Kategorie: Allgemein

Gliederung

1. Einleitung und Klassifikation
2. Erdnahe Objekte
   1. Detektion und Überwachung Erdnaher Objekte: Pan-STARRS und Sentry
   2. Raumsonde OSIRIS-REx
3. Meteoroiden, Meteore und Meteoriten
4. Impakte auf der Erde
5. Fazit
6. Literatur

1 Einleitung und Klassifikation

Das Minor Planet Center (2021) zählte im Januar 2021 etwa 2.200 potenziell gefährliche Asteroiden die sich auf erdnahen Bahnen befinden. Für die nächsten 100 Jahre wird für keines dieser Objekte eine Einschlagswahrscheinlichkeit auf der Erde größer als 5 % berechnet (NASA JPL CNEOS 2020), doch waren die Auswirkungen von Kollisionen der Erde mit anderen Himmelskörpern für die Erdgeschichte elementar, und stellen eine potenzielle Gefahr für die Menschheit dar (Chapmann 2004). Deutlich alltagsnäher sind Kollisionen von kleinen Staub- und Gesteinsteilchen mit der Erdatmosphäre (IMO 2021), die überwiegend Nachts als Sternschnuppen und selten Feuerbälle wahrgenommen werden können. In diesem Beitrag sollen ein Überblick über erdnahe Objekte und zwei Beispiele aktueller Forschungsarbeit zu ihnen, Einschläge (Impakte) extraterrestrischer Objekte auf die Erde und den resultierenden Auswirkungen gegeben werden. Zunächst ist eine Klassifikation der Untersuchungsgegenstände notwendig: Der Fokus liegt dabei auf den zentralen Unterschieden zwischen erdnahen Objekten, die für das Verständnis grundlegend sind. Die Klassifikation von Meteoroiden, Meteoren und Meteoriten ist in das eigene Kapitel 3 ausgegliedert.

Im Jahr 2006 veröffentlichte die Internationale Astronomische Union (IAU) die Resolution B5: „Definition of a Planet in the Solar System“ (IAU 2006). Punkt 1 und 2 der Resolution widmen sich dabei den Planeten und Zwergplaneten, während in Punkt 3 alle anderen die Sonne umkreisenden Objekte, unter dem Sammelbegriff Small Solar System Bodies zusammengefasst werden. Von diesen, im Deutschen als Kleinkörper bezeichneten Objekten (Hanslmeier 2016: 101) ausgenommen sind Satelliten im Sinne natürlicher Monde (Erdmond, Jupitermonde, etc.).

Die prominentesten Vertreter der Kleinkörper sind die Asteroiden (im Deutschen auch Kleinplaneten (Hanslmeier 2020: 232)): wenige Meter bis 1000 km große, unregelmäßig geformte Himmelskörper die vornehmlich aus Stein und Metallen bestehen (Harris 2013; NASA JPL CNEOS o. J.). Es wird angenommen, dass sie wie Kometen Überreste der Entstehung des Sonnensystems sind (NASA JPL CNEOS o. J.). Im Unterschied zu Asteroiden stammen Kometen aus äußeren Bereichen des Sonnensystems und besitzen einen Kern (Nukleus) aus Eis, Gestein und Staub (Weissman 2013). Ist die Distanz zur Sonne gering genug, verdampft Material des Nukleus durch die einwirkende elektromagnetische Strahlung, bildet eine Hülle aus Eis und Staub (Koma) und hinterlässt einen Staubschweif sowie einen Ionenschweif (Hanslmeier 2016: 113; NASA JPL CNEOS o. J.; Weissman 2013) (siehe Kometenaufbau in Abb. 4).

2 Erdnahe Objekte

Unter erdnahen Objekten (engl. NEO für Near Earth Object) werden Asteroiden (NEA für Near Earth Asteroid) und Kometen (NEC für Near Earth Comet) verstanden, die auf ihrer Bahn der Sonne näher als 1.3 Astronomische Einheiten (engl. Astronomical Unit: 1 AU ~1.5 Mio. km) kommen (NASA JPL CNEOS 2021a). Von den im Sonnensystem bis Anfang 2021 entdeckten 1 030 919 Kleinkörpern befindet sich mit 93.9 % der Großteil im Haupt-Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter (Minor Planet Center 2021). 2.4 % werden als erdnahe Objekte eingestuft, dabei sind NEA mit 24 383 beobachteten Objekten gegenüber 110 NEC deutlich häufiger. Weil NEO auf ihren Flugbahnen der Erde näher kommen als andere Kleinkörper, ist ihre Erforschung und Observation zur Vorhersage von künftigen Einschlägen ein wichtiger Bestandteil der Arbeit nationaler und internationaler Weltraumorganisationen wie ESA und NASA und anderer Forschungseinrichtungen (ESA o. J. a; NASA 2019).

