Basiswissen

Trifft ein schnell bewegter Körper auf einen anderen - oft ruhend gedachten - Körper auf, so spricht man von einem Aufprall, Einschlag oder Impakt. Das Wort wird zum Beispiel benutzt beim Aufschlag von Asteroiden oder Meteoriten auf Mond- oder Planetenoberflächen. Bei Wassertropfen spricht man im Englischen von einem drop impacts. Das ist hier kurz vorgestellt.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Ein Himmelskörper von der Größe des Mondes trifft auf einen kleinen Planeten von der Größe des Merkur: das Ereignis des Auftreffens ist der Impakt. © NASA/JPL-Caltech ☛

Ein Impakt erzeugt oft Krater

Trifft ein größerer Meteorit auf die Oberfläche eines Himmelskörpers, so entsteht durch den Aufprall (den Impakt) zunächst ein Krater. Typisch für einen solche Krater ist die rundliche Form mit einem Wall von ausgeworfenem Material herum. So entstanden zum Beispiel die Krater auf dem Mond mit den typischen Zentralbergen^[1] oder der berühmter Chicxulub-Krater^[2]. Man kann die Entstehung eines solches Kraters nachstellen, indem man einen kleinen Stein in schnell von oben in weichen Stand wirft. Siehe auch Krater ↗

Der Impakt verwandelt Energie

In unserem Sonnensystem gibt es neben den Planeten^[3] und Monden^[4] auch sogenannte Asteroide^[5], Meteoroide^[6] und Kometen^[7], Himmelskörper von der Größe von Staubteilchen bis hin zur Größe kleiner Monde. Diese Himmelskörper bewegen sich mit oft sehr großen Geschwindigkeiten von bis zu 70 Kilometern pro Sekunde. Tritt ein solche Körper in die Lufthülle der Erde ein, so entsteht sofort Reibungswärme durch die Luft. Kleinere Körper verglühen dadurch sofort und sind uns als Sternschnuppen bekannt^[8]. Erreicht ein Meterorit mit einer Masse von 2 Kilogramm die Erdoberfläche, so hat er beim Aufschlag genug Energie, um damit fast eine Tonne Wasser - das sind 1000 Liter - von 20 °C sofort zu verdampfen^[9]. Alleine die schlagartige Entstehung von solchem Dampf hätte ein verheerende Wirkung auf die Umgebung. Siehe auch Fallenergie ↗

Die Bedeutung der Zeit bei einem Impakt

Ausschlaggebend für die Zerstörungswirkung eines Impakt-Ereignisses ist nicht die Menge der umgesetzen Energie sondern die Kürze der Zeit, oft in Verbindung mit einem kurzen Bremsweg, in denen der Bremsvorgang abläuft. Um das besser zu verstehen, hilft vielleicht ein einfaches Experiment.

Man lässt eine billige Porzellanmurmel aus etwa einem Meter Höhe auf einen steinernen Boden fallen. Dabei wird die Kugel wahrscheinlich zerspringen. Im Moment des Aufpralls wurde die kinetische Bewegungsenergie der Kugel in sehr kurzer Zeit abgebaut. Die Kürze der Zeit heißt, dass die Energien schneller durch das Material fließen, als das sie fortgeleitet werden könne. Die Murmel zerspringt. Siehe auch Bremsweg ↗

In einer zweiten Version des Versuch lässt man dieselbe Art von Kugel jetzt auf weichen Sand oder auf Schaustoff oder eine Bettdecke fallen. Die Kugel hat beim ersten Aufprall dieselbe Menge an Bewegungsenergie, die abgebaut weden muss. Der weiche Untergrund erlaubt aber eine deutlich längere Bremsstrecke und damit auch eine deutlich längere Bremszeit. Der Energiefluss verteilt sich auf eine längeren Zeitraum und bleibt damit unschädlich für die Kugel. Siehe dazu auch Bremszeit ↗

Könnte man etwa die kinetische Energie beim Aufprall eines Asteroiden wie des Chicxolub-Asteroiden, der die Dinosauerier auslöschte, über einen sehr langen Zeitraum von vielleicht Stunden, Tagen oder Monaten auf den Einschlagort einwirken lassen, bliebe das Geschehen völlig undramatisch. Um rechnerisch angeben zu können, in welch kurzer oder langer Zeit eine bestimmte Menge an Energie umgesetzt wird, nutzt man die Idee der physikalischen Leistung ↗

