Asteroid Day: Die mögliche Gefährdung der Erde durch Impakte

Der Asteroid Day am 30. Juni (in Erinnerung an das Tunguska-Ereignis am 30.06.1908) erinnert uns an die Gefahr eines möglichen Impakts – des Einschlags eines Kleinplaneten auf die Erde. Es ist nicht die Frage, ob ein solches Ereignis wieder stattfinden wird, sondern wann und was wir dagegen unternehmen werden. Statistisch gibt es etwa alle 100 Jahre einen Impakt mit lokaler zerstörerischer Wirkung durch Kleinkörper mit einigen zehn Metern Durchmesser.

Ein Gastbeitrag von Andreas Schwarz

Ein Impakt bezeichnet die Kollision zweier Himmelsobjekte mit großer Geschwindigkeit. Auf den großen Planeten des Sonnensystems kam und kommt es immer wieder zu Impakten von Kleinkörpern, auch auf der Erde. In der Anfangszeit des Sonnensystems war die Häufigkeit von Impakten sehr groß. Die inneren Planeten waren dabei stärker betroffen als die äußeren. Vor 3,8 Milliarden Jahren nahm die Häufigkeit der Impakte signifikant ab. Auf dem Mond oder dem Planeten Merkur sind aufgrund des Fehlens einer dichten Atmosphäre die Impaktkrater aus der Anfangszeit des Sonnensystems noch vorhanden. Auf der Erde mit ihrer dichten Atmosphäre sind Krater aufgrund von Erosion durch Eis, Wasser und Wind weitgehend verschwunden. Nur besonders große Krater, die nicht älter als 500 Millionen Jahre sind, lassen sich auf der Erde noch nachweisen.

Aus der Kraterstatistik lässt sich die Häufigkeit von Impakten in Abhängigkeit von der Größe des Impaktkörpers abschätzen. So sind Impakte von einem 1 km großen Körper 100-mal häufiger als jene von einem 10 km großen Impaktkörper. Statistisch betrachtet wird die Erde etwa alle 100 Millionen Jahre von einem Körper mit einer Größe von 10 km und mehr getroffen. Ein 1 km großer Impaktkörper schlägt statistisch gesehen etwa einmal in einer Million Jahre auf der Erde ein. Ganz allgemein gilt: Je kleiner der Impaktkörper ist, desto häufiger sind statistisch betrachtet die Impakte.

Kleinkörper treten mit einer Geschwindigkeit zwischen 12 und 72 km/s in die Erdatmosphäre ein. Das entspricht rund 36.000 bis 252.000 km/h. Dabei wird rund 99 Prozent der kinetischen Energie in thermische Energie umgewandelt. Bereits mehrere Zentimeter große Kleinkörper, die als Feuerkugel (Bolide) am Himmel erscheinen, erhitzen sich dabei nicht gleichmäßig. Die Oberfläche erhitzt sich stark, während das Innere des Kleinkörpers relativ kühl bleibt. Das führt zu Spannungen im Kleinkörper, der während seines Falles durch die Atmosphäre starken mechanischen Kräften ausgesetzt ist. Infolgedessen kann die Oberfläche des Kleinkörpers abgesprengt werden oder der Kleinkörper zerplatzen. Die Bruchstücke können in unterschiedliche Richtungen davonfliegen und eine relativ zur Luft kleine Geschwindigkeit bekommen. Das bedeutet weniger kinetische bzw. thermische Energie; sie verglühen nicht und erreichen die Erdoberfläche.

Ab welchem Durchmesser Kleinkörper die Erdoberfläche erreichen, dürfte neben ihrer Größe vor allem von ihrer Zusammensetzung, ihrem Einfallswinkel und ihrer Geschwindigkeit relativ zur Erde abhängen. Doch dürften Kleinkörper mit Größen im Dezimeterbereich bereits mit hoher Wahrscheinlichkeit die Erdoberfläche erreichen. Kleinkörper mit Massen von mehr als 10 Tonnen erzeugen bei einem Impakt Krater auf der Erdoberfläche, sofern sie nicht ins Meer stürzen.

