Dreidimensionale numerische Modellierung schräger Meteoriteneinschläge: Strategien und Anwendungen

Abstract

Das Studium von Meteoriteneinschlägen verbessert maßgeblich unser Verständnis der Entwicklungsgeschichte unseres Sonnensystems und seiner Körper sowie der Evolution von Leben. Die bei einem Einschlag freigesetzte Energie ist proportional zur Größe und Geschwindigkeit des einschlagenden Körpers. Wie viel dieser Energie in den Untergrund übertragen wird, hängt vor allem von dem Einschlagwinkel ab. Dieser beeinflusst auch die Menge und Verteilung des ausgeworfenen Materials sowie die Größe und Form des resultierenden Kraters. Eine quantitative Beschreibung dieser Effekte sowie Untersuchungen, ob der Einschlagwinkel auch den Mechanismus der Kraterentstehung beeinflusst, ist bislang noch nicht erfolgt. Dies zu ändern ist die Hauptmotivation dieser Arbeit, zumal in der Natur nahezu jeder Einschlag unter einem schrägen Winkel erfolgt. Das numerische Studium schräger Impaktprozesse bedarf dreidimensionaler (3D) Simulationsrechnungen. Diese stellen hohe Anforderungen an Hardware, Algorithmen und die benötigte Rechenzeit. Umfangreiche Studien zur Quantifizierung der Bedeutung des Einschlagwinkels und des Einflusses der Projektil und Materialeigenschaften existieren daher bislang nicht. Um dies zu ermöglichen, muss in einem ersten Schritt eine numerische Infrastruktur geschaffen werden, die eine Durchführung umfangreicher 3D-Simulationsreihen schräger Meteoriteneinschläge erlaubt. Im zweiten Schritt kann dann die geschaffene Infrastruktur zum Studium der Rolle des Einschlagwinkels Verwendung finden. Bei der Entwicklung des Simulationscodes wurden unterschiedliche Strategien verfolgt. (i) Eine Parallelisierung des Codes zur Verteilung der Rechenlast, (ii) Entwicklung adaptiver Algorithmen, die sich an die vorhandene Hardware- Infrastruktur oder das Rechenszenario automatisch anpassen, (iii) eine leistungsstarke und flexible „in-memory Kompression“ der Datensätze und (iv) Datenstrukturen, die vom Controller des Arbeitsspeichers effizient verarbeitet werden können und so die Rechenoperationen beschleunigen. Die geschaffene Infrastruktur wurde erfolgreich gegen Laborexperimente und andere Simulationscodes validiert. Anhand umfangreicher Studien konnten die komplexen Zusammenhänge zwischen dem Einschlagswinkel, den Materialeigenschaften (hier: Reibungskoeffizient und Kohäsion), der Einschlagenergie und der resultierenden Kratergröße quantifiziert werden. Auch der physikalische Prozess der Kraterentstehung ist intensiv untersucht worden. Dies ermöglicht die Identifizierung von Asymmetrien in Impaktkratern, die Hinweise auf die Einschlagrichtung oder gar den Einschlagwinkel liefern könnten. Diese Studie zeigt auch, wie sich der zugrunde liegende Kraterbildungsmechanismus mit abnehmendem Einschlagwinkel zusehends verändert. So konnte letztlich auch die Bedeutung der verschiedenen Parameter für die Entstehung elliptischer Krater quantifiziert und der Übergang von runden zu elliptischen Kraterstrukturen erstmals intensiv untersucht werden. Es konnte ein physikalisches Modell zur Kraterentstehung abgeleitet werden, das auf beliebige Einschlagwinkel anwendbar ist. Dies führt zu einem besseren Verständnis des Einschlagprozesses und seiner Folgen für die Umwelt und die Entwicklung eines planetaren Körpers.

Studies of meteorite impact improve our knowledge of the history of the Solar System and its bodies, the thermodynamic evolution of planets and the evolution of life. The total energy delivered by meteorite impact scales with size and velocity of the impacting projectile. The distribution of energy into the impacted target depends on the angle of incidence and affects the ejection and distribution of material and the size and shape of the resulting impact structure. However a quantitative description of this effect and the possibility that the impact angle affects the cratering mechanism is poorly constrained so far. Filling this gap of knowledge was the primary motivation for this work, in particular as almost every impact occurs at an oblique angle of incidence. Investigating oblique impacts by numerical studies requires three-dimensional (3D) simulations that pose a high demand on hardware, algorithms and computation time. Hence, extensive parameter studies to quantify the role of the impact angle and the influence of material properties have not been performed so far. Therefore it was required (i) to develop a powerful computational framework capable of processing extensive 3D-parameter studies of oblique impact processes, and (ii) to utilize this infrastructure for investigating the relevance of the impact angle on the cratering process. Different strategies have been pursued during the development of this code: (i) A parallelization of the code to distribute the computational load, (ii) the development of adaptive algorithms, which automatically adapt to the available hardware or the computational scenario, (iii) a both powerful and flexible in-memory compression of the generated data, and (iv) using data types allowing an efficient handling by the memory-controller and, thus, a fast execution of arithmetic operations. The established computational framework is successfully validated against both laboratory experiments and other numerical codes. A comprehensive parameter study allows to quantify the complex interdependencies between impact angle, material strength (here: coefficient of friction and cohesion), and impact energy on the size of the resulting crater. In addition the physical process of crater formation was investigated. This allowed to identify asymmetric structures in impact craters that are diagnostic for the impact angle and potentially help in reconstructing the trajectory of the impactor that formed a meteorite crater. Furthermore, the presented study elucidates how the cratering mechanism changes with increasing obliquity and quantifies the relevance of the different parameters on the transition from circular to elliptic impact craters. Finally, a physical model for crater formation is derived that holds for arbitrary impact angles. This results in a better understanding of impact processes and their consequences on the environment and the evolution of planetary bodies.