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Kosmische Einschläge auf der Erde


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Sterne und Weltraum - epaper ⋅ Ausgabe 11/2022 vom 07.10.2022

IMPAKTFORSCHUNG

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Bildquelle: Sterne und Weltraum, Ausgabe 11/2022

Nördlinger Ries und Steinheimer Becken Das Bild entstand im Sommer 2018 als eine gemeinsame Darstellung aus einem digitalen Höhenmodell der Radarmission TanDEM-X und den Messdaten des Satelliten Copernicus Sentinel-2 aus Kanal 2/3/4 vom 1. Juli 2018. Das schräg beleuchtete Höhenmodell von TanDEM-X betont im RGB-Bild von Sentinel-2 Licht- und Schatteneffekte.

Kreuzt ein interplanetares Objekt die Erdbahn, so kann es zur Kollision mit unserem Heimatplaneten kommen. Das gilt für Staubkörner aus dem All ebenso wie für Asteroiden und Kometen mit deutlich größeren Dimensionen. Sie treffen immer mit hoher Geschwindigkeit von mindestens 11,2 Kilometern pro Sekunde auf die irdische Atmosphäre. Staubförmige Meteoroide erzeugen dann die als Sternschnuppen oder Feuerkugeln bekannten Leuchteffekte in der oberen Atmosphäre. Je nach Zusammensetzung des Projektils werden größere Objekte von 50 bis 100 Metern Durchmesser in der Erdatmosphäre nicht mehr vollständig abgebremst und kollidieren mit der Erdoberfläche. Dabei entspricht die kinetische Energie für einen Impaktor mit nur 50 Meter Durchmesser und einer mittleren kosmischen Geschwindigkeit von 20 Kilometern pro Sekunde dem Äquivalent von elf Millionen Tonnen des Sprengstoffs TNT (Trinitrotoluol). ...

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Wie bilden sich Einschlagkrater?

Die Entstehung eines Einschlagkraters lässt sich in drei Phasen gliedern – zunächst die Kontakt- und Kompressionsphase, danach die Aushub- und schließlich die Modifikationsphase (siehe »Ein Einschlagkrater entsteht«, S. 20). In der ersten Phase wird das Projektil in Sekundenbruchteilen gestoppt, sobald es in Kontakt mit der Erdoberfläche kommt. Es dringt um das Ein- bis Zweifache seines eigenen Durchmessers in den Untergrund ein. Seine kinetische Energie wird in eine vom Einschlagpunkt radial nach außen laufende Stoßwelle transformiert. In entgegengesetzter Richtung rast diese Stoßwelle auch durch den Impaktor selbst, der in der Folge zumeist vollkommen aufgeschmolzen wird und in Teilen sogar verdampft. Die Stoßwelle führt im getroffenen Gestein, dem so genannten Targetgestein, zu extrem hohen Drücken und Temperaturen – weitaus höher, als sie bei üblichen geologischen Vorgängen auf oder nahe der Erdoberfläche auftreten. Als Konsequenz davon wird das Targetgestein plastisch verformt oder zertrümmert. Es kann dabei schmelzen und sogar verdampfen. Mit zunehmendem Abstand vom Einschlagpunkt nimmt die Energie der Stoßwelle ab, da das beanspruchte Volumen immer größer wird und große Mengen an Gestein bewegt und erhitzt werden, wofür Energie benötigt wird. Das Ende der Kontakt- und Kompressionsphase ist erreicht, wenn die Stoßwelle von der Rückseite des Projektils reflektiert wird, und dann mit vergleichsweise höherer Geschwindigkeit als so genannte Entlastungswelle durch das bereits komprimierte und deformierte Targetgestein rast und schließlich die Stoßwelle einholt.

Durch die Ausbreitung der Stoßwelle und der nachfolgenden Entlastungswelle wird das Gestein symmetrisch um den Einschlagpunkt explosionsartig in Bewegung versetzt. Tiefer gelegenes Gestein wird nach unten verfrachtet, während Material aus höheren Bereichen die Krateröffnung auf ballistischen Bahnen verlässt. In der Folge entsteht schließlich eine paraboloidartige Hohlform: der Übergangskrater. Das herausgeschleuderte Gestein bildet zunächst einen Auswurfvorhang, bevor das fragmentierte Gestein später um den Krater als Auswurfdecke abgelagert wird. Über dem Krater steigt eine Explosionswolke aus Gesteinsdampf, Schmelze und Gesteinstrümmern auf, die sich bei großen Einschlägen bis in die Stratosphäre erheben kann.