Die Größe des Impaktkraters ist von der Größe des einschlagenden Körpers (Impaktors) abhängig. Nach einer Faustformel ist der Impaktkrater etwa 20- bis 40-mal größer als der Durchmesser des einschlagenden Körpers. Allerdings kann auch die kinetische Energie des Impaktors herangezogen werden, die beim Einschlag frei wird. Diese hängt allein von der Masse m und der geozentrischen Geschwindigkeit v des Impaktors ab:

Daraus ergibt sich für den Durchmesser D eines möglichen Kraters folgende von E. M. Shoemaker und anderen im Jahre 1979 aufgestellte empirische Formel:

Dabei sind D0 = 15 km und E0 = 10^20 J Referenzwerte. Zum Beispiel ergibt sich aus der ersten Formel für einen Meteoriten mit einem Radius r von einem Kilometer und einer Dichte ρ von 3.000 kg/m³, bei einer Fallgeschwindigkeit von v = 20 km/s, eine kinetische Energie von E = 25,10∙10^20 J., wobei für die Berechnung der benötigten Masse angenähert gilt: m = ρV = ⅓r³. Diesen Wert in die zweite Formel eingesetzt, ergibt einen Kraterdurchmesser von 39 km

Bereits in der jüngeren Vergangenheit kam es zu Impakten. Am 15. Februar 2013 explodierte nahe der am Ural gelegenen russischen Stadt Tscheljabinsk um 4:20 Uhr MEZ (9:20 Uhr mittlerer Ortszeit) in etwa 20 km Höhe ein Kleinplanet. Der Kleinkörper hatte eine Masse von 7.000 Tonnen, einen Durchmesser von 17 m und eine geozentrische Geschwindigkeit von 18 km/s. Er dürfte aus dem Kleinplanetengürtel zwischen der Mars- und der Jupiterbahn stammen. Der Meteor, eine sehr helle feurige Spur, wurde von zahlreichen Kameras aufgenommen.

Etwa 1,5 Minuten nach der Explosion des Kleinkörpers in der Erdatmosphäre erreichte eine Druckwelle das Gebiet um die Millionenstadt Tscheljabinsk. Dabei wurden etwa 1.000 Menschen verletzt, die meisten durch Glassplitter, und massive Zerstörungen verursacht. Unter anderem zerbarsten etwa 100.000 Quadratmeter Glasfläche und ein Fabrikdach wurde eingedrückt. Ein Fragment des Kleinplanets durchschlug etwa 80 km entfernt von Tscheljabinsk die Eisdecke des Tschebarkulsees). Die Stärke der Explosion des Kleinkörpers entsprach einer Sprengkraft von 500 Kilotonnen des Sprengstoffs TNT (Trinitrotoluol). Ein Ereignis dieser Größenordnung findet statistisch etwa einmal pro Jahrhundert statt.

Anfang des letzten Jahrhunderts, am 30. Juni 1908, kam es gegen 7:15 Uhr Ortszeit in der Nähe des sibirischen Flusses Steinige Tunguska (Russland) zu einer gewaltigen Explosion. Die Stärke der Explosion wird auf 12 Megatonnen TNT geschätzt. In einem Umkreis von zirka 30 km um den Explosionsherd wurden alle Bäume wie Streichhölzer umgeknickt. Insgesamt wurden auf einem Gebiet von 2.000 km² etwa 60 Millionen Bäume umgeknickt. In 65 km Entfernung vom Explosionsherd wurden in der Handelssiedlung Wanawara Fenster und Türen eingedrückt. Die Druckwelle umkreiste mehrfach die Erde, was durch Luftdruckmessungen festgestellt werden konnte. Noch in 500 km Entfernung wurde ein heller Feuerschein wahrgenommen. So auch von den Passagieren und dem Personal der Transsibirischen Eisenbahn. Der Lokführer hielt den Zug an, weil er dachte, der Kessel der Lokomotive sei explodiert.

Das Gebiet ist äußerst dünn besiedelt, sodass es keine große Anzahl von Opfern gegeben haben dürfte; die Angaben reichen von keine bis sehr wenige Opfer. Der erste Versuch einer Expedition in das Gebiet wurde erst 1921/22 von Leonid Kulik unternommen. Diese Expedition gelangte allerdings nur bis Kansk, 600 km vom Explosionsort entfernt. Erst im Jahre 1927 gelang Kulik eine Expedition zum Ort der Explosion. Auch rund 20 Jahre nach dem Ereignis waren die Zerstörungen noch sichtbar.

Da trotz der immensen Zerstörungskraft kein Impaktkrater und keine Meteoritenüberreste gefunden wurden, wird vermutet, dass ein 40 bis 80 Meter großer Kleinkörper (vermutlich ein Asteroid oder Komet) in etwa 10 Kilometern Höhe explodierte. Dieses Szenario ähnelt dem Ereignis von Tscheljabinsk 2013. Neben der Impakthypothese existieren auch andere Theorien, darunter Gasexplosionen oder Vulkaneruptionen.

