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METEOR/039: Der Bolinde von Tscheljabinsk (Sterne und Weltraum)


Sterne und Weltraum 1/14 - 2014
Zeitschrift für Astronomie

Der Bolide von Tscheljabinsk
Sein Ursprung und seine Folgen

Von Von Tilmann Althaus



Am 15. Februar 2013 trat ein kleiner Asteroid in die Erdatmosphäre ein, der weltweit großes Aufsehen erregte. Er brach über der russischen Millionenstadt Tscheljabinsk auseinander und richtete durch seine Druckwelle beträchtliche Schäden am Boden an. Das Ereignis war aber auch ein Glücksfall für die Meteoritenforscher. Rund neun Monate nach dem Einschlag stellen nun drei Wissenschaftlergruppen ihre Erkenntnisse über den Eintrittskörper vor.



IN KÜRZE
  • Der Bolide von Tscheljabinsk ging auf einen Himmelskörper von rund 12.000 Tonnen Masse und einem Durchmesser von rund 19 Metern zurück.
  • Von der ursprünglichen Masse kamen nur etwa zwei bis fünf Tonnen als Meteoritenbruchstücke am Erdboden an, der Rest verglühte oder wurde zu Staub.
  • Die Bahn des Boliden durch das Sonnensystem hat große Ähnlichkeit mit derjenigen des Asteroiden 86039 (1999 NC43).


Drei verschiedene Forschergruppen präsentierten im November 2013 ihre Untersuchungsergebnisse über den Boliden von Tscheljabinsk am 15. Februar 2013. Die Arbeiten erschienen in den Fachblättern »Science« und »Nature«.

Jirí Borovicka vom Astronomischen Institut der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Ondrejow und seine Koautoren werteten 15 im Internet frei verfügbare Videos von Überwachungskameras aus und rekonstruierten die Bahn und die Bewegung des Himmelskörpers durch die Atmosphäre. Aus den abgeleiteten Werten schließen die Forscher auf einen Himmelskörper mit einer Masse von rund 12.000 Tonnen und einem gemittelten Durchmesser von rund 19 Metern. Dabei gehen sie von einer mittleren Dichte von 3,3 Gramm pro Kubikzentimeter aus, die aus gefundenen Bruchstücken folgt.

Aus den Videobildern leiteten sie in Zusammenarbeit mit der zweiten Forschergruppe um Peter G. Brown an der kanadischen University of Western Ontario eine Lichtkurve des Boliden ab und trugen dafür die Helligkeit des Feuerballs gegen die Zeit auf. Zudem nutzten sie die auf den Videos simultan aufgezeichneten Knallgeräusche und ermittelten deren Ankunftszeiten. Aus den Daten ergibt sich, dass in etwa 45 Kilometer Höhe erste Fragmente vom eintretenden Gesteinsbrocken abbrachen. Die stärkste Fragmentierung ereignete sich in Höhen zwischen 40 und 30 Kilometern. Insgesamt ermittelten die Forscher elf Fragmentationsereignisse. In 30 Kilometer Höhe hatte sich der Bolide mittlerweile in 20 größere Brocken mit Massen von je rund zehn Tonnen zerlegt. Der Hauptkörper dürfte dort noch eine Masse von etwa 20 Tonnen besessen haben. Der größte Teil (rund 98 Prozent) des in die Erdatmosphäre eingedrungenen Objekts war zu diesem Zeitpunkt bereits verglüht oder hatte sich in Staub verwandelt.

Die 20 Fragmente brachen in Höhen zwischen 26 und 24 Kilometern nochmals weiter auseinander, und die Hauptmasse wog dort noch etwa zehn Tonnen. Sie zerlegte sich in einer Höhe von 22 Kilometern so sehr, dass das größte Bruchstück nur noch eine Masse von 15 Kilogramm aufwies.

Im Oktober 2013 bargen Taucher aus dem Tschebarkul-See, etwa 20 Kilometer südwestlich von Tscheljabinsk, ein rund 600 Kilogramm schweres Trümmerstück - das massereichste, das bisher gefunden wurde. Es stammt nicht von der Hauptmasse, sondern ist der Überrest eines der vorher abgetrennten Fragmente, das durch die Reibung in der Erdatmosphäre schon deutlich verlangsamt war.

