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Ergebnisse Projekt 6

Kraterstruktur und -exkavation: Die Effekte von Projektilgröße und Projektilgeschwindigkeit, sowie Porosität und Wassersättigung des Untergrundes

Ziele des Projektes

Obwohl Einschlagskrater von Meteoriten relativ häufig zu finden sind kann der Impakt selbst nicht beobachtet werden. Eine wichtige Quelle zum Verständnis der Abläufe ist daher die Untersuchung die ausgeworfenen Gesteine an der Oberfläche. Allerdings zeigen diese Ejekta in ihrer Verteilung und Art deutliche Unterschiede, die z.B. auf die Eigenschaften der Gesteine des Untergrunds zurückzuführen sind. Diese Gesteine sind häufig porös, besitzen eine Lagenbau und enthalten gegebenenfalls Porenwasser. Diese Eigenschaften steuern Magnitude und Dämpfung von Stoßwellen und beeinflussen damit den Kraterbildungsprozeß. Mit diesem Projekt wird beabsichtigt, die Effekte dieser Parameter für verschiedene Sedimentgesteine zu quantifizieren. Dazu werden Impakte experimentell unter wechselnden Bedingungen erzeugt. Wir ändern:

  • die Geschossmasse von 0,067 über 4,1 auf 7,3 g,

  • die Geschossgeschwindigkeit von 2,5 über 3,5 auf 4,6 km s-1,

  • und wir sättigen den verwendeten Sandstein mit 50 und 90% Wasser.

Bei unseren Experimenten werden mit einer Leichtgaskanone Stahlkugeln auf Sandsteinblöcke abgefeuert. Die Einschläge werden mit Hochgeschwindigkeitskameras gefilmt, der Kraterauswurf (Ejekta) gesammelt und analysiert und der Krater vermessen und kartiert. Die folgende Abbildung zeigt den Versuchsaufbau: Schwarzpulver wird in der Pulverkammer gezündet, ein Kolben presst das Leichtgas (Wasserstoff) zusammen bis der gewünschte Druck erreicht ist und eine Membran bricht und den Zugang zum Geschoß freigibt. Dieses lagert aus einem Träger und wird nun im Lauf beschleunigt. Im Blast-Tank trennt Träger und das Geschoß schlägt auf dem Sandstein ein.

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Ein wichtiges Hilfsmittel für unsere Untersuchungen ist der Ejektafänger, dessen Einbau im folgenden Bild dargestellt wird.

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Nach dem Schuss zeigt der Fänger Verteilung und Menge eines Teils des Auswurfmaterials und erlaubt eine detaillierte Untersuchung des Ablaufs. Das folgende Bild zeigt den Fänger nach dem Schuß.

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Experimente und natürliche Krater

Die Verwendung unterschiedlicher Maßstäbe erlaubt die Schlussfolgerung, dass eine Skalierung von Experimenten zu natürlichen Ereignissen zulässig ist. Der Vergleich von Versuchen in kleinem Maßstab, Explosionen im 10er bis 100er Meter Bereich und natürlichen Meteoritenkratern ist sehr gut möglich, wenn die Parameter für die Massenbewegungen, Energie- und Druckverhältnisse oder Geschwindigkeit mathematisch korreliert werden. Die folgende Illustration beschreibt das Verhältnis der gesamten Auswurfmenge an Material bei Impakter-Eignissen verschiedener Größe mit dem jeweils größten Auswurfstück und es kann eine Formel formuliert werden, die den Zusammenhang beschreibt.

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Der Ejektaprozess

Durch den kombinierten Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras und einem Ejekta-Fängersystem kann der Ablauf des Auswurfprozesses in mindestens vier Schritte unterteilt werden. Direkt nach dem Aufprall des Projektils ist ein leuchtender Feuerball umgeben von einer hellen Wolke aus feinen Partikeln zu erkennen, direkt im Anschluss entwickelt sich Trichter aus gröberen Partikeln (a). Dieser zweite Trichter verändert seine Form unter dem Einfluss entstehender Turbulenzen, ein charakteristischer Knick bildet sich aus (b). Als letzter Schritt steigt eine Röhre aus groben Partikeln und Bruchstücken fast senkrecht aus dem Umfeld des Kraters auf (c) und überlagert teilweise das bereits ausgeworfene Material.

