Ablauf und Folgen eines Impaktes

von Christian Rother

Der Einschlag

Abb. 1 Bei einem Groß-Impakt werden die Ejekta in einem Umkreis von hunderten von Kilometern verteilt. Der größte Materialanteil wird jedoch in Form einer riesigen, aus Dampf und Staub bestehenden Fontäne senkrecht nach oben ins Weltall geschleudert.

Die Geschosse nähern sich der Erde mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 25 km/h. Alle Körper mit einem Gewicht mit mehr als 100.000 kg treffen von der Atmosphäre ungebremst auf der Erde auf. Die Eintrittsgeschwindigkeit der Impaktoren liegt, je nach Größe und Zusammensetzung, zwischen 11,2 km/s Mindest- und 72,8 km/s als Höchstwert.

Beim Durchschlagen der Atmosphäre erzeugt das Projektil auf seiner Flugbahn ein zylindrisches Loch, in dessen Vakuum das atmosphärische Gas radial und abwärts eindringt. Gleichzeitig schiebt das Geschoß eine gewaltige Schockwelle vor sich her, die beim Auftreten auf die Erdoberfläche von dieser reflektiert wird und sich mit rascher Geschwindigkeit vom Einschlagspunkt aus halbkugelförmig fortpflanzt. Die nähere und weitere Peripherie des Kraters wird von den Schockwellen noch vor dem Entwickeln der Auswurfsfontäne getroffen. In etwas mehr als 17 Stunden ziehen die Schockwellen in mehrfacher Orkanstärke, immer schwächer werdend, einmal um den Globus.

Sie können allerdings so stark sein, daß sie bis zu ihrem völligem Abschwächen den Erdball mehrere Male umrunden. Ab einer Geschwindigkeit von 17km/s, das entspricht etwa einer Temperatur von 100.000°C, verdampft im Kernbereich der gesamte Körper und ein großer Anteil der umgebenden Gesteine. In einem Umkreis von über 1.000 km (je nach Größe des Impaktors mehr oder weniger) bedeutet dies für jeden Organismus sofortige Blindheit und Taubheit und, auf Grund des glühenden Fallout, auch den Tod.

Das hochgeschleuderte Material kann bis zu dem Hundertfachen der Masse des Boliden betragen. Die Ejekta, das nicht verdampfte, glühende Gestein, wird in einem Umkreis von hunderten von Kilometern verteilt. Der größte Materialanteil wird jedoch in Form einer riesigen, aus Dampf und Staub bestehenden Fontäne senkrecht nach oben ins Weltall geschleudert, wo es sich mit 11,2 km/s gleichmäßig über den Planeten ausgebreitet. Ab einer Sprengkraft von 0.5 Gigatonnen TNT entstehen dabei die charakteristischen Ringstrukturen des Atompilzes nicht mehr.

Der Krater

Abb. 2 Schematische Darstellung der Kraterbildung im Boden nach einem Groß-Impakt (nach Tollmann)

Entstehung des Kraters: Die Stärke der Druckwelle, schlägt der Körper im Ozean ein, komprimiert das Wasser auf das zweieinhalbfache seiner Dichte. Durch das Verdampfen des Gesteins entsteht eine zunächst übertiefe Aushöhlung, die gleich nach dem Auswurf der Gesteinsmassen in sich zusammensackt.

Bei einer Sprengkraft von 5 Tonnen TNT bildet sich im Krater eine zentrale Erhebung. Beträgt die Sprengkraft mehr als 500 Tonen TNT bildet sich eine Ringstruktur mit flachem oder breitem Boden. [Siehe Abb. 2 Sie zeigt die...] Entstehung eines komplexen Einschlagkraters mit zentraler Erhebung in einzelnen, rasch aufeinander folgenden Bildungsstadien. Die zentrale Erhebung bildet sich bereits, bevor sich die ringförmig nachsackenden Ränder voll entfaltet haben.