Neben der Trajektorie des Boliden in der Erdatmosphäre interessierte die Forscher um Borovicka auch die Bahn des Himmelskörpers durch unser Sonnensystem vor dem Einschlag. Mit Hilfe der Videoaufzeichnungen rekonstruierten sie seine Bahn und stellten fest, dass sie derjenigen des Asteroiden 86039 (1999 NC43) sehr ähnlich ist. Die Wissenschaftler vermuten daher, dass der Bolide von Tscheljabinsk ein Bruchstück dieses rund 2,2 Kilometer großen Asteroiden ist. Sie geben einer Wahrscheinlichkeit von 1:10.000 an, dass die Übereinstimmung der Bahnen nur rein zufällig ist.

Bislang konnte nur von 17 beim Fall beobachteten Meteoriten ihre vorherige Bahn durch das Sonnensystem rekonstruiert werden, aber noch nie fand sich eine derart große Ähnlichkeit mit der Bahn eines bereits bekannten Asteroiden.

Die Arbeitsgruppe um Peter Brown untersuchte, wie groß die Gefahr durch Himmelskörper dieser Größe ist. Um die vom Boliden freigesetzte Energie zu bestimmen, griffen die Forscher auf seismische Messungen, Daten von Infraschallsensoren und die schon oben erwähnte Lichtkurve zurück. Nach ihren Berechnungen setzte der Bolide bei seinem Niedergang zur Erdoberfläche eine Energie frei, die der Explosion von 500 Kilotonnen des Sprengstoffs TNT entspricht.

Nun erweiterten die Forscher um Brown ihre Datenbasis durch Messwerte, die Sensoren der US-Regierung seit dem Jahr 1994, also über einen Zeitraum von rund 20 Jahren, aufgezeichnet hatten. Diese Sensoren dienen der Überwachung des weltweiten Testverbots von nuklearen Waffen und bestehen unter anderem aus Detektoren für Infraschall am Erdboden sowie aus Satelliten, die im Infraroten nach den Starts von Interkontinentalraketen und nach Atombombenexplosionen Ausschau halten. Die Sensoren haben in dieser Zeit zahlreiche Ereignisse registriert, die auf Eintritte von Himmelskörpern in die Erdatmosphäre zurückgehen. Die Forscher stellten fest, dass der Zustrom an solchen Objekten weit gehend den Vorhersagen der Impaktforscher entspricht. Bei Objekten im Größenbereich zwischen 15 und 30 Metern scheint die Häufigkeit allerdings etwa doppelt so hoch zu liegen, wie durch teleskopische Beobachtungen und aus der Verteilungsstatistik der Einschlagkrater auf dem Mond ermittelt wurde. Die Gründe hierfür sind noch unbekannt.

Völlig unabhängig von den Wissenschaftlergruppen um Jirí Borovicka und Peter Brown untersuchte das internationale Forscherteam um Olga P. Popowa von der Russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau die Ereignisse um den Boliden. Wie die beiden erstgenannten Gruppen nutzten auch die Forscher um Popowa die Videobilder der Überwachungskameras und kommen zu vergleichbaren Resultaten. Die ersten Leuchterscheinungen, die vom Eintritt des mehrfamilienhausgroßen Himmelskörpers ausgelöst wurden, begannen in einer Höhe von 97 Kilometern über Grund. Das Objekt trat mit einer Geschwindigkeit von 19,2 Kilometern pro Sekunde in die Erdatmosphäre ein. Mit 18,3 Grad relativ zur Erdoberfläche war der Eintrittswinkel relativ flach. Die Forscher um Popowa leiten eine Eintrittsmasse von 13.000 Tonnen und einen mittleren Durchmesser von 19,8 Metern für den kleinen Asteroiden ab, in guter Übereinstimmung mit den Angaben der beiden anderen Gruppen.

Die Größe und die Geschwindigkeit des Objekts weisen darauf hin, dass sich in etwa 90 Kilometer Höhe eine Stoßwelle in der Erdatmosphäre ausbildete. In einer Höhe von etwa 83 Kilometern brachen erste Teile vom Himmelskörper ab, und es bildete sich ein Staubschweif entlang der Eintrittsbahn aus. Rund 30 Kilometer tiefer erhöhte sich die Fragmentationsrate. Der Bolide bewegte sich zu diesem Zeitpunkt mit 18,6 Kilometer pro Sekunde. Die letzten Fragmentationen ließen sich in einer Höhe von 27 Kilometern erkennen. Der dabei entstandene Staubschweif spaltete sich durch den Auftrieb der heißen Gase in zwei Teile auf, die zu zwei zylindrischen Wirbeln führten.