Am 30. November 1954 stürzte ein 3,8 kg schwerer Körper in Sylacauga (Alabama, USA) in ein Haus und verletzte eine Person. Auch weitere Einschläge von kleinen Meteoriten in Häusern sind bekannt, allerdings ohne, dass dabei Personen verletzt wurden. Sie führten in der Regel zu Zerstörungen am Gebäude, insbesondere am Dach. Direkte Treffer auf Menschen, Tiere und Häuser sind dennoch extrem unwahrscheinlich, wenn auch nicht völlig ausgeschlossen.

Vor 50.000 Jahren schlug in der Wüste des heutigen Arizonas (USA) ein etwa 50 Meter großer Kleinkörper ein. Er erzeugte einen Krater mit 1.300 Metern Durchmesser und 184 Metern Tiefe. Der Kleinkörper bestand aus einer Eisen-Nickel-Verbindung und hatte eine Masse von etwa einer halben Million Tonnen. Der noch heute sehr gut erhaltene „Barringer-Krater“ (oft auch einfach „Meteor Crater“ genannt) liegt am Highway Nr. 40 zwischen Winslow und Flagstaff und kann besichtigt werden. An seinem Nordrand befindet sich ein Meteoritenmuseum.

Das Nördlinger Ries und das Steinheimer Becken im heutigen Deutschland entstanden vor etwa 15 Millionen Jahren durch den Impakt eines rund 1,5 km großen Kleinplaneten. Dieser schlug mit einer geozentrischen Geschwindigkeit von etwa 20 km/s ein und erzeugte das Nördlinger Ries. Der Himmelskörper hatte mindestens einen kleineren Begleiter, welcher das Steinheimer Becken bildete. Dieser Begleiter dürfte nicht erst als Bruchstück in der Erdatmosphäre entstanden, sondern musste schon vor dem Einschlag vorhanden gewesen sein. Andernfalls wäre die Entfernung von zirka 40 km zwischen dem Nördlinger Ries und dem Steinheimer Becken nicht erklärbar. Beim Aufprall schmolz der Boden und vermischte sich mit dem Material des Meteoriten. Das Ergebnis ist ein fleckiges Gestein – der sogenannte Suevit und Traß. Aus diesem Material wurde unter anderem der Kirchturm der St.-Georgs-Kirche in Nördlingen gebaut, womit dieser Turm tatsächlich „Wurzeln im Himmel“ hat.

Vor zirka 65 Millionen Jahren schlug ein Kleinplanet mit etwa 10 km Durchmesser in den Golf von Mexiko ein und erzeugte einen 180 Kilometer großen Impaktkrater, welcher inzwischen im Meer versunken ist. Er liegt an der Nordküste der mexikanischen Halbinsel Yucatán, nahe der heutigen Stadt Chicxulub. Die beim Impakt explosionsartig freigesetzte Energie entsprach etwa einer Milliarde Megatonnen TNT oder der Explosion von fünfzig Millionen Wasserstoffbomben mit je 20 Megatonnen Sprengkraft. Durch den Einschlag wurden globale Erdbeben und Tsunamis ausgelöst sowie gewaltige Mengen Staub in die Atmosphäre aufgewirbelt. Infolge der Staubschicht wurde die zur Erdoberfläche dringende Sonnenstrahlung so stark verringert, dass die Durchschnittstemperaturen drastisch sanken und ein sogenannter Impaktwinter ausgelöst wurde. Viele Arten auf der Erde, darunter die Dinosaurier, wurden durch dieses Ereignis ausgelöscht. Es war in der Erdgeschichte nicht das einzige Ereignis dieser Art: Es dürfte etwa vier weitere vergleichbare Massenaussterben gegeben haben, bei denen rund 90 Prozent der damaligen Tier- und Pflanzenwelt vernichtet wurden. Selbst einige in der Bibel beschriebene globale Katastrophen könnten auf solche Impakte zurückgehen.

Auch heute sind Impakte auf der Erde jederzeit möglich. Da einige Kleinplaneten der Erde recht nahekommen, spricht man in diesen Fällen von „Near Earth Objects“ („NEO“, erdnahe Objekte). Aufgrund moderner Beobachtungsprogramme sind mittlerweile rund 10.000 NEOs bekannt. Einige kommen der Erde bis auf wenige Zehntausend Kilometer nahe und bewegen sich damit sogar unterhalb der Umlaufbahnen geostationärer Satelliten, welche die Erde synchron zu ihrer Rotation in zirka 36.000 km Höhe umkreisen.