• A. Aushählung und Beginn der Hebung. Am Kraterboden entstehen Schmelzprodukte.
• B. Zentrale Hebung und Randkollaps.
• C. Endgültiger Krater.

Das Impaktbeben

Ein Impaktor mit 100 Milliarden Tonnen erzeugt eine 500 bis 2500 mal stärkere Bebenwirkung als einer mit einer Sprengkraft von 5 Tonnen TNT. Die Stärksten in diesem Jahrhundert gemessenen Beben zeigten auf der exponentiellen Richter-Skala eine Magnitude von 8,3. Der Endkreidekörper von Yukatan besaß eine Masse von 1 Billion Tonnen, was einem Ausschlag von 12,5 auf der Richter-Skala entsprach.

Solch gewaltige Beben haben enorme Auswirkungen. Berg- und Felsstürze sind noch harmlos. Bei solchen Energiemengen kommt es zu großräumigen Landschaftsveränderungen: Erdschollen werden gehoben, verformt, gesenkt, schieben sich übereinander. Grabenbruchsysteme bersten auseinander und geben Unmengen an Lava frei. Einige Forscher gehen sogar so weit zu behaupten, daß die Kontinentaltrift in Mitleidenschaft gezogen wird.

Der Vulkanismus

Abb. 3 Die Erdbebenwellen, die ein Impakt verursacht, pflanzen sich auf verschiedene Arten innerhalb des Planeten fort

Die in jüngster Zeit vom Sandia National Laboratory, New Mexico, USA, entwickelte Antipoden-Theorie sagt aus, daß ein Kometeneinschlag auf der ihm diametralen Seite der Erde so gewaltige Erdbeben auslöst, daß die Erdkruste aufbricht und Vulkanausbrüche verursacht. Den Computermodellen zufolge genügt ein Planetoid von 10 km Durchmesser, der mit einer Geschwindigkeit von 70.000 km/h auf die Erde prallt, um die Doppelkatastrophe auszulösen.

Möglich ist dies nur, da der Aufbau der Erde - Kruste, Mantel, äußerer und innerer Kern - wie eine Sammellinse wirkt. Die Erdbebenwellen, die der Impakt verursacht, pflanzen sich auf verschiedene Arten fort: Oberflächenwellen geben,wie der Name schon sagt, ihre Energie an die Erdkruste ab. Die Raumwellen dagegen dringen in die Tiefen des Planeten ein und verursachen ihre Schäden tausende von Kilometer von dem Einschlagspunkt entfernt. Dabei bewegen sich die Wellen gradlinig.

Je nach Schichtdichte variieren sie nicht nur ihre Richtung, sondern auch ihre Geschwindigkeit - denn je dichter eine Schicht ist, desto schneller leitet sie die Energie der Wellen weiter. Treffen die Wellen auf die Grenzen zweier verschiedener Gesteinsschichten, kommt es nicht nur zur Reflektion, sondern auch zur Refraktion. Die Raumwellen werden, wenn sie wieder auf eine Schicht mit geringerer Dichte treffen, so lange zurückgeworfen, bis sie sich nach nur 80 Minuten an dem dem Einschlagskrater entgegengesetzten Punkt bündeln und mit der vereinten Energie, die derjenigen des Impaktes proportional ist, die Erdkruste aufreißt. Monate- bis jahrelang anhaltender Vulkanismus ist die Folge.

Im Gegensatz zum Mars, der weder eine Atmosphäre noch bewegliche Kontinentalplatten hat, läßt sich auf der Erde Antipoden-Vulkanismus schwerlich beweisen. Sollte der vor 65 Mill. Jah-ren entstandene Chicxulub-Krater vor Yucatan (Mexiko) eine Entsprechung auf der entgegen-gesetzten Erdseite gehabt haben (Indiens Hochplateau mit den riesigen Lavaablagerungen wird in Fachkreisen dafür angesehen), so dürften die eindeutigen Beweise durch Erosion und Kontinentaltrift in den dazwischenliegenden Äonen zerstört worden sein. Auf dem Roten Pla-neten wird die Antipoden-Theorie allerdings bestätigt: Hellas Planitia, ein ungewöhnlich großer Meteoritenkrater, gegenüber befindet sich der größte Vulkan des Sonnensystems: Alba Patera.