In den Wochen nach dem Ereignis besuchte ein Teil der Forscher 50 Dörfer entlang der Absturzlinie, um die Glasschäden durch die Stoßwelle systematisch zu erfassen. In der Stadt Tscheljabinsk hatten rund 44 Prozent der Wohnhäuser gesprungene oder zerstörte Scheiben. Allerdings waren diese Schäden nicht gleichförmig über die Stadt verteilt. Dieser Befund weist auf komplizierte Druckverteilungen beim Durchgang der Stoßwelle hin.

Auch die Helligkeit des Feuerballs ist bemerkenswert, er leuchtete im Maximum für Sekundenbruchteile 30-mal so hell wie die Sonne. In der Region befragte Personen berichteten zudem über intensive Wärme, die vom Feuerball ausging. Einige Augenzeugen wiesen gar auf Sonnenbrand auf ihrer Haut hin, der möglicherweise durch die vom Feuerball ausgehende ultraviolette Strahlung verursacht wurde. Allerdings enthalten sich die Wissenschaftler hierzu eines Kommentars.

Popowa und ihre Koautoren gehen davon aus, dass im Bereich der Absturzstelle des Boliden etwa drei bis fünf Tonnen an meteoritischem Material niedergingen, also etwa 0,2 bis 0,4 Promille der Ausgangsmasse. Rund 76 Prozent des Boliden sind beim Atmosphäreneintritt verglüht, die restliche Masse desintegrierte zum allergrößten Teil zu Staub.

Die Meteoriten von Tscheljabinsk

Die aufgefundenen Meteoritenbruchstücke gehören zur Klasse der LL-Chondriten. LL steht für »low iron, low metal« und bedeutet, dass dieser Meteorit nur geringe Mengen an metallischem Eisen und anderen Metallen wie etwa Nickel enthält. Die Bezeichnung Chondrit wurde vom griechischen Wort »chondros« = Korn abgeleitet. Sie weist darauf hin, dass sich in dem Gestein rundliche Körner mit Durchmessern von bis zu einigen Millimetern befinden. Sie gehen auf die Entstehungszeit des Sonnensystems vor rund 4,6 Milliarden Jahren zurück. Damit gehört das Material des Tscheljabinsk-Boliden zu einer der häufigsten Meteoritenklassen.

Dass der Meteorit schon in relativ großer Höhe über dem Erdboden auseinanderbrach, belegt nach Ansicht von Popowa und ihren Koautoren, dass das Gestein bereits vorgeschädigt war. Es enthielt offenbar Sprünge und Risse, entlang derer das Gestein schon bei geringer Druckbelastung in der Atmosphäre zerfiel.

Mit Isotopenuntersuchungen ermittelten die Forscher das Bestrahlungsalter der Meteoriten. Sie stellten fest, dass der Bolide von Tscheljabinsk nur 1,2 Millionen Jahre als eigenständiges Objekt im Sonnensystem unterwegs war. Vor 1,2 Millionen Jahren zog ein größerer Asteroid dicht an der Erde vorbei, wobei durch Gezeiteneffekte Material abgetrennt wurde.

Die Untersuchungen des Boliden von Tscheljabinsk haben nicht nur die Meteoritenforschung bereichert, sondern erlaubten es erstmals, die Effekte im Detail zu betrachten, die den Absturz eines größeren Himmelskörpers auf die Erde begleiten. Nun haben die Planetologen die Möglichkeit, die bisher aus den Daten von Atombombenexplosionen abgeleiteten Erkenntnisse mit der Realität zu vergleichen und ihre Modelle anzupassen.


Tilmann Althaus ist seit 2002 Redakteur bei »Sterne und Weltraum« und betreut vor allem Themen zur Planetenforschung und Raumfahrt.



Literaturhinweise

Borovicka, J. et al.: The trajectory, structure and origin of the Chelyabinsk asteroidal impactor. In: Nature, doi:10.1038/nature12671, 2013
Brown, P.G. et al.: A 500-kiloton airburst over Cheljabinsk and an enhanced hazard from small impactors. In: Nature, doi:10.1038/nature12741, 2013
Popova, O.P. et al.: Chelyabinsk airburst, damage assessment, meteorite recovery, and characterization. In: Science, doi:10.1126/science.1242642, 2013

Weblinks zum Thema unter:
www.sterne-und-weltraum.de/artikel/1214574

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w i s - wissenschaft in die schulen

Didaktische Materialien zu diesem Beitrag

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WiS in Sterne und Weltraum

Zum Artikel »Der Bolide von Tscheljabinsk« schlagen wir Ihnen zwei WIS-Materialien vor:

