Links im Bild ist eine Chondrit-Probe zu sehen, die schmilzt und verdampft, Bildquelle: Universität Stuttgart; Lizenz: gemäß den Bedingungen der Quelle

„Sternschnuppen, nur einen Meter entfernt“

Täglich treffen tonnenweise Gesteinsbrocken mit hohen Geschwindigkeiten auf die Erdatmosphäre. Dort werden sie stark abgebremst und heizen sich auf, sodass sie meist vollständig verglühen. Manchmal lassen sich die verglühenden Gesteine als helle Streifen am Nachthimmel beobachten – als Sternschnuppen. Forscher haben diese nun im Labor nachgebildet. Welt der Physik sprach mit Stefan Löhle von der Universität Stuttgart über die Experimente.

Welt der Physik: Was passiert beim Eintreten von Gestein in die Erdatmosphäre?

Stefan Löhle: Ab einer Höhe von etwa 120 Kilometern bremst die Atmosphäre eintretendes kosmisches Gestein – also Meteoroide – signifikant. Je schneller sich ein Meteoroid bewegt, desto schneller wird die Luft zusammengedrückt. Ähnliches passiert mit einem Kissen, wenn man seinen Kopf hineinsinken lässt. Je schneller man den Kopf fallen lässt, desto stärker wird das Kissen zusammengedrückt. Durch einen Meteoroid kann sich die Luft bis zu 500-mal stärker verdichten als normal – man spricht von einem Verdichtungsstoß. Zum Vergleich: Die Lunge schafft, wenn man beispielsweise in ein Röhrchen bläst, nur das 1,3-fache.

Auf der Fotografie ist Stefan Löhle von der Universität Stuttgart zu sehen. Er leitet am Institut für Raumfahrtsysteme die Arbeitsgruppe Diagnostik hochenergetischer Strömungen.
Stefan Löhle von der Universität Stuttgart

Was passiert dadurch mit dem Gestein?

Die Luft wird vor dem Körper zusammengepresst, die Bewegungsenergie des Meteoroid wandelt sich in thermische Energie der Luft um. Dadurch erhitzt sich die Luft auf Temperaturen von bis zu 10 000 Grad Celsius. Je nach Größe des Gesteins ist der Abstand zur Verdichtungsstoßwelle vor dem Körper verschieden, liegt aber im Bereich von wenigen Zentimetern. Dadurch kann das heiße Gas die Oberfläche des Gesteins wie ein Fön aufheizen. Infolgedessen verglüht der Meteoroid – er schmilzt und verdampft. Treffen Überreste von nicht vollständig verglühtem Gestein auf die Erde, spricht man von einem Meteoriten. Meteoriten, die man auf der Erde findet, erkennt man meist an einer Schmelzkruste ähnlich wie bei Lavasteinen.

Wovon hängt es ab, ob ein Meteoroid vollständig verglüht oder auf die Erde trifft?

Je größer der Meteoroid, desto wahrscheinlicher ist es, dass er nicht vollständig in der Atmosphäre verglüht. Andere wichtige Komponenten sind seine Geschwindigkeit und der Winkel, in dem er auf die Atmosphäre trifft. Abhängig vom Gestein gibt es Meteoroiden, die intakt bleiben – es verdampft nur die äußere Schicht und der Rest trifft auf die Erde. Andere Gesteine platzen dagegen in einer gewissen Höhe aufgrund des thermischen Schocks, sodass nur kleinere Bruchstücke auf die Erde fallen. Wie zum Beispiel ein 2008 beobachteter Meteoroid, dessen Überreste in Almahata Sitta im Sudan gefunden wurden.

Wie werden solche Meteoroiden beim Eintritt in die Atmosphäre beobachtet?

Es gibt verschiedene große Netzwerke, wie etwa das Fireball Recovery and InterPlanetary Observation Network oder kurz FRIPON in Frankreich. Über ganz Frankreich sind Kameras verteilt, die permanent auf den Himmel gerichtet sind. Wenn nun ein Meteoriteneintritt stattfindet, wird dieser auf verschiedenen Kameras festgehalten. Damit kann die Flugbahn des Meteoriten rekonstruiert werden – und es lassen sich Aussagen über das Gestein und die Herkunft treffen. Zudem gibt es eine große Zahl an Amateurastronomen, die per Zufall größere Objekte beim Eintritt messen. Allerdings können die meisten Meteoroide, die in die Atmosphäre eintreten, nicht beobachtet werden, da sie zu klein und schnell sind.