2.1 Detektion und Überwachung Erdnaher Objekte: Pan-STARRS und Sentry

Das Panoramic Survey Telescope And Rapid Response System (Pan-STARRS) ist ein Forschungsprojekt zur Himmelsbeobachtung auf Hawaii. Es besteht aus zwei Teleskopen mit je 1.8 m Hauptspiegeldurchmesser (Space Telescope Science Institute 2020) und wird vom Institut für Astronomie der Universität Hawaii betrieben. Die Finanzierung erfolgt zum Großteil durch das Near-Earth Object Observations Program der NASA sowie ein Konsortium verschiedener Einrichtungen, dem auch das Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg angehört (IfA, University of Hawaii o. J.; Max-Planck-Institut o. J.; NASA 2019). Die Observation von 2010 bis 2014 mit dem ersten der zwei baugleichen Teleskope (PS1, siehe Abbildung 6) diente unter anderem der photo- und astrometrischen Untersuchung von Sternen, dunkler Energie und dunkler Materie sowie der Observation des Sonnensystems (Chambers et al. 2016). Die Suche nach erdnahen Objekten und potenziell gefährlichen Asteroiden wurde nach Beendigung der ersten Phase zur Hauptaufgabe für das Teleskopsystem (IfA, University of Hawaii o. J.). Alle Observationsdaten des PS1 Teleskops sind im Internet unter https://panstarrs.stsci.edu/ frei verfügbar (Space Telescope Science Institute 2020). Im Mai 2018 konnte das zweite Teleskop (PS2) in Betrieb genommen werden (IfA, University of Hawaii 2021; IfA, University of Hawaii 2013). Seit Pan-STARRS 2014 primär der Suche nach NEOs gewidmet wurde, konnten mit ihm insgesamt 320 000 der heute etwa eine Million bekannten Asteroiden (IfA, University of Hawaii 2021), und seit 2010 circa 6 600 erdnahe Asteroiden (NASA JPL CNEOS 2021b) entdeckt werden.
Daten von Observationsprogrammen wie Pan-STARRS werden in der Datenbank des Minor Planet Center gesammelt und der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt (Minor Planet Center 2021). Das automatische Monitoringsystem der NASA für erdnahe Objekte „Sentry“ berechnet aus dem daraus entstehenden Datensatz die wahrscheinlichsten Orbits aller erdnahen Objekte für die nächsten 100 oder mehr Jahre, und aktualisiert diese automatisch bei neuen Beobachtungsdaten. Zusätzlich leitet es für jedes erfasste Objekt die Einschlagwahrscheinlichkeit ab (NASA JPL CNEOS 2020). Informationen über Annäherungen mit geringen Entfernungen (engl. close approaches) und Impaktwahrscheinlichkeiten der NEOs werden vom Center for Near Earth Object Studies unter https://cneos.jpl.nasa.gov/sentry/vi.html und https://cneos.jpl.nasa.gov/ca/intro.html bereitgestellt.

2.2 Raumsonde OSIRIS-REx

Der Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, and Security–Regolith Explorer (OSIRIS-REx) ist eine aktive NASA-Raumsonde, die am 8. September 2016 gestartet wurde und im Dezember 2018 ihr Untersuchungsobjekt – den Asteroiden (101955) Bennu – erreichte (University of Arizona 2021). Die Missionsziele bestehen unter anderem darin, eine Probe des Asteroiden zur Erde zu bringen, ihn zu kartieren, der Erforschung des Yarkovsky Effekt (siehe Abbildung 8) und des Vergleichs von atmosphärisch beeinflussten irdischen Messdaten mit unverfälschten Daten vor Ort (Lauretta et al. 2017).

Abb. 7: Die Mission OSIRIS-REx: Raumsonde und Asteroid (101955) Bennu. Eigene Darstellung. Bild Bennu: NASA (2018); Bild OSIRIS-REx: NASA et al. (2016)