»Besuch aus dem Weltall«: Im Oktober 2008 stürzte der Mini-Asteroid 2008 TC3 auf die Erde. Mitten in der Wüste im Nordsudan fanden sich seine Bruchstücke, die Meteoriten von Almahata Sitta. Der WIS-Beitrag beschäftigt sich mit einer Reihe von Aufgaben damit, was geschieht, wenn ein himmlischer Kleinkörper in die Atmosphäre der Erde eintritt.
(ID-Nummer: 1051360)

»Auswertung von Feuerkugel-Aufnahmen«: Im WIS-Beitrag kommt eine Rechenmethode zum Einsatz, die es erlaubt, den Aufschlagort eines Meteoriten aus einer Feuerkugelaufnahme zu ermitteln. Als Beispiel dient der Meteorit »Neuschwanstein« aus dem Jahr 2002. Um das Verständnis zu erleichtern, wird der vollständige Rechenweg präsentiert und zur Nachahmung empfohlen.
(ID-Nummer: 1051389)


Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Abb. S. 53 oben:
Bei seinem Eintritt in die Erdatmosphäre am 15. Februar 2013 hinterließ der sich mit 20 Kilometer pro Sekunde bewegende Bolide eine markante Rauchspur. Sie entstand durch die enorme Hitze, die auf die Reibung in der Erdatmosphäre zurückgeht. Die Spur besteht sowohl aus feinsten Staubteilchen des Meteoriten als auch aus atmosphärischem Wasserdampf, der an den Staubteilchen kondensierte.

Abb. S. 53 unten:
Die gelben Punkte geben die Fundorte von Meteoritenbruchstücken wieder, die nach dem Boliden vom 15. Februar 2013 im Umfeld der Stadt Tscheljabinsk geborgen wurden. Die roten und orangefarbenen Punkte weisen auf gemeldete Schäden am Erdboden hin. Die schmetterlingsförmigen Konturlinien repräsentieren Modellrechnungen für die vom Boliden beim Fall freigesetzten Druckwellen sowie die am Boden angekommene zerstörerische Energie.

Abb. S. 54 oben:
Bisher gelang es für 17 beim Fall beobachteten Meteoriten, ihre ursprünglichen Bahnen durch das Sonnensystem zu rekonstruieren. Alle Objekte stammen aus dem Asteroiden-Hauptgürtel zwischen den Orbits von Mars und Jupiter. Die Bahn des Boliden von T scheljabinsk ist derjenigen des Asteroiden 86039 (1999 NC 43) sehr ähnlich, möglicherweise war er ein Bruchstück dieses 2,2 Kilometer großen Himmelskörpers. Das Widdersymbol markiert die Richtung zum Frühlingspunkt.

Abb. S. 54 und 55 unten:
Das größte bekannte Fragment des Meteoriten von Tscheljabinsk mit einer Masse von rund 600 Kilogramm ging im Tschebarkul-See südwestlich der Großstadt Tscheljabinsk nieder. Bei seinem Fall durchschlug es die Eisdecke des Sees (Inset) und hinterließ ein kreisrundes Loch mit einem Durchmesser von sieben Metern (rechtes Teilbild). Das Fragment konnte erst im Oktober 2013 von Tauchern geborgen werden.

Abb. S. 56 oben:
Rund 600 Kilogramm schwer ist das größte bekannte Fragment des Meteoriten von Tscheljabinsk. Es befindet sich jetzt im Tscheljabinsker Staatlichen Museum für lokale Geschichte.

Abb. S. 56 unten:
Rund vier Zentimeter Größe besitzt dieses Bruchstück des Meteoriten von Tscheljabinsk, das unmittelbar nach dem Fall aufgesammelt wurde. Im Anschnitt zeigen sich unterschiedlich helle Gesteinsanteile und rundliche Gebilde, die als Chondren bezeichnet werden. Zudem ist das Bruchstück von zahlreichen Rissen durchzogen. Sie waren schon vor dem Fall vorhanden und sind mit dunklem Gesteinsglas gefüllt, das bei einem Einschlag auf dem Mutterkörper des Meteoriten entstand.


© 2014 Tilmann Althaus, Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg

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Quelle:
Sterne und Weltraum 1/14 - Januar 2014, Seite 52 - 56
Zeitschrift für Astronomie
Herausgeber:
Prof. Dr. Matthias Bartelmann (ZAH, Univ. Heidelberg),
Prof. Dr. Thomas Henning (MPI für Astronomie)
Redaktion Sterne und Weltraum:
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veröffentlicht im Schattenblick zum 17. Juni 2014