Der Feuersturm

Abb. 4 Durch Hitzewelle, glühende Ejecta von der Einschlagstelle und durch den Folge-Vulkanismus entwickelt sich ein globaler "Weltenbrand". (Bild: Vulkan-Ausbruch im Hawaii National Park, 1960)

Zusammen mit dem glühenden Fallout entfacht der Hitzeschock, der sich radial von dem Einschlagsort fortpflanzt, einen Feuersturm. Die Wucht und die Temperatur der Hitzewelle sind dermaßen enorm, daß die Wälder im Umkreis von mehreren hundert Kilometern wie Strohhalme geknickt und vorgetrocknet werden. Vögel werden im Flug gebraten. Bei einer Temperatur von 545°C entzündet sich Holz von selbst. Bei den vorgetrockneten Wäldern genügen schon 380°C, um entflammbare Gase entstehen zu lassen. Als Reaktion auf den Hitzesturm setzt in der nächsten Phase ein zum Zentrum des Einschlages hin gerichteter Gegensturm ein.

Einen wahren Weltenbrand verursacht ein Geschoß, daß unter einem schrägen Einfallswinkel von etwa 5-15° zur Horizontalen auftrifft. Bei solchen Einschlägen prallt der Körper ohne zu verdampfen ab, zerbricht in mehrere Trümmer, die nacheinander in der Schußrichtung einschlagen und dabei eine breite Feuerschneise hinter sich herziehen. In die Flugbahnen der Fragmente, die wie Einströmkanäle wirken, wird die Sauerstoffreiche Luft der Atmosphäre eingesogen und der Brand so noch stärker angefacht.

Zu den ungeheuren Massen des Impaktstaubes gesellen sich nun die ebenso zahlreichen Rußpartikel der Feuersbrünste. Die unausweichliche Folge ist, daß die verschmutzte Erdatmosphäre die Hitzestrahlung reflektiert und somit sowohl die Brände ausbreitet, als auch die dazu führenden Temperaturen weiter ansteigen läßt.

Abb. 5 Graphische Darstellung der Tsunami-Entwicklung nach einem hypothetischen Impakt. Die Höhen-Daten (im Meter) beziehen sich offenbar auf die hohe See. An den Kontinental-Schelfs angelangt, türmen sich die Tsunamis dann zu einem vielfachen dieser Höhe auf.

Die Flutwelle

Die Flutwelle, die bei einem Einschlag auf Wasser entsteht, kann anfangs so hoch sein, wie der Ozean an der Einschlagsstelle tief ist - bei einer Durchschnittstiefe von 4-5 km jedoch maximal 8 km. Unmittelbar am Einschlagsort schießt das Wasser senkrecht nach oben und verdampft. Bei tiefem Wasser siedet der umgebende Ozean. Alle Organismen werden bei lebendigem Leib gekocht.

Erst hunderte bis tausende von Kilometern entfernt sinkt die Temperatur auf ein normales Maß ab. Die mit Gesteinstrümmern beladene Flutwelle, die sich um die Einschlagstelle ausbreitet, schlägt zuerst nach Innen zurück und pflanzt sich dann nach Außen hin mit einer Geschwindigkeit von 13 km/min fort. Allmählich nimmt die Woge ab, aber nur, um sich beim Anlaufen an der Küste zu verzehnfachen.