Von besonderem Forschungsinteresse ist Bennu, da vermutet wird, dass er aufgrund seiner, bei Spektralanalysen als kohlenstoffreich identifizierten Zusammensetzung, wichtige Erkenntnisse über die Frühphase der Planetenentstehung im Sonnensystem liefern kann (Clark et al. 2011; Hergenrother et al. 2014: 5; Lauretta et al. 2015). Weil er bereits vor der Ankunft der OSIRIS-REx Sonne als einer der am besten erforschten erdnahen Asteroiden galt (Lauretta et al. 2015), bietet Bennu die Chance die zuvor von der Erde und dem Erdorbit aus gewonnenen Erkenntnisse zu überprüfen. So wurde in auf Radaraufnahmen basierenden Modellen von Nolan et al. (2013) ein Äquatorialkamm angenommen, der sich auf den Aufnahmen der Sonde nicht bestätigt hat (Lauretta et al. 2019a). Auch konnte erst durch die Untersuchung durch OSIRIS-REx festgestellt werden, dass Bennu ein aktiver Asteroid ist, bei dem ein Partikelauswurf beobachtbar ist (Lauretta et al. 2019b). Der direkte Einfluss auf den Orbit des Asteroiden hat sich auf Basis der gewonnenen Daten als sehr gering erwiesen, allerdings konnten auf die Rotation des Körpers größere Einflüsse beobachtet werden (Scheeres et al. 2020). Die Relevanz solcher neuen Erkenntnisse liegt ungeachtet wissenschaftlicher Neugierde in der Notwendigkeit, die Bahnen von anderen Körpern im Sonnensystem zur Vermeidung von Kollisionen mit der Erde vorhersagen zu können, und findet sich als S für Security im Missionsnamen und -ziel wieder (University of Arizona 2021) (Siehe Abbildung 7).

In Video 1 ist zu sehen wie der Roboterarm der Raumsonde sich dem Asteroiden am 20. Oktober 2020 nährte um Gestein und Staub aufwirbeln und auffangen zu können. Nach diesem nur wenige Sekunden dauernden Vorgang, begann OSIRIS-REx mit der Verstauung und Sicherung der Probe und begab sich zurück in einen Orbit um Bennu. Der Start zurück zur Erde ist für Mai 2021 geplant, mit dem Vorbeiflug der Sonde und dem Abwurf der Probenkapsel an der Erde wird am 24. September 2023 gerechnet, woraufhin mit ihrer Analyse begonnen werden kann (Potter 2020).

3 Meteoroiden, Meteore und Meteoriten

Der Begriff Meteoroid bezeichnet nach einer neusten von der IAU anerkannten Definition natürliche Festkörper in Größenordnungen von 30 μm bis einen Meter, schließt aber auch alle anderen Objekte ein, die bei Eintritt in die Erdatmosphäre einen Meteor (umgangssprachlich Sternschnuppe) hervorrufen (Koschny & Borovicka 2017). In der gleichen Definition werden Meteore als die mit diesem Eintritt einhergehenden Lichterscheinungen und physischen Phänomene („Hitze, Schock, Ionisation“) (Koschny & Borovicka 2017) charakterisiert. Da diese auch durch Asteroiden und Kometen hervorgerufen werden können, lassen auch sie sich bei Kollision mit der Erde als Meteoroiden klassifizieren. Die nicht verglühten Überreste von Meteoroiden werden nach ihrem Erdeintritt als Meteoriten bezeichnet (Koschny & Borovicka 2017). Meteore heller als Magnitute (mag) -4 werden Bolide oder Feuerbälle, bei Helligkeiten größer mag -17 Superbolide genannt und können über weite Distanzen wahrgenommen werden (NASA JPL CNEOS 2021c).

Ein besonders starker Bolid („Superbolid“) wurde im Jahr 2013 über Chelyabinsk in Russland beobachtet und ist dem einem aus 200 km Entfernung aufgenommenen Video 2 zu sehen. In einem Winkel von 18° traf der etwa 20 m große Asteroid mit einer Geschwindigkeit von unter 20 km/s auf die Erdatmosphäre und legte mehr als 100 km zurück, bevor er in einer Höhe von circa 30 km explodierte (Chapman 2013; ESA o. J.). Die kinetische Energie betrug 570 ± 150 kT TNT Äquivalente und wurde in Schockwellen freigesetzt, welche bis zu 120 km weit Schäden anrichteten (Popova et al. 2013): in 3 613 Gebäuden wurden Fenster zerbrochen, 1 200 Menschen wurden verletzt (FAZ 2013; Popova et al. 2013). Die Häufigkeit solcher Ereignisse ist gering, der Bolid von 2013 war der größte – bekannte – Asteroideneinschlag seit dem Tunguska-Ereignis von 1908 (Popova et al. 2013). Die untenstehende Weltkarte zeigt die in den letzten 30 Jahren von der US-Regierung registrierten Boliden. Es wird deutlich, dass Energiereiche Impakte vergleichsweise selten sind (vgl. auch (Zolensky et al. 2006: 872)).

Es ist zu beachten, dass auf der Karte nur die größten registrierten Bolide und Superbolide eingetragen sind. Der Anteil kleinerer Meteore ist deutlich höher: im Jahr 2010 alleine wurden von der International Meteor Organisation 104 089 Meteore durch 466 Beobachter in 1 924 Beobachtungssitzungen gemeldet (IMO 2021).