Sobald die Schwerkraft gegenüber der nach außen gerichteten Gesteinsbewegung dominiert, hat der Übergangs- krater seine größte horizontale Ausdehnung, und mit etwa einem Drittel seines Durchmessers seine größte Tiefe erreicht. Nun beginnt die dritte Phase der Kraterbildung: die Modifikationsphase. Kleine schüsselförmige Kraterstrukturen verändern sich dann nur leicht. Die transiente Kraterhohlform wird durch das Abrutschen der übersteilen Kraterwände und das Zurückfallen des zunächst über dem Einschlagort aufgestiegenen heißen Gemischs aus Gesteinsdampf, Schmelze und Gesteinstrümmern modifiziert. Ein einfacher Einschlagkrater ist entstanden. Bei größeren Strukturen – in Sedimentgestein bei Durchmessern größer als zwei Kilometer und in kristallinem Gestein von mehr als vier Kilometern – sind die durch die Schwerkraft bedingten Ausgleichsbewegungen massiv, und es bildet sich ein komplexer Krater (siehe »Varianten von Einschlagkratern«).

Das Gestein verhält sich kurzfristig fast wie eine Flüssigkeit, obwohl es überwiegend fest ist. Man erklärt diese zeitweise Herabsetzung der Gesteinsfestigkeit mittels der hohen seismischen Energie, die im Gestein nach dem Durchlauf der Stoßwelle und der Entlastungswelle gespeichert ist.

Der Boden des Übergangskraters schwingt wegen Auftriebskräften nach oben und bildet eine Zentralerhebung. Daraus ergibt sich am Kraterrand ein Massendefizit, das zu einem Absacken der steilen Kraterwände führt. In der Folge bilden sich am inneren Kraterrand Terrassen, und die Übergangsform des Kraters vergrößert sich. Steigt die Zentralerhebung sehr weit auf, kann sie unter ihrem eigenen Gewicht kollabieren, wobei sich die dadurch ausgelöste Bewegung großer Gesteinsmassen mit dem von den Kraterwänden nach innen gerichteten Materialfluss überlagert. Dann bildet sich eine Impaktstruktur, die als Peak-Ring- oder Multiringkrater bekannt ist.

Kommen alle Massenbewegungen im Krater zur Ruhe, ist die Modifikationsphase beendet, und aus der instabilen, transienten Kraterhohlform hat sich ein komplexer Einschlagkrater gebildet.

Dieser besteht aus einer Zentralerhebung oder einem inneren Ring, einem terrassierten Kraterrand, einem relativ flachen Kraterinneren bedeckt von Schmelze und zertrümmertem (brekziertem) Targetgestein sowie einer Auswurfdecke außerhalb des Kraterrands.

Die weitere Geschichte von einfachen und komplexen Impaktstrukturen schreiben dann die gängigen geologischen Prozesse wie Tektonik, Erosion oder Sedimentation. Viele der auf der Erdoberfläche bekannten Impaktstrukturen wurden durch diese Prozesse stark verändert, oder sogar komplett mit Sediment- oder vulkanischem Gestein bedeckt.

Das auf die Erdoberfläche einschlagende Projektil überträgt seine kinetische Energie, die letztlich die Kraterbildung zur Folge hat, im Vergleich zu den langsam ablaufenden, üblichen geologischen Prozessen in extrem kurzer Zeit. Für die vollständige Bildung eines ein Kilometer großen Kraters werden nur wenige Sekunden benötigt. Selbst ein großes Gebilde wie die Vredefort-Impaktstruktur in Südafrika, deren Durchmesser anfänglich 250 bis 300 Kilometer betrug, entstand in nur 15 Minuten.

