Zusammenfassung: Das Studium von Meteoriteneinschlägen verbessert maßgeblich unser Verständnis der Entwicklungsgeschichte unseres Sonnensystems und seiner Körper sowie der Evolution von Leben.
Die bei einem Einschlag freigesetzte Energie ist proportional zur Größe und Geschwindigkeit des einschlagenden Körpers. Wie viel dieser Energie in den Untergrund übertragen wird, hängt vor allem von dem Einschlagwinkel ab. Dieser beeinflusst auch die Menge und Verteilung des ausgeworfenen Materials sowie die Größe und Form des resultierenden Kraters. Eine quantitative Beschreibung dieser Effekte sowie Untersuchungen, ob der Einschlagwinkel auch den Mechanismus der Kraterentstehung beeinflusst, ist bislang noch nicht erfolgt. Dies zu ändern ist die Hauptmotivation dieser Arbeit, zumal in der Natur nahezu jeder Einschlag unter einem schrägen Winkel erfolgt.
Das numerische Studium schräger Impaktprozesse bedarf dreidimensionaler (3D) Simulationsrechnungen. Diese stellen hohe Anforderungen an Hardware, Algorithmen und die benötigte Rechenzeit. Umfangreiche Studien zur Quantifizierung der Bedeutung des Einschlagwinkels und des Einflusses der Projektil und Materialeigenschaften existieren daher bislang nicht. Um dies zu ermöglichen, muss in einem ersten Schritt eine numerische Infrastruktur geschaffen werden, die eine Durchführung umfangreicher 3D-Simulationsreihen schräger Meteoriteneinschläge erlaubt. Im zweiten Schritt kann dann die geschaffene Infrastruktur zum Studium der Rolle des Einschlagwinkels Verwendung finden.
Bei der Entwicklung des Simulationscodes wurden unterschiedliche Strategien verfolgt. (i) Eine Parallelisierung des Codes zur Verteilung der Rechenlast, (ii) Entwicklung adaptiver Algorithmen, die sich an die vorhandene Hardware- Infrastruktur oder das Rechenszenario automatisch anpassen, (iii) eine leistungsstarke und flexible „in-memory Kompression“ der Datensätze und (iv) Datenstrukturen, die vom Controller des Arbeitsspeichers effizient verarbeitet werden können und so die Rechenoperationen beschleunigen. Die geschaffene Infrastruktur wurde erfolgreich gegen Laborexperimente und andere Simulationscodes validiert.
Anhand umfangreicher Studien konnten die komplexen Zusammenhänge zwischen dem Einschlagswinkel, den Materialeigenschaften (hier: Reibungskoeffizient und Kohäsion), der Einschlagenergie und der resultierenden Kratergröße quantifiziert werden. Auch der physikalische Prozess der Kraterentstehung ist intensiv untersucht worden. Dies ermöglicht die Identifizierung von Asymmetrien in Impaktkratern, die Hinweise auf die Einschlagrichtung oder gar den Einschlagwinkel liefern könnten. Diese Studie zeigt auch, wie sich der zugrunde liegende Kraterbildungsmechanismus mit abnehmendem Einschlagwinkel zusehends verändert. So konnte letztlich auch die Bedeutung der verschiedenen Parameter für die Entstehung elliptischer Krater quantifiziert und der Übergang von runden zu elliptischen Kraterstrukturen erstmals intensiv untersucht werden. Es konnte ein physikalisches Modell zur Kraterentstehung abgeleitet werden, das auf beliebige Einschlagwinkel anwendbar ist. Dies führt zu einem besseren Verständnis des Einschlagprozesses und seiner Folgen für die Umwelt und die Entwicklung eines planetaren Körpers.
Autor: Elbeshausen, Dirk
Erscheinungsjahr : 2013
Elbeshausen_PhDThesis_FUBerlin_ONLINE_2012.pdf
Freie Universität Berlin
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