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Dieser Ablauf wird durch die Veränderung der Parameter für Projektilmasse, Projektilgeschwindigkeit und die Wassersättigung des Zielgesteins modifiziert. Unten stehende Abbildung zeigt die Veränderung der Auswurfwinkel in den einzelnen Experimenten.

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Die Parameterstudien zeigen also einen Zusammenhang von Projektil-Geschwindigkeit, Zielgestein und  Auswurfwinkel. Mit zunehmender Geschwindigkeit werden die Auswurfwinkel flacher mit zunehmender Wassersättigung des Sandsteins nehmen sie zu. Vergleiche mit anderen Studien zu diesem Thema bestätigen unsere Resultate. Besonders interessant ist in diesem Zusammenhang, das die Resultate auch in planetarem Maßstab ihre Entsprechung haben, auf trockenen Körpern wie Mars und Erde finden wir flache Auswurfwinkel und auf eishaltigen Körpern wie den Jupitermonden Ganymed und Europa finden wir steile Winkel.

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Der Unterschied im Auswurfverhalten lässt sich mithilfe von Farbpartikeln noch genauer analysieren. Die folgende Abbildung zeigt die Farbverteilung im Zielbereich.

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Mit zunehmender Entfernung vom Aufschlagpunkt nimmt der Auswurfwinkel bei trockenen Zielen ab, das Material wandert auf den Fängern nach innen. Bei nassen Zielen überlagert sich der Auswurf weitet sich dabei aber auf (siehe Abbildung).

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Über die Auswertung unserer Fänger lassen sich die Folgen detailliert betrachten. In der folgenden Abbildung ist deutlich zu erkennen, dass die Partikel im inneren Bereich (links) der Fänger feinkörniger sind als im äußeren Bereich. Es handelt sich um zersplitterte Quarzkörner des ursprünglichen Sandsteins. Fundort und Zerstörungsgrad legen nahe, dass es sich hier in erster Linie um Material der Wolke der frühen Auswurfphase handelt während das Material aus der späteren Trichterphase aus weitgehend unzerstörten Quarzkörnern besteht. Es zeigt sich ebenfalls deutlich das Ejekta von trockenen Gestein gut sortiert ist (oben), während bei wasser-gesättigtem Gestein das Auswurfmaterial ein breites Spektrum an Größen aufweist.

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Als Gründe für diese Beobachtung können die Veränderten Eigenschaften des Sandsteins bei Wassereintrag angeführt werden:

  • Die Bruchfestigkeit des Materials wird gesenkt,

  • der Dichtekontrast zwischen den Quarzkörnern und dem Porenraum wird verringert und

  • Wasser verdampft unter Impaktbedingungen und wirkt dann explosiv. Die Volumenzunahme von Wasser zu Wasserdampf beträgt das 1600fache.

  • Unter dem Elektronenmikroskop können Aufschmelzungen und Hochdruckdeformationen beobachtet werden, die Aufschluss über die herrschenden Druckverhältnisse geben. Während für Scherbrüche drücke von 3,5 Gigapascal ausreichen sind für Aufschmelzungen Druckspitzen bei 50 Gigapascal zu erwarten.

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Fassen wir unsere Ergebnisse zusammen und ergänzen wir sie durch die Daten aus benachbarten MEMIN-Projekten, dann lässt sich bereits ein detaillierteres Bild des Auswurfablaufs zeichnen. In der folgenden Abbildung ist ein typischer Ablauf der einzelnen Schritte für einen trockenen Sandstein, kombiniert mit einer angenäherten Entwicklung der Druckverhältnisse, dargestellt. Die Erstellung einer Energiebilanz für den Ablauf ist das Ziel zukünftiger Forschungen.

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Frank Sommer

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