Identifizierung terrestrischer Impaktstrukturen

Der Schlüssel zum Nachweis von Impaktstrukturen sind die beim Einschlag in der Erdkruste auftretenden extrem hohen Drücke und Temperaturen, welche durch die sich im Targetgestein ausbreitende Stoßwelle entstehen. Bei keinem anderen geologischen Prozess können solche Zustände in der obersten Erdkruste auftreten. Gesteine können einer durch eine Stoßwelle ausgelösten Kompression bis zum so genannten Hugoniot Elastischen Limit ohne plastische Deformation widerstehen. Darüber hinausgehender Stress erzeugt im Targetgestein eine bleibende Verformung, die in der Geologie als Stoßwellenmetamorphose bezeichnet wird. Welche Stoßwelleneffekte auftreten, hängt vom Stoßwellendruck im Gestein ab und ist extrem abhängig von der Natur und Zusammensetzung des Gesteins im gesamten Skalenbereich von vielen Metern bis zum mikroskopischen Bereich. Bei Werten unter zwei Gigapascal wird das Gestein nur zertrümmert und brekziert. Darüber, in einem Bereich von zwei bis etwa zehn Gigapascal, können Strahlenkegel (shatter cones) entstehen. Das sind die einzigen Stoßwellen- effekte, die mit bloßem Auge zu erkennen sind. Sie zeigen sich als Bruchflächen, deren Oberflächen strahlenartige, von einer Spitze ausgehende Muster aufweisen (siehe »Stoßwelleneffekte«, oben).

Alle weiteren Stoßwelleneffekte lassen sich nur mikroskopisch erkennen. Das weit verbreitete Mineral Quarz ist der beste Anzeiger des Stoßwellendrucks. In Quarzkörnern von massivem, nichtporösem Gestein findet man zwischen fünf und etwa zehn Gigapascal planare Brüche (PFs) sowie Feather Features (FFs). Letztere sind federartige Mikrostrukturen in Quarzkristallen, die entlang spezifischer kristallografischer Richtungen auftreten.

Ab zehn Gigapascal erscheinen planare Deformationsstrukturen (PDFs). Im betreffenden Mineral zeigen sie sich als sehr engständige, parallele, manchmal auch sich kreuzende Lamellen längs bestimmter Kristallgitterebenen, entlang denen das Kristallgitter zusammengebrochen und teilweise amorphisiert (glasartig) wurde. Diese PDFs gelten in der Impaktgeologie als wichtigstes Kriterium für einen Einschlag, insbesondere da sie in den häufigsten Mineralen der Erdkruste, Quarz und Feldspat, gut ausgebildet werden können. Sie lassen sich mit einem petrografischen Mikroskop gut erkennen (siehe »Stoßwelleneffekte«).

Erhöht sich der Druck über 30 bis 35 Gigapascal und steigt damit auch die Temperatur im Gestein weiter an, so nimmt Quarz eine Art Glasstruktur an – ohne jedoch direkt zu schmelzen. Dieses Material ist als diaplektisches Quarzglas bekannt. Solche Gläser bilden sich auch in Feldspatmineralen.

Ab einem Druck von 50 Gigapascal erhöhen sich die Stoßwellentemperaturen auf mehr als 1000 Grad Celsius, und die gesteinsbildenden Minerale beginnen zu schmelzen. Oberhalb von 100 Gigapascal erreichen die Stoßwellentemperaturen schließlich so hohe Werte, dass das Gestein zu verdampfen beginnt.

Zusätzlich verraten sich Einschlagstrukturen durch Hochdruckpolymorphe, Impaktite und meteoritisches Material. Erstgenannte entstehen wegen der bei einem Impakt auftretenden hohen Drücke in einem nichtstatischen Prozess. Aus dem Mineral Quarz bilden sich so Coesit und Stishovit. Beide sind chemisch identisch mit Quarz (SiO2), kristallisieren aber mit einer höheren Dichte und einer anderen Struktur aus. Die Entdeckung dieser beiden Minerale war im Jahr 1960 tatsächlich der erste Beweis, dass der Meteor Crater in Arizona ein Impaktkrater ist, ebenso wie es kurz danach für das Nördlinger Ries in Süddeutschland festgestellt wurde.

Während eines Einschlagereignisses entstehen eine Reihe charakteristischer Gesteine, die Impaktite. Bei den Impaktiten aus der Einschlagstruktur und seiner näheren Umgebung unterscheidet man zwischen Gestein, das seine Struktur und Konsistenz beibehalten hat, dessen Minerale jedoch Effekte der Stoßwellenmetamorphose aufweisen, sowie Brekzien, zu denen auch Impaktschmelzgestein zählt. Der aus dem Nördlinger Ries bekannte Suevit, der »Schwabenstein«, ein Brekzientyp mit Schmelzpartikeln, findet sich weltweit in vielen Impaktstrukturen (siehe »Impaktgestein«). Ebenfalls zu den Impaktiten zählt Impaktglas.