Zu den Flutwellen des eigentlichen Einschlages kommen noch die Tsunamis (Abb. 5) der aus dem Einschlag resultierenden Erdbeben. Die Wassermassen, die sich über die Kontinente ergießen, richten sowohl beim Einströmen, als auch beim Rückfließen ins Meer, Schäden an. Riesige Landstriche können so in wenigen Augenblicken vollkommen umgestaltet werden. Sie können auf Dauer unter Wasser liegen oder für immer versalzt sein.

Abb. 6 Die Bildung einer Impakt-Flutwelle und ihre Ausbreitung n. Tollmann.

Bei zunächst noch ruhiger Wasseroberfläche [siehe Abb. 6] wird das Wasser aus der beim Einschlag entstehenden Vertiefung trichterförmig ausgeworfen (A). Danach folgt das Aufsteigen einer zentralen Erhebung, während sich der erste Randwogenring nach außen bewegt und die ausgeschleuderten Wassermassen zurückfallen (B-C). In der Folge steigt die zentrale Erhebung kegelförmig empor. Die äußeren Wasserringwoge breitet sich mit sehr unruhiger Oberfläche weiter nach außen aus (D). In einem noch späteren Stadium folgen die nächsten, inneren Ringwogen nach. Einen wunderbar animierten Größenvergleich bietet die 3D Simulation der Sandia National Laboratories.

Die Impaktnacht

Die gewaltigen Aschemassen, die sowohl am Einschlagsort (Feuersäule, Brände), als auch auf der gegenüberliegenden Seite der Erde durch Vulkanismus in die Atmosphäre geschleudert werden, haben einen Zustand der Dämmerung zur Folge, dem ein leichter Temperturrückgang folgt. Dieser Zustand kann, mit stetig sinkenden Temperaturen, über Monate hinweg anhalten. Hauptursache für den Temperaturrückgang ist der Ruß, da dieser die Sonnenstrahlen weit ef-fektiver ins All reflektiert, als die anderen Schmutzpartikel.

Man schätzt, daß eine Impaktnacht, zwischen einem und sechs Monaten dauert. 0,01 g Feinstniederschlag/ qcm reicht aus, um die Photosynthese der Pflanzen für zwei bis zwölf Monate zum Erliegen zu bringen. Dies genügt, um den Großteil der Vegetation absterben zu lassen. 0,1 g/qcm genügen, um für das menschliche Auge eine langanhaltende Dunkelheit zu erzeugen. Je feiner die Partikel sind, desto höher steigen sie in die Atmosphäre aufwärts und desto länger können sie dort verweilen. Je dichter sich die Staubpartikel zu festen, größeren Teilchen zu-sammenballen, desto leichter können sie vom Regen ausgewaschen werden.

Der Impaktwinter

Abb. 7 Der Impaktwinter ist ein sehr langanhaltendes Phänomen, das einen großen Teil des Planeten für Jahre in eine 'Tiefkühltruhe' verwandelt.

Impaktwinter In Folge der geringen Sonneneinstrahlung sinkt die Temperatur auf der Erdoberfläche über zwei bis fünf Monate hinweg stetig ab (bei einem 10 km großen Einschlagskörper auf bis zu -20°C). Ein Mehrfaches dieses Zeitraumes dauert es, bis die Temperaturen wieder ihren ursprünglichen Wert erreicht haben. Auf Grund des Treibhauseffektes steigen sie allerdings auch noch weiter an.

Einzig die Ozeane, die auf Grund ihrer wärmespeichernden Eigenschaft als riesige Wärmereservoire dienen, sind von der Abkühlung gering betroffen. Bis zu einer Tiefe von 75 m sinkt die Temperatur lediglich um ein bis zwei Grad.

Die verdampfenden Wassermassen gehen in sintflutartigen Regenfällen nieder und gefrieren, da die Minustemperaturen an der Erdoberfläche über ein halbes Jahr lang andauern, zu riesigen Eisfeldern. Auf Grund der Albedo dauert der Wärmeverlust durch die erhöhte Rückstrahlung der Eisflächen bis zu mehreren Jahrhunderten.

