psi (138 kPa) zerstören Stahlbetonbauten. Diese Schwellen stammen aus Schadenserhebungen nach Kernwaffentests (Glasstone & Dolan 1977).

Quellen

  1. Collins, G. S., Melosh, H. J. & Marcus, R. A. (2005). Earth Impact Effects Program. Meteoritics & Planetary Science 40, 817–840.
  2. Earth Impact Effects Program (Imperial College London / Purdue University)
  3. Glasstone, S. & Dolan, P. J. (1977). The Effects of Nuclear Weapons, 3rd ed. U.S. DoD/DoE.
  4. Rumpf, C. M., Lewis, H. G. & Atkinson, P. M. (2017). Population vulnerability models for asteroid impact risk assessment. Meteoritics & Planetary Science 52, 1082–1102.
  5. Brown, P. G. et al. (2013). A 500-kiloton airburst over Chelyabinsk… Nature 503, 238–241.
  6. Popova, O. P. et al. (2013). Chelyabinsk airburst, damage assessment, meteorite recovery, and characterization. Science 342, 1069–1073.
  7. Boslough, M. B. E. & Crawford, D. A. (2008). Low-altitude airbursts and the impact threat. Int. J. Impact Engineering 35, 1441–1448.
  8. Melosh, H. J. & Collins, G. S. (2005). Meteor Crater formed by low-velocity impact. Nature 434, 157.
  9. Hildebrand, A. R. et al. (1991). Chicxulub Crater… Geology 19, 867–871.
  10. Collins, G. S. et al. (2020). A steeply-inclined trajectory for the Chicxulub impact. Nature Communications 11, 1480.

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