From large planetary impacts down to the smallest impacts on asteroids, similar processes take place, and understanding them is relevant for numerous further questions. In this thesis, I focus on one of the sub-aspects of crater formation, namely material ejection, as ejecta blankets are typical features of most craters in the solar system. Even though the basic process of ejection is understood, a systematic study on the correlation between ejection characteristics (e.g. ejection speed and angle) and material properties is still missing. Likewise, a systematic study on the behaviour of ejected material in a gaseous medium is lacking. In this thesis, I use a numerical approach to simulate impact processes. The used shock physics code iSALE, to which I added new features, is established in the literature and well described. Specifically, I focus on the strength models and the porosity-compaction model because the following systematic study of material ejection builds upon these models. The porosity-compaction model is applied in a study to quantify the compaction of highly porous snow after being impacted by meteorite fragments. In this end-member scenario, nearly no material is ejected. The strength model that is used for the representation of competent rock is applied to simulate craters in quartzite and marble in order to validate these rheology models, which are highly relevant for simulating excavation flow, against laboratory results. A striking characteristic observed for craters in marble is the smaller crater size compared to the expected crater size based on the uniaxial compressive strength (UCS) of marble. Here, I approximate the dynamic hardening of the marble target with the strength model of competent rock in order to reproduce the observed experimental craters. Based on these material models, I conduct a systematic parameter study on the behaviour of ejected material, which I again validate against laboratory data from experimental craters. Depending on material properties like porosity or the coefficient of friction for a parametrisation of the yield surface as function of pressure, the ejection characteristics are described and applied to derive the ejecta deposit in a vacuum case. In addition, analytical scaling relationships are fitted to the derived model data in order to obtain the corresponding parameters. In a next step, I explore the interaction of ejected material with an atmosphere. Atmospheric effects influence the ballistic range of the ejected material, and these effects are strongly size dependent, such that the range decreases with decreasing dust particle size. Further, relative to the crater size, the range decreases with increasing crater size. For the simulation and description of these correlations, a separate subroutine was written, integrated into iSALE, and applied for a systematic parameter study. The results of this study are presented in this thesis.
Von großen planetaren Einschlägen bis hinunter zu kleinsten Impakten auf Asteroiden laufen ähnliche Prozesse ab, deren Verständnis bedeutsam für zahlreiche darauf aufbauende Fragestellungen ist. In dieser Dissertation liegt der Fokus auf einem Teilaspekt der Kraterbildung – dem Materialauswurf. Kraterauswurfdecken sind typische Merkmale der allermeisten Krater im Sonnensystem. Zwar ist der eigentliche Prozess der zum Auswurf des Materials führt verstanden, aber eine systematische Untersuchung der Abhängigkeit der Auswurfcharakteristika (wie z.B. Geschwindigkeit oder Auswurfwinkel) von Materialeigenschaften ist noch nicht erfolgt. Ebenso fehlt eine systematische Untersuchung des Verhaltens des Auswurfmaterials in einem gasförmigen Medium. In dieser Dissertation greife ich auf numerische Methoden zurück, um Einschlagsprozesse zu simulieren. Das hierfür genutzte und von mir erweiterte Stoßwellensimulationsprogramm iSALE ist in der Fachliteratur etabliert und gut beschrieben. Insbesondere gehe ich auf die vorhandenen Festigkeitsparametrisierungen und das Porositätskompaktionsmodell ein, da sie für die folgenden systematischen Untersuchungen der Auswurfmassen grundlegend sind. Das Porositätskompaktionsmodell wird in einer Studie angewandt, um die Verdichtung von hochporösem Schnee unter Beaufschlagung durch ein Meteoritenfragment zu quantifizieren. In diesem Extremfall wird nahezu kein Material ausgeworfen. Das Festigkeitsmodell zur Beschreibung von Festgestein wird zur Simulation der Kraterbildung in Quarzit und Marmor eingesetzt, um die für die Materialexkavation relevanten Festigkeitsmodelle anhand von Laborvergleichen zu validieren. Eine auffallende Besonderheit des Marmors ist, dass er im Vergleich zu der erwarteten Kratergröße gemäß der einaxialen Druckfestigkeit (UCS) deutlich kleinere Krater aufweist. Der Effekt der dynamischen Verhärtung wird mit dem Festigkeitsmodell angenähert, um die experimentellen Krater nachzustellen. Auf den Materialmodellen aufbauend erfolgt die systematische Untersuchung des Verhaltens der Auswurfmassen, wobei hier erneut Labordaten experimenteller Krater zur Validierung herangezogen werden. Abhängig von verschiedenen Porositäten und Reibungskoeffizienten einer Parametrisierung der Festigkeit als Funktion des Druckes werden die Auswurfcharakteristika beschrieben und genutzt, um materialabhängige Auswurfdecken im Vakuum zu beschreiben. Außerdem werden analytische Skalierungsgesetze angewandt, um die entsprechenden Parameter basierend auf den Modelldaten zu bestimmen. Im folgenden Schritt wird dann die Wechselwirkung von Auswurfmaterial und einer vorhandenen Atmosphäre erläutert. Atmosphärische Effekte beeinflussen die ballistische Reichweite des ausgeworfenen Materials. Diese sind stark größenabhängig und die Reichweite nimmt mit kleiner werdenden Staubkorngrößen ab. In Bezug auf die Kratergröße nimmt die Reichweite ebenfalls ab, wenn die Kratergröße zunimmt. Zur Simulation und Beschreibung dieser Abhängigkeiten wurde ein neues Unterprogramm implementiert, in iSALE integriert und für eine systematische Parameterstudie herangezogen. Die Ergebnisse dieser Studie werden in dieser Arbeit dargestellt. (Deutsch)