Sturzregen und Schneeflut

Von wesentlicher Bedeutung auf die Menge des in der Fontäne zum Himmel schießenden Wassers, ist die Konsistenz des Impaktors. Ein 10 km großer Asteroid - ein Festkörper also - würde ca. 3,5 Billionen Tonnen Wasser in die Atmosphäre schleudern. Die Impaktfontäne eines gleichgroßen Kometen aber, der ja zum Großteil selbst aus Wasser besteht und auch eine höhere Einfallsgeschwindigkeit hat, würde dagegen aus 930 Billionen Tonnen bestehen.

Diese verdampfenden Wassermassen sättigen die Atmosphäre und gehen in globalen Sturzregen unvorstellbaren Ausmaßes auf die Erde nieder. Durch die Abkühlung wandeln Sie sich allerdings sehr bald in Schnee um (vgl. Impaktwinter). Lediglich in der nähren Umgebung des Kraters stürzt, wegen der Menge des Wassers, nicht tropfenförmiger, kochender Platschregen zu Boden - hier allerdings in Form von Schlammregen. Dabei kann die tägliche Niederschlags-menge wochenlang 5.000 - 10.000 mm betragen. Nach und nach vereist auch der Großteil dieser Wassermassen. Die Erde wird mit einem meterdicken Leichentuch aus Schnee und Schmutz bedeckt.

Umweltgiftproduktion

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Abb. 8 Mit Salpetersäure, Schwefelsäure u. Salzsäure hochangereicherter Dauer-Regen vernichtet nach einem Groß-Impakt den größten Teil der noch verbliebenen Vegetation.

Saurer Regen. Die enorme Energiezufuhr in der Atmosphäre verursacht chemische Umwandlungen, die in einem riesigen Ausmaß Umweltgifte erzeugen. Es entstehen gewaltige Mengen Kohlenmonoxid, Salpetersäure, Schwefelsäure, Salzsäure und, im Zusammenhang mit den Feuersbrünsten, Pyrotoxine. Außerdem führt der Impaktor selbst toxische Schwermetalle mit sich. Der übersaure Regen wäscht zusätzlich noch Schwermetalle, aber auch Arsen, Selen und Antimon aus den obersten Erdschichten.

Ozonabbau und Strahlung

Die freigesetzte Salpetersäure führt zu einem Abbau der Ozonschicht in der hohen Stratosphäre (ca. 50 km Höhe). Der Sauerstoff des dortigen Ozons wird für die Stickoxidbildung verbraucht, wodurch innerhalb von kurzer Zeit der Ozongehalt dieser Zone auf Jahre hin bis zu 90% abnimmt.

Als Folge davon verlagert sich die darüber folgende untere Mesosphäre weiter nach unten und kühlt ab, so daß in dieser Schicht über de ganzen Erdball hinweg zur Bildung einer permanenten Schicht von feinen Eiswolken kommt. dies optisch auffällige Phänomen ist noch lange nach Sonnenuntergang zu sehen, da die extrem hoch schwebenden Eiswolken noch lange von den Sonnenstrahlen erhellt werden.

Die karziogene Wirkung der nun ungehemmt einfallenden UV-Strahlung äußert sich besonders in der stark ansteigenden Hautkrebsrate. Die mutagene Wirkung bewirkt durch Keimzellenschädigung Unfruchtbarkeit und Mißgeburten. Ebenso wird die Thymusdrüse in Mitleidenschaft gezogen, was eine allgemeine Schwächung des Immunsystems nach sich zieht. Lediglich nachtaktive Tiere, Arten mit grabender Lebensweise und in der Tiefsee lebenden Tiere bleiben von den UV-Schäden unberührt.

Da die Sonneneinstrahlung die Ozonbildung fördert dürfte die Ozonschicht bereits nach wenigen Jahren bis Jahrzehnten wieder vollständig hergestellt sein.