Um die Folgen eines potenziellen Einschlags klassifizieren zu können, wurde die sogenannte Torino-Skala geschaffen . Sie ist vergleichbar mit der Richterskala zur Erfassung von Erdbeben. Die Stufen reichen von 0 bis 10 und geben sowohl die Wahrscheinlichkeit eines Impakts für einen bestimmten Kleinkörper als auch dessen potenzielle Auswirkungen (lokal, regional, global) an. Bei Stufe 0 ist ein Einschlag extrem unwahrscheinlich oder ohne jegliche Auswirkung. Bei Stufe 10 ist der Impakt sicher und führt zu globalen, katastrophalen Zerstörungen mit klimatischen Veränderungen. Die notwendigen Maßnahmen werden farblich gekennzeichnet:

• Weiß: Keine praktischen Auswirkungen, keine Maßnahmen erforderlich.
• Gelb: Die Bahn des Objektes sollte präzise überwacht werden.
• Orange: Aufgrund einer konkreten Bedrohungslage ist die Flugbahn systematisch zu beobachten und zu berechnen.
• Rot: Der Impakt ist sicher; es müssen sofortige Abwehrmaßnahmen oder Katastrophenvorbereitungen eingeleitet werden.

Fast alle theoretischen Abwehrmaßnahmen basieren auf einer gezielten Bahnänderung des Kleinkörpers. Die Methoden hierfür sind jedoch verschieden und setzen eine lange Vorlaufzeit von mehreren Jahren voraus. Eine frühzeitige, minimale Kurskorrektur bewirkt über die enorme Distanz bis zur Erde eine ausreichend große Abweichung, um einen Einschlag sicher zu verhindern.

Folgende Methoden werden in der Wissenschaft diskutiert:

• Nukleare Sprengung: Die Zündung einer Kernwaffe in unmittelbarer Nähe des Körpers. Die freigesetzte Strahlung verdampft Oberflächenmaterial, und der entstehende Rückstoß lenkt den Asteroiden ab. Diese Methode gilt als am unberechenbarsten, da sie stark von der inneren Zusammensetzung des Objekts abhängt. Sie wäre jedoch die radikalste Option mit der kürzesten benötigten Vorlaufzeit. Eine komplette Sprengung ist meist nur bei sehr kleinen Körpern sinnvoll, da andernfalls die entstehenden Bruchstücke ebenfalls die Erde bedrohen würden .
• Sonnenreflektoren: Mithilfe von Spiegeln wird gebündeltes Sonnenlicht auf eine Stelle des Körpers gelenkt. Die Hitze verdampft Material und erzeugt einen kontinuierlichen Rückstoß. Nach Angaben der NASA ist diese Methode für Objekte bis zu 500 Metern Durchmesser geeignet.
• Kinetischer Impakt (Impulsübertragung): Ein schweres Raumfahrzeug wird gezielt mit hoher Geschwindigkeit auf den Kleinkörper gestürzt, um dessen Bahn durch die reine Wucht des Aufpralls zu verändern. Dass diese Methode in der Praxis funktioniert, bewies die NASA im September 2022 mit der erfolgreichen DART-Mission (Double Asteroid Redirection Test): Eine Raumsonde rammte den Asteroidenmond Dimorphos mit rund 22.500 km/h und verkürzte dessen Umlaufzeit messbar um 32 Minuten. Der kinetische Impakt gilt bei frühzeitiger Entdeckung als die derzeit machbarste Methode für Objekte bis zu einem Kilometer Durchmesser.
• Gravitationstraktor: Die präziseste Methode nutzt die Gravitationskraft. Eine schwere Raumsonde (ca. 20 Tonnen) fliegt als „Orbiter“ in geringem Abstand (z. B. 150 Meter) neben dem Asteroiden her. Allein durch ihre Masse und die damit verbundene schwache Anziehungskraft zieht sie den Asteroiden mit der Zeit minimal aus seiner Bahn. Diese Methode benötigt allerdings eine sehr lange Vorlaufzeit von etwa 20 Jahren.

© Andreas Schwarz

Über den Autor
Andreas Schwarz ist Diplom-Physiker/Astropysiker, Science Manager und Wissensvermittler und Koordinator des Astronomie Netzwerk Weser-Ems (ANWE). Eine Einführungn in die „Grundlagen der Astronomie und Astrophysik“ finden Sie HIER

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