Schließlich gibt es noch die Tektite, die aus geschmolzenem Gestein bestehen und in Streufeldern außerhalb ihrer Bildungskrater konzentriert sind. Sie wurden in einer frühen Phase des Aushubs auf ballistischen Bahnen weit aus dem Ursprungskrater geschleudert und repräsentieren geschmolzenes Targetgestein. Im Lauf ihres Flugs durch die Atmosphäre verfestigt sich die Schmelze wieder, ohne im Wesentlichen auszukristallisieren.

Die Moldavite entstanden bei der Bildung des Rieskraters vor rund 15 Millionen Jahren, das Streufeld der Tektite westlich von Ghana stammt vom Bosumtwi-Einschlag, und die Georgiaite und Bediasite aus dem Bereich der Golfküste der USA haben ihren Ursprung im Chesapeake-Bay-Impakt.

In seltenen Fällen zeugen kleine Bruchstücke des meteoritischen Projektils vom extraterrestrischen Ursprung eines Einschlagkraters. Meist ist das Projektil jedoch beim Einschlag vollkommen geschmolzen oder verdampft. Dann kommen geochemische Verfahren zum Einsatz, die nach einem erhöhten Anteil siderophiler und hochsiderophiler Elemente wie Nickel, Kobalt, Iridium, Ruthenium, Rhenium und Osmium, die sich bevorzugt in Eisenverbindungen lösen, in Impaktschmelzgesteinen suchen. Diese Elemente finden sich im Vergleich zu terrestrischen Krustengesteinen in erhöhter Konzentration in den Gesteinen der Mutterkörper vieler Meteoritenarten.

Eigenschaften von Impaktstrukturen

Impakte, die deutliche Spuren in der Topografie hinterlassen haben, lassen sich relativ einfach lokalisieren. Dann können auch deren Durchmesser leicht bestimmt werden, wobei man zwischen der heutigen scheinbaren und der ursprünglichen Größe unterscheiden muss. Sollte die Topografie einer Impaktstruktur durch geologische Prozesse bis zur Unkenntlichkeit modifiziert worden sein, ist unter Umständen eine Entdeckung dennoch möglich, und zwar wenn sich noch Impaktgesteine an der Erdoberfläche finden lassen.

Tektonische Prozesse und Sedimentation können Einschlagstrukturen in den Untergrund verfrachtet haben, so dass ein Krater heute unter jüngeren Sedimentgeteinen liegt. Manchmal werden solche Impaktstrukturen zufällig bei geophysikalischen Explorationen oder bei Bohrungen, beispielsweise nach fossilen Lagerstätten wie Erdöl oder Gas, gefunden. In den Gesteinen der Bohrkerne zeigen sich dann womöglich Stoßwelleneffekte.

Terrestrische Einschlagstrukturen können auch unter Wasser verborgen sein. Gerade in Nordeuropa und Nordamerika findet man zahlreiche von Seen bedeckte Strukturen. Drei relativ große Impaktstrukturen befinden sich auf Kontinentalschelf, wo sie der Ozean unseren Blicken entzieht. Dies sind Mjølnir in der norwegischen Barentssee, Montagnais vor Ka- nadas Atlantikküste, und die großenteils unter der Chesapeake Bay vor der amerikanischen Ostküste verborgene Impaktstruktur gleichen Namens.

Für einige ganz kleine Impaktstrukturen kennt man den Zeitpunkt ihrer Entstehung ganz genau, da diese Einschläge in moderner Zeit passiert sind und sogar beobachtet werden konnten. Dazu zählen Carancas in Peru (Einschlag am 15. September 2007, Durchmesser 14,2 Meter; siehe SuW 12/2007, S. 20), Sterlitamak in Russland (Einschlag am 17. Mai 1990, Durchmesser 9,4 Meter; der Krater wurde bei der Suche nach dem Projektil zerstört), und das aus zahlreichen Kleinstkratern bestehende Sikhote-Alin-Streufeld ganz im Osten Russlands (Einschlag am 12. Februar 1947).

