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Superzeitlupe Regentropfen schlagen Krater wie Meteoriten

Was geschieht, wenn ein Tropfen auf Sand trifft? Wissenschaftler wollten dies mit Superzeitlupen-Videos beantworten - und sind auf ein verblüffendes Phänomen gestoßen: Regentropfen hinterlassen exakt die gleichen Krater wie Asteroiden.

Es passiert überall in der Welt, viele Millionen Male an jedem Tag: Regentropfen fallen auf weichen Erdboden. Was genau abläuft, wenn Wasser auf Granulat trifft, ist aber weit mehr als ein akademisches Gedankenspiel. "Es ist direkt relevant für viele wichtige natürliche, landwirtschaftliche und industrielle Vorgänge", schreiben Xiang Cheng von der University of Minnesota in Minneapolis und seine Kollegen im US-Fachblatt "Proceedings of the National Academy of Sciences" .

Erosion, Bewässerung, die Verteilung von Mikroorganismen im Boden oder Sprühbeschichtungen seien nur einige Beispiele. Die versteinerten Abdrücke von Regentropfen seien sogar schon zur Bestimmung der Luftdichte auf der Erde vor 2,7 Milliarden Jahren verwendet worden.

Dennoch wisse man bisher nur wenig über die physikalischen Prozesse, die ablaufen, wenn ein Tropfen auf sandigen Untergrund fällt. Um das zu ändern, griffen die Wissenschaftler zu Hochgeschwindigkeitskameras und Lasergeräten, um exakt zu vermessen, wie sich flüssige Geschosse beim Auftreffen auf Granulate verhalten. Am Ende hatten die Forscher nicht nur beeindruckende Videos , sondern auch eine verblüffende Erkenntnis gewonnen: Die Krater von Wassertropfen gleichen denen von Asteroiden - trotz der gigantischen Größen- und Energieunterschiede.

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Spuren im Sand: Was Regentropfen mit Asteroiden gemeinsam haben

Foto: University of Minnesota

Die "bemerkenswerte Ähnlichkeit zwischen Regen und katastrophalen Asteroiden-Einschlägen" habe sie dazu inspiriert, Erkenntnisse aus der Planetenforschung, der Flüssigkeitsmechanik und der Erforschung von Granulaten zu vereinen, erklären Xiang und seine Kollegen. Das Ergebnis sei ein "einfaches theoretisches System, das alle wichtigen Eigenschaften von Tropfenabdrücken in Granulaten beschreibt".

Asteroid eine Trillion Mal energiereicher als Regentropfen

Die physikalischen Prozesse, die beim Auftreffen flüssiger Tropfen auf körniges Material ablaufen, seien enorm kompliziert. Deshalb sei es überraschend, dass das nun entwickelte einfache Modell in der Lage sei, die Formen von Tropfen-Einschlagskratern "über einen weiten Bereich von Einschlagsenergien zu erfassen". Es könne "beträchtlichen Nutzen" haben, wenn es darum gehe, die Folgen von Regen auf körnigen Untergrund vorauszusagen.

Doch das ist nicht alles. Auch Planetenforscher könnten von den neuen Erkenntnissen profitieren. Natürlich, räumen Xiang und seine Kollegen ein, sei Vorsicht geboten, allzu enge Parallelen zwischen Regentropfen und Asteroiden zu ziehen. Die Einschlagsenergie eines kosmischen Brockens liege etwa 18 Größenordnungen über der eines Regentropfens, sei also rund eine Trillion Mal höher. Entsprechend unterschiedlich seien die physikalischen Prozesse: Die Einschlagsenergie eines Asteroiden werde vor allem in Schockwellen und Hitze umgewandelt, während die eines Regentropfens vor allem in die Deformierung der Materialien fließe.

Dennoch zeige die Studie, dass die Rate der Energieumwandlung und das Ergebnis - die Form der Krater - ähnlich sei, egal ob ein Regentropfen oder ein Asteroid auf die Erde fällt. "Das weist darauf hin, dass beide Vorgänge gemeinsame Mechanismen besitzen, die weiter erforscht werden sollten", schreiben die Wissenschaftler. Schon jetzt sei klar, dass die Kraterbildung durch Tropfen eine deutlich bessere Analogie zu Asteroiden-Einschlägen sei als das bereits detailliert erforschte Einschlagsverhalten fester Kugeln.

mbe
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