Hochgeschwindigkeitseinschläge von Asteroiden, Kometen und Meteoriten

Niem, Detlef de

In dieser Arbeit werden physikalische Prozesse von Hoch-Geschwindigkeitseinschlägen auf planetaren Körpern studiert. Zuerst wird innerhalb einer semi-analytischen Näherung für die Hydrodynamik ein kinetisches Modell der Größenverteilung von Kondensaten untersucht, unter Verwendung der homogenen Keimbildungstheorie. Als Lösung der kinetischen Gleichungen wird eine multi-modale Größenverteilung erhalten, welche bis zu drei Maxima bei verschiedenen Größen von Zentimetern bis zu Nanoskalen besitzt. Danach wird die Zustandsgleichung der Gasphase zu einem sehr allgemeinen chemischen Gleichgewicht mit 209 Sorten erweitert; das Kondensat ist eine ideale Lösung. Die Hydrodynamik wird numerisch in sphärischer Symmetrie behandelt. Vorläufige Ergebnisse, mit einer Gesamthäufigkeit entsprechend einem primitiven Chondriten als verdampftem Impaktor erhalten, zeigen eine metallreiche Zusammensetzung des Kondensats bei Temperaturen zwischen 3000 und 4000 K. Danach wird ein Volume-of-fluid Multi-Material Hydrodynamik-Algorithmus entwickelt. Eine Godunov-Methode, basierend auf dem HLLC-Löser wird getestet, erweist sich jedoch als zu wenig robust bei allgemeiner Zustandsgleichung. Anschließend wird eine traditionelle Methode weiterentwickelt, welche künstliche Viskosität benutzt. Neue Aspekte im Vergleich mit existierenden Algorithmen sind dabei ein ökonomischer, geometrisch exakter und "overshoot"-freier stückweise linearer Advektions-Algorithmus, kombiniert mit einer Material-Ordnungsstrategie. Weiterhin wird eine kompatible Diskretisierung für den Impuls in Zylinderkoordinaten abgeleitet. Damit werden Einschläge von Asteroiden in die feste Erdkruste und in den Ozean studiert. Beide Beispiele enthalten Gravitationskräfte und eine hydrostatische Gleichgewichts-Konfiguration als Anfangszustand. Schließlich wird mit Hilfe der Godunov-Methode der Einschlag eines Projektils mit 10 km/s auf einer Kometenoberfläche, als Eis beschrieben, simuliert, was dem Szenario der „Deep Impact“ Mission ähnelt.

In this work, physical processes during hypervelocity impact on planetary bodies are studied. First, within a semi-analytical approximation for hydrodynamics, a kinetic model for the size distribution of impact condensates is investigated, applying homogeneous nucleation theory. The solution of the kinetic equations results in a multi-modal size distribution, with maxima occurring at up to three different scales spanning a range from centimetres to nanoscale. Subsequently, the gas phase EOS is generalized to a chemical equilibrium of 209 species, the condensate is an ideal solution. Hydrodynamics is treated numerically in spherically symmetric approximation. Preliminary results obtained with the overall composition as a primitive chondrite for the evaporated impactor yield a metal-rich condensate in between 4000 and 3000 K. Next, a volume-of-fluid (VOF) multi-material hydrodynamic algorithm is developed. A Godunov method based on the HLLC Riemann solver is tested, but found to be less robust in the case of complicated EOS. Subsequently, a more traditional method, using artificial viscosity, is developed further. Novel aspects are an economic, geometrically exact and overshoot-free piecewise linear advection algorithm combined with a material ordering strategy and a compatible discretisation for momentum in cylindrical coordinates. Using this method, asteroid impact into the solid crust of the Earth and into the ocean is studied. Both these examples include gravity and use a hydrostatic equilibrium configuration as initial state. Finally, with the Godunov method, the impact of a projectile at 10 km/s on to a comet surface taken as water ice is simulated, resembling the scenario of the “Deep impact” mission.

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Niem, Detlef de: Hochgeschwindigkeitseinschläge von Asteroiden, Kometen und Meteoriten. 2005.

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