Für alle anderen in der Vergangenheit entstandenen Einschlagstrukturen haben sich drei Methoden zur Altersbestimmung etabliert. Relative Alter, oftmals verbunden mit großen Unsicherheiten oder nur der Angabe eines Maximal- oder Minimalalters, erhält man aus stratigrafisch oder paläontologisch bestimmten Altern der Schichten, die beim Einschlag verformt wurden beziehungsweise den Krater direkt überdecken.

Radiometrische Daten können absolute Zeitangaben liefern. Dabei vergleicht man die Menge der beim Zerfall von radioaktiven Elementen entstandenen Tochterisotope mit den ursprünglich im Gestein vorhandenen Mutterisotopen. Ist die Zerfallsrate einer solchen Reaktion bekannt, so können absolute Alter gemessen werden. Gängige Verfahren sind unter anderem die Uran-Blei- oder die Argon-Argon-Datierung.

Geschichte der Impaktentdeckungen

Die Geburtsstunde der Impaktgeologie liegt im frühen 20. Jahrhundert. Damals befasste sich der junge Geologe und Bergbauunternehmer Daniel Barringer mit der Coon-Butte-Struktur in Arizona, die heute als Meteor Crater oder Barringer-Krater bekannt ist. Er folgerte aus dem Fund zahlreicher kleiner, splitterförmiger Eisenmeteoriten um den Krater, ihrer Lage unterhalb zertrümmerter Auswurfmassen und der umgekehrten Gesteinsabfolge in der Nähe des Kraterrands – ältere Schichten liegen über jüngeren –, dass Coon Butte das Ergebnis des Einschlags eines gewaltigen Eisenmeteoriten war.

Da zu dieser Zeit die beim Einschlag ablaufenden Prozesse keineswegs verstanden waren, nahm er an, unterhalb des Kraterbodens eine große Menge an metallischem Eisen und Nickel finden zu können. Er erwarb das Gelände mit Coon Butte und bohrte bis zu seinem Lebensende vergeblich nach diesem Projektil. Seine korrekte Theorie zum Ursprung von Coon Butte blieb lange Zeit unbeachtet, da Grove Karl Gilbert, einer der angesehensten amerikanischen Geologen zu jener Zeit, stattdessen eine vulkanische Entstehung annahm wegen der Lage des Meteor Craters nahe dem San-Francisco- Vulkanfelds. Auch fand man im Kraterboden keine magnetische Anomalie, wie man sie von einem massiven Eisenobjekt erwartet hätte. Erst im Jahr 1960 spürten Eugene Shoemaker und Ed Chao die Minerale Coesit und Stishovit im Meteor Crater auf und bestätigten damit Barringers Vermutung.

Seitdem ließen sich mehr als 200 terrestrische Einschlagstrukturen identifizieren, meist durch den eindeutigen Nachweis von Stoßwelleneffekten, aber auch wegen des Auffindens von Relikten meteoritischen Materials (siehe »Immer mehr Einschlagkrater bestätigt«). Im Mittel werden heute pro Jahr zwei bis drei neue Impakte erkannt. Schätzungen, wie viele Einschlagstrukturen momentan auf der Erde noch unentdeckt sind, belaufen sich auf etwa 350 Strukturen mit Durchmessern von 250 Metern bis 6 Kilometern. Bei noch größeren Durchmessern wird man zwar hin und wieder ebenfalls einzelne Einschläge – vor allem unter jüngerem Gestein begraben – finden, doch sollte deren Anzahl nicht mehr signifikant ansteigen. Insgesamt würde das terrestrische Impaktinventar dann 550 bis 600 Einschläge umfassen.

Von den heute bekannten 210 Impaktstrukturen (siehe »So verteilen sich Impaktstrukturen weltweit«) sind neun Impaktstreufelder aus mehreren Kleinstkratern: Ilumetsä, Kaalijärv und Morasko in Europa, Campo del Cielo und Rio Cuarto (das aber von vielen als durch Winderosion entstanden angesehen wird), Sikho- te-Alin in Asien, Henbury in Australien, sowie Odessa und das Wyoming-Kraterfeld in Nordamerika.

Bei 13 terrestrischen Einschlagstrukturen steht der finale Nachweis anhand von Stoßwelleneffekten noch aus, obwohl die meisten davon auch in etablierten Datenbanken als Impakte geführt werden: Bloody Creek und Pantasma in Nord- beziehungsweise Zentralamerika, Hiawatha in Grönland, das Colônia-Becken und Rio-Cuarto-Feld in Südamerika, das Connolly-Becken, Crawford und Flaxman, Mount Toondina und Piccaninny in Australien, Ouarkziz in Afrika, sowie Kara-Kul und Yilan in Asien.