Tropfen-Impakt auf Wasseroberflächen

Wassertropfen zeigen bei einem Aufprall sehr unterschiedliche Effekt, abhängig von der Oberfläche, auf der sie aufschlagen. Schlägt ein Wassertropfen auf eine Wasseroberfläche auf, so entstehen im Einschlagkrater oft neue, nach oben zurücknellende Tropfen. Im Englischen spricht man von einem rebound effect.^[10]

Ein Wassertropfen schlägt aus etwa 30 cm Höhe auf einer Wasseroberfläche auf. Die erzeugten Wellen breiten sich mit etwa 30 cm/s kreisförmig aus.

Auf Wasser bilden die aufgeschlagenen Tropfen einen meist kurzen Wellenzug, der sich kreisförmig mit einer Geschwindigkeit von zum Beispiel etwa 30 Zentimetern pro Sekunde ausdehnt. Siehe auch unter Impaktwelle ↗

Fußnoten

[1] Die Krater auf dem Mond kann man bereits mit einem einfachen Fernglas gut erkennen. Typisch für Krater stellen sie eine Vertiefung in der Umgebung dar und sind von einem Kraterwall (dem ausgeworfenen Material) umgeben. Viele der Mondkrater haben in ihrer Mitte auch noch einen steil auf aufragenden kleinen Berg, den sogenannten Zentralberg. Siehe mehr dazu unter Mondkrater ↗

[2] Der Chicxulub-Krater auf der Halbinseln Yucatan in Mexiko entstand durch den Aufprall des Asteroiden, der die Dinosaurier ausgelöscht hat. Siehe auch Chicxulub-Krater ↗

[3] Planeten wandern auf einer Bahn um die Sonne und haben dabei diese Bahn über die Jahrmillionen freigeräumt von kleineren Himmelskörpern. Siehe auch Planet ↗

[4] Ein Mond umwandert einen Planeten und mit diesem gemeinsam die Sonne. Siehe auch Mond ↗

[5] Asteroide sind größere Himmelskörper die zwischen der Bahn der Erde und des Jupiter um die Sonne wandern. Sie sind kleiner als Planeten und die meisten Monde. Siehe auch Asteroid ↗

[6] Meteoroide sind wie die Asteroide Himmelskörper in einer Bahn um die Sonne, zwischen der Erd- und der Jupiterbahn, aber kleiner als Asteroide. Siehe auch Meteorid ↗

[7] Auch Kometen laufen oft auf einer Bahn um die Sonne, diese Bahn durchkreuzt aber die Bahnen vieler anderer Planeten. Kometen können auch aus Bereichen jenseits unseres Sonnensystems stammen. Siehe auch Komet ↗

[8] Die Kürze der Zeit, in der Sternschnuppen erleuchten und wieder verlöschen zeigt uns, wie schnell sie unterwegs sind. Die Lufthülle der Erde reicht mit nennenswerter Dichte bis in etwa 100 Kilometer Höhe.

[9] Wenn ein kleiner Meteorit von einer Masse von 2 kg mit einer Geschwindigkeit von 50 Kilometern pro Sekunde auf die Erde aufschlägt, so hatte er direkt beim Impakt eine kinetische Energie von ½·2kg·(50000·m/s)². Das gibt ausgerechnet 2500000000 Joule oder 2500 Megajoule oder 2,5 Gigajoule. Zum Vergleich: geht man von einer spezifischen Wärmekapazität von Wasser von rund 4,2 Kj/kg und einer Verdampungswärme von rund 2257 kJ/kg aus, dann würde die Impakt-Energie des Meteoriten genügen, um 964 Kilogramm Wasser von 20 °C direkt zu verdampfen. Alleine diese schlagartige Entstehung von Wasserdampf könnte durch die damit verbundene Ausdehnung des Volumens eine verheerende Wirkung haben. Siehe auch Fallenergie ↗

[10] Eine Übersicht zu den Effekten beim Impakt eines Wassertropfens gibt der englischsprachige Artikel auf Wikipedia: https://en.wikpedia.org/wiki/Drop_impact