Am Morgen des 15. Februar 2013 explodierte ein kleiner Asteroid über Tscheljabinsk, Russland, schickte eine laute Schockwelle und einen Überschallknall durch die Region, beschädigte Gebäude und hinterließ etwa 1.200 Verletzte. Der resultierende Meteor mit einem Durchmesser von etwa 20 Metern (ungefähr die Größe eines sechsstöckigen Gebäudes) war einer der größten, der seit mehr als hundert Jahren in der Erdatmosphäre aufgebrochen ist.
Ein Jahrzehnt später veröffentlichen Wissenschaftler des Planetary Defense-Programms des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Details ihrer Forschung zum Airburst-Ereignis. Das Team hat die letzten drei Jahre damit verbracht, den atmosphärischen Zusammenbruch des Tscheljabinsker Meteors zu modellieren und zu simulieren. Ihre Studie unterstreicht die wichtige Rolle, die Materialfestigkeit und Bruch bei der Aufbruchsdynamik spielen.
Obwohl verschiedene Forschungsorganisationen das Ereignis von Tscheljabinsk untersucht haben, waren LLNL-Wissenschaftler die ersten, die den Meteor von Tscheljabinsk vollständig in 3D mit einem Materialmodell simulierten, das auf Forschungsdaten von Meteoriten basiert, die bei dem Ereignis geborgen wurden. Im Gegensatz zu historischen meteorischen Ereignissen wurde das Airburst-Ereignis von 2013 auf Handy- und Überwachungskameravideos aus mehreren Winkeln aufgezeichnet, und ein 500-Kilogramm-Fragment wurde kurz nach dem Aufprall aus dem Chebarkul-See geborgen.
Ihre Simulationen – die eng mit tatsächlich beobachteten Ereignissen übereinstimmten – deuten darauf hin, dass das Objekt monolithisch oder ein einzelner Felsbrocken gewesen sein könnte. Wenn dies der Fall war, so sagten die Forscher, spielten Materialstärke und Bruch eine bedeutende Rolle beim Aufbrechen des Objekts und der daraus resultierenden Druckwelle.
„Das ist etwas, das wirklich nur mit 3D-Simulation erfasst werden kann“, sagte Jason Pearl, leitender Forscher des Projekts. „Wenn Sie das spezialisierte Fachwissen von LLNL in den Bereichen Aufprallphysik und Hydrocodes mit den hochmodernen High Performance Computing-Fähigkeiten des Labors kombinieren, waren wir einzigartig positioniert, um den Meteor in vollständigem 3D zu modellieren und zu simulieren.
„Unsere Forschung unterstreicht die Bedeutung der Verwendung dieser Art von High-Fidelity-Modellen, um Asteroiden-Airburst-Ereignisse zu verstehen“, sagte Pearl. „Viele kleinere Asteroiden sind Trümmerhaufen oder lose gebundene Ansammlungen von Weltraumkies, daher ist die Möglichkeit eines Monolithen wirklich interessant.“
Das Forschungsteam verwendete Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), eine Berechnungsmethode zur Simulation der Dynamik von Festkörpermechanik und Fluidströmungen, um den Aufbruchmodus eines monolithischen Asteroiden in Tscheljabinsk-Größe zu untersuchen. In ihren Simulationen stellte das Team fest, dass der Airburst auftritt, wenn sich unter Zugspannung im hinteren Teil des Asteroiden große Risse bilden. Die Zeitskala der Rissausbreitung zur Vorderseite des Asteroiden bestimmt den Zeitpunkt, zu dem sich der Asteroid beim Eintritt in die Erdatmosphäre in kleinere Fragmente aufspaltet. Eine Familie von Fragmenten in der Nähe der Schockfront schirmt dann vorübergehend eine Region mit vollständig beschädigtem Material ab, bis sich etwa 30 km über der Erdoberfläche die intakten Fragmente trennen und die Trümmer dem freien Strom ausgesetzt sind. Schließlich wird die Trümmerwolke schnell abgebremst und die verbleibenden Fragmente zerfallen weiter in kleinere Gesteinsbrocken.
Vollständige 3D-Simulation des Meteoritenausbruchs von Tscheljabinsk in der Erdatmosphäre. Der Meteor wird als Kontur des Schadenszustands dargestellt (weiß intakt, schwarz vollständig beschädigt). Schockerwärmte Luftknoten werden als nach ihrer Temperatur gefärbte Punkte dargestellt. Zunächst beginnt der Bruch an der Rückseite des Objekts. Der Riss breitet sich dann nach vorne aus und spaltet das Objekt schließlich in drei zusammenhängende Fragmente. Die Fragmente werden kurz darauf zerstört. Bildnachweis: LLNL Planetary Defense-Programm, YouTube
Der Auflösungsprozess ist physikalisch reich, erklärte der LLNL-Physiker Mike Owen. Die Kopplung des Asteroiden an die Atmosphäre hängt davon ab, wie viel Oberfläche er hat. Je größer die Oberfläche, desto stärker ist das Objekt Hitze, Belastung und Druck ausgesetzt.
„Wenn der Asteroid in die Atmosphäre eindringt, kommt es zu einer Art katastrophalem Versagen“, sagte Owen. „Und es neigt dazu, sich in Fahrtrichtung zusammenzudrücken. Es war, als würde der Asteroid in Fahrtrichtung gequetscht und in einzelne Teile zerbrechen, die sich zu trennen und senkrecht zur Fahrtrichtung zu zerbrechen begannen.
„Plötzlich ist viel mehr Material der Hyperschall-Wechselwirkung mit der Luft ausgesetzt, es wird viel mehr Wärme abgegeben, es wird viel mehr Stress ausgesetzt, wodurch es schneller bricht, und Sie bekommen so etwas wie ein kaskadierender außer Kontrolle geratener Prozess.“
Ein besseres Verständnis des Auflösungsprozesses kann genutzt werden, um bessere statistische Modelle des Risikos zu erstellen, das von Asteroiden der Größenklasse Tscheljabinsk ausgeht. Das Verständnis, wie diese Objekte zerfallen und ihre Energie in die Atmosphäre übertragen, ist entscheidend für eine gute Schätzung des Schadens, den sie verursachen können, und kann verwendet werden, um Zivilschutzstrategien besser zu informieren, sagte Cody Raskin vom LLNL, ein wichtiger Mitarbeiter des Projekts.
Ein langfristiges Ziel dieser Forschung wäre es, diese Modelle zu verwenden, um die Bodeneffekte eines zukünftigen Meteorereignisses zu bewerten und die Region vorherzusagen, die möglicherweise betroffen sein würde.
„Unsere Fähigkeit, kleine Asteroiden zu erkennen, hat sich in den letzten Jahren stark verbessert“, sagte Raskin. „Wenn wir sehen, dass sich rechtzeitig ein kleiner Asteroid der Erde nähert, könnten wir unser Modell laufen lassen und die Behörden oder das potenzielle Risiko informieren, ähnlich einer Hurrikankarte. Sie könnten dann geeignete Schutzmaßnahmen ergreifen, wie z. Bestellungen aufgeben und letztendlich Leben retten.“
Meteorereignisse sind Naturkatastrophen, und wie bei jeder anderen Naturkatastrophe können wir mehr tun, um vorbereitet zu sein, sagte Owen. „Das sind keine Ereignisse mit hoher Wahrscheinlichkeit, aber wir sollten sie auch nicht als Science-Fiction abtun.“