Man findet außerdem weltweit Hinweise auf weitere Impakte. Dies lässt sich beispielsweise aus dem weit ausgedehnten australisch-südostasiatischen Tektitstreufeld, dessen Ursprungskrater noch nicht identifiziert wurde, sowie den Relikten der Auswurfdecken bei Vakkejokk in Schweden, Alamo in Nevada, und Stac Fada in Schottland ableiten.

Der Eltanin-Impakt ist der einzige in einem Ozeanbecken nachgewiesene Einschlag, 1500 Kilometer vor der chilenischen Küste in der Bellinghausensee. In Tiefseebohrkernen der Region fanden sich hohe Iridiumkonzentrationen und kleinste Impaktschmelzpartikel mit meteoritischer Komponente. Allerdings verhinderte die mehr als vier Kilometer mächtige Wassertiefe in diesem Bereich die Ausbildung eines deutlichen Kraters am Tiefseeboden.

Einschlagstrukturen und ihre kontinentale Verteilung

Die höchsten Anzahlen von Einschlagstrukturen finden sich in Australien, Europa, Nord- und Zentralamerika, die geringsten dagegen in Afrika, Asien und Südamerika. Diese ungleichmäßige Verteilung hat unterschiedliche Gründe. In Europa und Nordamerika hatten sich Astronomie und Geologie schon lange etabliert, so dass dort die Suche nach den Überresten von Asteroideneinschlägen bereits ab Mitte des 20. Jahrhunderts erfolgte, als Impaktprozesse allmählich verstanden wurden. Außerdem gab es einzelne besonders aktive Wissenschaftler, wie Eugene Shoemaker und seine Frau Carolyn, die in Australien zahlreiche Impaktstrukturen entdeckten, oder Carlyle Smith Beals, der sich bereits früh um das kanadische Einschlagportfolio verdient gemacht hat.

Auf Kontinenten mit deutlich weniger Impakten begann eine systematische Suche erst mit Verspätung. Da eine eindeutige Identifizierung einer Einschlagstruktur zunächst immer geologische Arbeit im Gelände erfordert, verbunden mit nachfolgender petrografischer sowie geochemischer Laboranalyse, spielt der Zugang zu möglichen Impaktstrukturen eine wichtige Rolle. Große Teile Afrikas und Südamerikas sind von dichtem Regenwald bedeckt und erschweren dortige Expeditionen. Dazu kommt, vor allem in Afrika, die vielerorts sehr angespannte Sicherheitslage.

Einen wichtigen Grund spielt auch das Alter der kontinentalen Kruste. Dort, wo alte stabile Schilde – also sehr alte kontinentale Kruste – vorhanden sind, besteht die Möglichkeit, dass sich noch sehr alte Impaktstrukturen finden lassen, auch wenn geologische Prozesse sie stark verändert haben. Das ist beispielsweise auf Nordeuropas Baltischem Schild (Fennoskandia) der Fall, dessen Gesteine meist älter als eine Milliarde Jahre sind. Allein in Skandinavien und im Baltikum finden sich 30 der 54 bekannten europäischen Impaktstrukturen. Auch die beeindruckende Zahl von 32 Impakten in Kanada beruht auf dem hohen Alter der dortigen Kruste. In jungen geologischen Provinzen lassen sich dagegen nur relativ spät in der Erdgeschichte entstandene Einschläge nachweisen.

Mit Grönland (2,2 Millionen Quadratkilometer) und der Antarktis (14,2 Millionen Quadratkilometer) sind immer noch weite Teile der Erdkruste durch kilometerdickes Eis verborgen. Da sich diese Eisschilde im Fall der Antarktis erst vor 34 Millionen Jahren oder bei Grönland vor etwa 2,5 Millionen Jahren gebildet haben, sollten in der unter dem Eis liegenden, zum Teil erdzeitlich gesehen sehr alten Kruste ältere Impaktstrukturen zu finden sein.