Der Treibhauseffekt

Auf den Impaktwinter folgt die Erhitzung der Erde. Die dafür verantwortlichen Gase sind hauptsächlich Kohlenstoffdioxid (CO2), Salpetersäure (HNO3), Stickoxid (N2O) und seine Nachfolger, sowie Methan (CH4). Der Enorm erhöhte Wasserdampf, der in der gleichen Richtung wirkt, steigert durch die Absorption der Infrarotstrahlung noch zusätzlich den Effekt. Die entstehen-den Gasmengen bei dem Einschlag eines 10 km großen Kometen reichen aus, um einen Temperaturanstieg von 4,5°C zu verursachen.

Verstärkend kommt hinzu, daß durch den verminderten Sonneneinfall der Plankton der Ozeane abstirbt. Das im Wasser gebundene Kohlenstoffdioxidgas wird ebenso freigegeben, wie dasjenige, das von den abgebrannten Wäldern durch Photosynthese nicht mehr in Sauerstoff umgewandelt werden kann. Einen kleineren Anteil am Treibhauseffekt haben Säureregen und Antipoden-Vulkanismus.

Massensterben als Folge des Impaktes

Streßfaktoren wie Nacht, Kälte, Säureregen, erhöhte Strahlung, Umweltgifte und Nahrungsmangel, werden allen Lebewesen über 25 kg Körpergewicht den Tod bringen. Von den kleineren Tieren bleiben selektiv nur diejenigen am Leben, die sich den neuen Lebensbedingungen so schnell wie möglich anpassen.

Viele der überlebenden Tierarten haben mit der Hitze zu kämpfen. Einige werden vollkommen unfruchtbar. Andere legen durch die veränderten Bruttemperaturen ein chaotisches Paarungsverhalten an den Tag. Ein ungleiches Zahlenverhältnis zwischen Männchen und Weibchen ist die Folge.

Aufgrund der Druckwelle, der Brände, der Flutwellen und nicht zuletzt des sauren Regens sind die Landpflanzen besonders betroffen. Alles im Allem, zählt man die unmittelbaren und Spätfolgen zusammen, sterben bei einem Impakt 90-95% aller Lebensformen aus. [...]

Anmerkungen und Quellen

Dieser auf der Arbeit von Alexander und Edith Tollmann basierende Beitrag von Christian Rother © wurde seinen Webseiten " K o m e t e n " entnommen, wo er unter der Überschrift "Ablauf eines Impaktes" auf der Internet Präsenz der Hochschule der Medien, Stuttgart zu finden war (dort nicht mehr online). Bei Atlantisforschung.de erscheint er in einer redaktionell bearbeiteten Fassung mit erweiterter Illustration als Dokumentation zu Studien- und Forschungszwecken.

Bild-Quellen:

1) http://freespace.virgin.net/benkins.uk/Chap7.htm (nicht mehr online)

2) A. u. E. Tollmann (1993), S. 3, nach http://v.hdm-stuttgart.de/seminare/nwtd/rother/impact.htm#Ablauf%20eines%20Impaktes (nicht mehr online)

3) http://v.hdm-stuttgart.de/seminare/nwtd/rother/impact.htm#Ablauf%20eines%20Impaktes (nicht mehr online)

4) JANE'S HAWAII HOME PAGE, unter: HAWAII HISTORICAL IMAGES 8

5) Michael Paine, "Tsunami from Asteroid/Comet Impacts", bei: AUSTRALIAN SPACEGUARD SURVEY

6) A. u. E. Tollmann (1993), S. 49, nach http://v.hdm-stuttgart.de/seminare/nwtd/rother/impact.htm#Ablauf%20eines%20Impaktes (nicht mehr online)

7) http://www.borinvanloon.co.uk/images/blizzard.gif (nicht mehr online)

8) Bdk bei Wikimedia Commons, unter: File:Waldschaeden Erzgebirge 3.jpg