Krater unterm Stethoskop

Wenn ein Meteorit die Erde trifft, hinterlässt er mehr als nur einen Krater. Welche Schäden im Untergrund entstehen, testen Forscher mit Hilfe von Laborversuchen mit Miniboliden und Ultraschallmessungen. Ihre Ergebnisse helfen dabei, wichtige Ereignisse der Erdgeschichte besser zu verstehen und auch Schäden durch kommende Impakte einzuschätzen.

Ein Meteoriteneinschlag setzt enorme Energien frei. Er lässt Gestein verdampfen, schleudert Auswurf kilometerweit und hinterlässt einen Krater. Doch nicht nur an der Erdoberfläche bleiben nach einem solchen Impakt Spuren. Auch unterirdisch entstehen Risse und Spalten, abhängig von Größe, Energie und Einschlagswinkel des Himmelskörpers. Doch das Ausmaß dieser Schädigungszone können geophysikalische Messverfahren bislang nur ungenau erfassen.

Metallkugeln als Mini-Meteorite

„Bei natürlichen Kratern können wir oft nur Vermutungen darüber anstellen, welche Schäden von dem Meteoriteneinschlag selbst stammen und welche Risse nachträglich durch die Verwitterung des Gesteins entstanden sind“, sagt Christian Große von der Technischen Universität München (TUM). Er und seine Kollegen arbeiten deshalb daran, die Bildung von Kratern besser zu verstehen: Sie haben dafür Miniatur-Meteorite unter Laborbedingungen einschlagen lassen – und unterziehen die Krater einer Ultraschallanalyse.

Bis zu 30.000 Kilometer pro Stunde schnell sind die Metallkugeln, die die Forscher auf einen Sandsteinblock schießen. Im Labor des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdynamik in Freiburg simulieren die Miniatur-Meteorite die Zerstörungskraft von echten Einschlägen: Ein Zentimeter große Projektile hinterlassen einen sechs Zentimeter breiten und einen Zentimeter tiefen Sandsteinkrater.

Ultraschall eines Sandsteinblocks nach dem Einschlag eines Mini-Meteoriten © TUM / MEMIN

Mit Hilfe von Ultraschallmessungen können die Wissenschaftler dabei systematisch erheben, wie sich Größe, Energie und Einschlagswinkel eines Meteoriten auf die Beschaffenheit der unterirdischen Schädigung auswirken. „Bei einem senkrechten Aufprall können wir beispielsweise eine halbkugelförmige Schädigungszone erfassen. Trifft der Meteorit schräg auf, kann das anders aussehen“, sagt Große. Bis zu achtmal breiter als der eigentliche Krater ist die Zone, in der unterirdisch Risse und Spalten verlaufen.

Signale aus dem Inneren des Gesteins

Mithilfe des Ultraschall-Tomografen lassen sich Grad und Ausbreitung der verborgenen Risse im Gestein erfassen, ohne die wertvollen experimentellen Krater zu beschädigen. Dazu wird ein akustisches Signal in einer bestimmten Frequenz durch den Sandsteinblock geschickt. Weil sich die Schallwellen im Gestein mit 3.000 Metern pro Sekunde etwa zehnmal schneller ausbreiten als in der Luft, verursachen Risse und Spalten Signale mit größerer Amplitude.

Auf der Basis dieser Signale erstellen die Wissenschaftler Geschwindigkeitsfelder, die sichtbar machen, wo die Schallwellen von Rissen aufgehalten werden. „Im nächsten Schritt verändern wir gezielt die Schussenergie und den Einschlagswinkel der Miniatur-Meteorite – und damit auch den unterirdischen Teil der Krater“, erklärt Große. „Die Kollision von Himmelskörpern gehört zu den wichtigsten Prozessen bei der Entstehung unseres Sonnensystems. Mit den Kraterexperimenten können wir auch ihre Wirkung auf die Erde besser abschätzen.“ (Meteoritics & Planetary Science, 2013, doi: 10.1111/maps.12000)

(TU München, 17.12.2013 – NPO)