Ende 2018 wurde die Entdeckung einer rundlichen Struktur mit 31 Kilometer Durchmesser unter dem Eis in Grönland bekannt. Die Entdecker dieser Hiawatha genannten Struktur interpretieren sie inzwischen als Einschlagstruktur mit ei- nem Alter von 58 Millionen Jahren. Solange aber keine Gesteine direkt aus dem Krater vorliegen, die eine Datierung ermöglichen und auf Stoßwelleneffekte untersucht werden können, wird Hiawathas Ursprung weiter für Diskussionen sorgen (siehe »Vredefort-Krater», »Meteor Crater« und »Nördlinger Ries«).

Die Lebensdauer von Einschlagkratern

Die meisten Einschläge, welche die Erde im Lauf ihrer Milliarden Jahre währenden Geschichte erfahren hat, sind längst von ihrer Oberfläche durch geologische Prozesse getilgt. Wie lange sich ein Krater an der Oberfläche hält, hängt im Wesentlichen von der Geschwindigkeit der Erosion oder der Sedimentation ab, sowie von der ursprünglichen Größe. Je kleiner ein Krater ist, umso schneller verschwindet er von der Erdoberfläche wieder. Deshalb zählen die kleinsten terrestrischen Krater zu den jüngsten: Carancas, Sterlitamak und Sikhote-Alin.

Eine Ausnahme ist das Wyoming-Kraterfeld (siehe SuW 1/2019, S. 15). Es besteht aus zahlreichen Kleinstkratern mit Durchmessern von 10 bis 70 Metern aus der Zeit des Perms vor 280 Millionen Jah- ren. Die Kleinstkrater dieses Streufelds wurden offensichtlich rasch in den Untergrund verfrachtet, wo sie vor Erosion bewahrt wurden. Neuere Untersuchungen weisen darauf hin, dass diese kleinen Krater so genannte Sekundärkrater sind, die durch Blöcke gebildet wurden, die von einem sehr großen Einschlagkrater, dem Primärkrater, ausgeworfen wurden. Dessen vermutete Lage tief im Untergrund konnte zwar grob eingegrenzt werden, ist jedoch noch nicht bestätigt (siehe »Durchmesser-Alter-Diagramm«).

Am anderen Ende der Skala sehen wir mit Chicxulub, Sudbury und Vredefort die größten bisher bekannten Impaktstrukturen unseres Planeten. Die beiden letztgenannten zählen auch zu den sehr betagten Impakten. Vredefort wies nach seiner Bildung einen Durchmesser von 250 bis 300 Kilometern auf. Heute ist davon im Wesentlichen nur noch die tief erodierte Wurzel seiner Zentralerhebung mit einem Durchmesser von 90 Kilometern, der Vredefort Dome, übrig. Der Krater erstreckte sich vor mehr als zwei Milliarden Jahren über das gesamte Witwatersrand-Becken im heutigen Südafrika. Die reichen Goldund Uranvorkommen des Witwatersrand sind auch dem Vredefort-Einschlag geschuldet, der sie tief in den Untergrund beförderte, was sie vor Erosion bewahrte.

Reiche Erzlagerstätten kennzeichnen ebenfalls die Region von Sudbury. Der dort vor 1,85 Milliarden Jahren erfolgte Rieseneinschlag erzeugte einen Krater mit 200 Kilometer Durchmesser, von dem gegenwärtig nur noch ein Teil seiner nördlichen Hälfte mit den Ausmaßen von 60 × 30 Kilometern übrig geblieben ist. Der südliche Teil wurde infolge einer späteren Gebirgsbildung deformiert, angehoben und dann abgetragen. Der mit 66 Millionen Jahren deutlich jüngere Chicxulub-Impakt in Mexiko zählt mit einem Durchmesser von 180 Kilometern zu den drei größten Einschlagstrukturen der Erde. Halb liegt er von etwa 800 Meter Sedimentgestein bedeckt im Golf von Mexiko, halb auf Mexikos Yucatán-Halbinsel ebenfalls unter tertiären Sedimentgesteinsschichten. Dort zeichnet ein Ring von Einbruchstrukturen, so genannten Dolinen (Cenoten), den Verlauf des Kraters nach.

Bis vor Kurzem galt Vredefort mit einem sehr gut bestimmten Alter von 2023 ± 4 Millionen Jahren als der älteste bekannte Einschlag. Neue Untersuchun- gen an einem Relikt der Yarrabubba-Kraterstruktur in Westaustralien ergaben ein Alter von 2246 ± 17 Millionen Jahren und machen nun diesen Impakt zum derzeitigen Rekordhalter.