4 Impakte auf der Erde

Für Informationen zu Impakten auf dem Mond siehe: Unser Mond.
Die Auswirkungen eines Einschlages (Impakt) auf die Erde sind stark von den Faktoren Größe und Masse des Impaktor, Einschlagswinkel, Einschlagsgeschwindigkeit und dem Untergrundmaterial abhängig (Collins et al. 2005). Ab einer Größe von 20 m bei metallreichen und 60 m bei steinigen Körpern werden atmosphärische Effekte so gering, dass die Impaktoren kaum abgebremst werden und hyper-velocity Impakt-Krater erzeugen (Collins et al. 2012; French 1998: 17). Der Ablauf der Kraterbildung eines solchen Ereignisses wird in Video 3 für die älteste bekannte Kraterstruktur, den Yarrubbuba Krater in Australien, simuliert. Es handelt sich dabei um eine Art von komplexer Kraterstruktur, die stark kollabiert und nicht die charakteristische Schüsselform einfacher Krater, wie sie in Video 4 zu sehen ist, aufweisen (French 1998: 24).

Es wird zwischen einfachen und komplexen Krater(-strukturen) unterschieden, die sich primär durch die im Einschlag freigesetzte Energie und die entstehende Form abgrenzen. Einfache Krater entstehen durch kleinere, komplexe durch größere Impaktoren (Collins et al. 2012: 27; French 1998: 24). Abbildung 13 zeigt die Unterschiede in der Form zwischen einfachen und komplexen Kratern.

Kleinere Objekte verursachen low-velocity Impakte und verglühen größtenteils bis vollständig oder zerbrechen in viele einzelne Fragmente, (Brykina 2018; French 1998: 17). Von den jährlich etwa 50 000 t Material die die Erde treffen, sind der absolute Großteil interplanetarer Staub und kleine Meteoroiden. (Drolshagen et al. 2017; Zook 2001). Je größer ein Kleinkörper, desto geringer ist die statistische Häufigkeit eines Einschlags (Wheeler & Mathias 2019). Dieser Zusammenhang wird in Abbildung 14 verdeutlicht. Außerdem sind die Anzahl der bislang entdeckten Asteroiden jeweiliger Größenklassen und die Einschlagskraft, welche bei einem Einschlag freigesetzt würde, aufgetragen. Auf ihrer Website https://www.esa.int/Safety_Security/Planetary_Defence stellt die ESA weiteres anschauliches Infomaterial bereit, auf das an dieser Stelle verwiesen werden soll.

Nach Chapman (2004) wäre ein 2-3 km großer Asteroid (Chapman 2008) in der Lage, die Menschheit global zu vernichten. Die Folge des Aufpralls wären beispielsweise Erdbeben von bis zu 13 auf der Richterskala, ein Ausfall der Landwirtschaft aufgrund des in die Atmosphäre geblasenen Staubes, der außerdem das Sonnenlicht blockieren würde, Feuerstürme und Tsunamis (Chapman 2008; Chapman 2004; Paine & Peiser 2004; Ward & Asphaug 2000). Die Blockade des Sonnenlichtes würde außerdem zu einem deutlichen absinken der globalen Temperaturen führen (Brugger et al. 2017). In der Erdgeschichte werden Impakte großer Asteroiden für mehrere Massenaussterben verantwortlich gemacht, darunter das der Dinosaurier und etwa 75% aller anderen Spezies im sogenannten Cretaceous-Paleogene Massensterben vor 66 Millionen Jahren (Brusatte et al. 2015; Chiarenza et al. 2020; Grotzinger & Jordan 2017: 237). Dass Asteroiden nicht nur Leben zerstören, sondern möglicherweise auch für seine Entstehung auf der Erde verantwortlich sind, wird im im Themenbeitrag Lebensraum Erde diskutiert.
Durch Verwitterungs- und andere erosive Prozesse werden Impakt-Krater im Laufe der Zeit verändert (Schmieder & Kring 2020), eine Darstellung verschiedener Stufen der Degradation findet sich in der untenstehenden Abbildung. An dieser Stelle sei auf den Themenbeitrag zur Plattentektonik verwiesen.

5 Fazit

Die Relevanz der Erforschung Erdnaher Objekte liegt nicht in der Häufigkeit ihrer Einschläge auf der Erde sondern in der Katastrophalität mit der sie einhergehen. Aber auch aus wissenschaftlicher Neugierde ist ihre Untersuchung von Interesse, da sie als Zeugen der Entstehung des Sonnensystems möglicherweise noch viele neue Einblicke geben können.

Literatur

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