Und darum untersuchen Sie das Verglühen von Gestein im Labor?

Ja, dem Ganzen liegt folgende Frage zugrunde: Was passiert eigentlich, wenn ein ganz großer Meteoroid auf die Atmosphäre trifft, und was können wir dagegen tun? Man nimmt mit hoher Wahrscheinlichkeit an, dass die Dinosaurier durch einen Meteoriteneinschlag in Yukatan in Mittelamerika ausgestorben sind. Über Jahre war es dunkel, dadurch haben die Pflanzenfresser nicht überleben können. Ein anderes Beispiel ist der Meteorit, der 2013 bei Tscheljabinsk in Russland beobachtet wurde: Bei dessen Auseinanderbrechen sind teilweise Fenster, durch die Druckwelle, zersprungen. Daher wollen Forscher besser verstehen, was genau passiert, wenn Meteoroide in die Atmosphäre eintreten und wie man das Gestein voneinander unterscheiden kann.

In der Fotografie ist eine Argillit-Probe zu sehen, die sehr hell schmilzt und verdampft. Es kommt zu einer Tröpfchenbildung.
Argillit im Windkanal

Wie lässt sich der Eintritt im Labor nachstellen?

In einem großen Vakuumkessel blasen wir sehr heiße Luft – etwa 10 000 Grad Celsius heiß – auf eine Gesteinsprobe. Das System, das diese heiße Strömung erzeugt, ist so etwas wie ein Schweißapparat. Im Windkanal, in dem die Probe positioniert ist, wird so ein Gesteinsabbrand erzeugt, wie man ihn in der Atmosphäre für Meteoroide mit Eintrittsgeschwindigkeiten von etwa zehn Kilometern pro Sekunde vermutet. Damit bilden wir quasi Sternschnuppen gezielt und nur einen Meter von uns entfernt nach.

Wie untersuchen und beobachten Sie die Proben?

Es dauert etwa vier Sekunden, bis die Gesteinsproben vollständig abgebrannt sind. In dieser Zeit messen wir mehrere Dinge gleichzeitig: Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera nehmen wir Videos der Gesteinsabbrände im Windkanal auf. Mit einem Fotoapparat machen wir Aufnahmen mit ganz kurzen Belichtungszeiten. Die Temperatur der Proben nehmen wir mit einer Wärmebildkamera – einer Infrarotkamera – auf. Außerdem nehmen wir Lichtspektren mit einem sogenannten Echelle-Spektrometer auf. Mithilfe des Spektrums können die chemischen Elemente der Probe identifiziert werden.

Welche Gesteine haben Sie untersucht?

Wir haben Chondrit untersucht – echtes meteoritisches Gestein, das auf der Erde gefunden wurde. Außerdem haben wir Argillit, was fast vollständig aus Tonpartikeln besteht, und Basalt – ein vulkanisches Gestein – untersucht. Diese Gesteine sind im Rohzustand schon sehr verschieden und auch in den Experimenten unterscheidet sich ihr Verhalten stark. Argillit ist sehr fragil und bildet Tröpfchen, die quasi herunterregnen. Im Vergleich dazu ist Chondrit viel härter und verhält sich mehr wie Lava.

Wofür können Ihre Messergebnisse genutzt werden?

Die aufgenommen Lichtspektren der verschiedenen Gesteine unterscheiden sich deutlich. Damit hat jedes Gestein seine eigene Signatur. Es ist nun möglich, unbekannte Meteoroide – deren Spektren gemessen wurden – mit unseren Spektren bekannter Gesteine zu vergleichen. Damit können Rückschlüsse auf die Zusammensetzung von unbekannten Meteoroiden gezogen werden.

Was möchten Sie in Zukunft untersuchen?

Wir möchten weitere Spektren von anderen Gesteinsproben aufnehmen. Außerdem gibt es die Idee eines gemeinsamen Projekts mit Forschern, die meteoritisches Gestein auf chemischer Basis untersuchen. Wir könnten einen Atmosphäreneintritt ausgewählter Gesteinsproben simulieren, die dann wiederum chemisch untersucht werden. Damit könnte man der Frage nach dem Ursprung des Lebens auf unserem Planeten nachgehen. Woher kommen die organischen Moleküle und wie können sie einen Meteoriteneinschlag überstehen?

Argillit im Windkanal Argillit im Windkanal
Argillit im Windkanal