Einschlagraten auf der Erde

Letztlich bleibt noch zu klären, wie häufig Asteroiden oder Kometen einer bestimmten Größe mit der Erde kollidieren. Mit Stichtag 30. April 2022 waren exakt 28 867 Asteroiden und 117 Kometen bekannt, deren sonnennächste Punkte auf den jeweiligen Umlaufbahnen von etwa 1,3 Astronomischen Einheiten sie der Erde relativ nahe bringen. Etwa 18 800 davon sind kleine Objekte mit bis zu 140 Meter Durchmesser.

Ein Asteroid mit nur 140 Meter Durchmesser würde auf der Erde immerhin einen bis zu drei Kilometer weiten Einschlagkrater erzeugen – mit katastrophalen Auswirkungen in einem Tausende von Quadratkilometern großen Gebiet. Zusammen bezeichnet man erdnahe Asteroiden und Kometen als erdnahe Objekte (englisch: Near Earth Objects, kurz NEOs; siehe »Erdnahe Asteroiden«). Diejenigen Objekte mit einer Größe von mindestens 140 Metern, die sich der Erdbahn bis auf weniger als 7,5 Millionen Kilometer nähern, nennt man potenziell gefährliche Objekte (englisch: Potentially Hazardous Objects, PHOs). Davon sind heute annähernd 2300 bekannt. Ständige Himmelsdurchmusterungen lassen die Anzahl an NEOs und PHOs kontinuierlich ansteigen.

Als Faustregel kann man annehmen, dass im Mittel Krater mit einem Kilometer Durchmesser wie der Meteor Crater alle 16 000 Jahre entstehen. Für einen Kra- ter wie das Nördlinger Ries mit 26 Kilometer Durchmesser beträgt dieses Intervall bereits etwa eine Million Jahre, während man für die Entstehung zweier aufeinanderfolgender wirklich großer Krater mit bis zu 250 Kilometer Durchmesser (Vredefort) statistisch gesehen schon fast 150 Millionen Jahre warten müsste.

Wie wenig sich aber Zusammentreffen mit kleinen Objekten des Sonnensystems vorhersagen lassen, konnten wir am 15. Februar 2013 erleben: Für diesen Tag war der nahe Vorbeiflug des 20 × 40 Meter großen Asteroiden 2012DA14in nur 27 700 Kilometer Entfernung von der Erdoberfläche vorhergesagt worden. Nur 16 Stunden vor diesem Ereignis detonierte aber ein etwa 20 Meter großer, bis dahin unerkannt gebliebener Himmelskörper in einem Airburst in 30 Kilometer Höhe über der sibirischen Stadt Tscheljabinsk. Er verursachte beträchtliche Schäden, nachdem er mit kosmischer Geschwindigkeit in die Atmosphäre eingedrungen war (siehe SuW 4/2013, S. 22). Seine äquivalente Energie wurde auf 400 bis 500 Kilotonnen TNT geschätzt.

Ebenfalls in Sibirien ereignete sich über der Region der Steinigen Tunguska im Jahr 1908 ein gewaltiger Airburst, der mehr als 2000 Quadratkilometer borealen Walds fällte, und dem eine explosive Energiefreisetzung von bis zu fünf Megatonnen zugerechnet wird. Man führt diese Katastrophe auf die Explosion eines mehr als 50 Meter großen Projektils in nur zehn Kilometer Höhe zurück. Das Risiko kosmischer Kollisionen ist auch weiterhin nicht zu vernachlässigen, so dass unsere Zivilisation auch in Zukunft gelegentlich solchen Gefahren ausgesetzt sein wird. ■

Literaturhinweise

Gottwald, M., Kenkmann, T., Reimold, W. U.: Terrestrial Impact Structures – The TanDEM-X Atlas. Verlag Dr. Friedrich Pfeil, München 2020

Kenkmann, T.: The terrestrial impact crater record: A statistical analysis of morphologies, structures, ages, lithologies, and more. Meteoritics & Planetary Science 56, 2021

Reimold, W. U., Gibson, R. L.: Meteorite Impact! The Danger from Space and South Africa’s Mega-Impact, the Vredefort Structure. Springer, Berlin, Heidelberg 2010

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Didaktische Materialien: artikel/1421038