Zwergplaneten und Kleinkörper
Nach einer Definition der Internationalen Astronomischen Union (IAU) vom 24. August 2006 werden unter dem Begriff „Kleinkörper“ des Sonnensystems Kleinplaneten (Asteroiden bzw. Planetoiden), Kometen und Meteoroiden zusammengefasst, welche sich auf einer Umlaufbahn um die Sonne bewegen. Ebenfalls eingeführt wurde eine neue Klasse von astronomischen Objekten, die sogenannten Zwergplaneten, welche sich wie die großen Planeten ebenfalls um die Sonne bewegen. Zwergplaneten haben eine ausreichend große Masse, um aufgrund ihrer Eigengravitation weitgehend im hydrostatischen Gleichgewicht zu sein und damit eine Kugelgestalt zu haben. Das unterscheidet sie von den unförmig gestalteten Kleinplaneten, welche auch als Asteroiden oder Planetoiden bezeichnet werden. Im Gegensatz zu den großen Planeten haben Zwergplaneten ihre Umlaufbahn jedoch nicht von Kleinkörpern bereinigt. Das ist das Unterscheidungsmerkmal zwischen einem Planeten und einem Zwergplaneten. Die Definition ist umstritten, da auch die großen Planeten ihre Umlaufbahnen nicht vollständig von Kleinkörpern bereinigt haben. Allerdings können die Massen der Kleinkörper gegenüber einer Planetenmasse vernachlässigt werden, nicht jedoch gegenüber der Masse eines Zwergplaneten. Die Umlaufbahnen von Kleinkörpern und Zwergplaneten um die Sonne unterscheidet diese von den Monden bzw. Trabanten, welche ein anderes astronomisches Objekt, etwa einen Planeten umlaufen.
Die Kleinplaneten kleiner als die Zwergplaneten jedoch größer als die Meteoroiden. Eine scharfe Abgrenzung gibt es jedoch nicht. Etwa 75 Prozent aller Kleinplaneten befinden sich in einem Gürtel, welcher zwischen Mars und Jupiter lokalisiert ist. Der innere Rand dieses Gürtels ist etwa 2,2 AE, sein äußerer Rand etwa 3,3 AE von der Sonne entfernt. Zum Vergleich: Die mittleren Entfernungen von Mars und Jupiter betragen 1,52 und 5,20 AE. Die Umlaufzeiten der Kleinplaneten im Gürtel um die Sonne liegen zwischen 3,3 und 6 Jahren. Ein Objekt in diesem Gürtel ist jedoch ein Zwergplanet: Ceres. Er hat einen Äquatordurchmesser von 963 km und eine kugelförmige Gestalt. Es gibt Kleinplaneten, welche außerhalb des Gürtels ihre Bahnen ziehen und stark unterschiedliche Umlaufbahnen haben. Jedoch bewegen sich alle Kleinplaneten um die Sonne.
Meteoroiden sind Kleinplaneten, welche die Grenzgröße von einem Meter unterschreiten. Es wird zwischen planetaren Meteoroiden, Meteoroiden mit Parabelbahnen und kometarischen Meteoriden unterschieden. Erstere sind Fragmente aus dem Planetoidengürtel, die mit den Parabelbahnen sind noch unbekannter Herkunft und letztere sind Staubteilchen von Kometen bzw. sich auflösenden Kometen, welche sich auf der Bahn des Kometen bzw. des sich auflösenden Kometen verteilen und dort lokalisiert sind. Wenn die Erde dann eine solche Bahn kreuzt, kommt es zu sogenannten Meteoren, Leuchterscheinungen, welche auch als Sternschnuppen bezeichnet werden. Größere Teilchen erzeugen Feuerkugeln, sogenannte Boliden. Die auf der Erde gefundenen Meteoriten besteht hauptsächlich aus Gestein (etwa 94 Prozent) oder Eisen (etwa 5 Prozent). Doch kommen auch Eisen-Stein-Meteorite oder sogenannte Glas-Meteorite aus Siliziumdioxid (SiO2), sogenannte Tektite vor. Noch kleinere Teilchen (d < 10 µm, m < 10-8 kg) werden als interplanetarer Staub bezeichnet, wobei der Übergang zwischen Meteoroiden und interplanetarer Staub fließend ist.
Begrifflich wird im deutschsprachigen Raum wie folgt unterschieden:
- Meteore: Lichterscheinungen bzw. Leuchterscheinungen am Himmel. Kleine Meteore werden hierbei als Sternschnuppen bezeichnet und größere erscheinen uns als Feuerkugeln, sie werden als Boliden bezeichnet.
- Meteoroid: Materie, welche die Sonne umkreist und in der Größenordnung etwa zwischen den Kleinplaneten und dem interplanetaren Staub liegt. Im Übergangsbereich zur interplanetaren Materie wird von Mikrometeoroiden gesprochen.
- Meteorit: Ein Meteoroid, welcher die Erdoberfläche erreicht hat.
Die Kometen bestehen aus einem Kern, der von einer Koma (Atmosphäre des Kometen) umgeben ist, sowie einem Ionen- und Staubschweif. Für den Kern des Kometen wurde bereits im Jahre 1950 von Fred Whipple der Begriff „Schmutziger Schneeball“ geprägt. Er besteht hauptsächlich aus Wassereis, Trockeneis (gefrorenes Kohlenstoffdioxid), Ammoniak, Methan sowie Beimengungen von Mineral- und Staubteilchen. Bei der Annäherung an die Sonne verflüchtigen sich Wasserdampf und andere leicht flüchtige Stoffe, wie Kohlenstoffdioxid (CO2), aus dem Kern, bilden sowohl die Koma als auch den Kometenschweif. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Teilchen des Kometenschweifes und des sogenannten Sonnenwindes (Teilchenstrahlung von der Sonne) ist der Schweif von der Sonne weggerichtet. Die Kerne von Kometen haben Durchmesser von etwa 1 bis 50 km, die Koma schon eine Ausdehnung im Bereich von 100.000 km. Der Kometenschweif kann Längen von mehreren Millionen bis mehreren Hundertmillionen km erreichen. Die Staubteilchen im Schweif bewegen sich in Kernnähe mit höherer Geschwindigkeit als in Kernferne. Dies führt zu einer wahrnehmbaren Krümmung des Schweifs. Es wird zwischen kurzperiodischen Kometen mit Umlaufzeiten von bis zu 200 Jahren und langperiodischen Kometen mit größeren Umlaufzeiten unterschieden. Kurzperiodische Kometen sind in der Ebene des Sonnensystems lokalisiert und haben ihren Ursprung im sogenannten Kuipergürtel hinter der Neptunbahn in etwa 30 bis 50 AE Entfernung von der Sonne (1 AE = 1 Astronomische Einheit = Mittlere Entfernung Erde – Sonne = 149.597.870,7 km). Die langperiodischen Kometen haben keine Lokalisierung in bestimmten Ebenen und stammen aus der Oort`schen Wolke, welche die Sonne kugelsymmetrisch in einem Entfernungsbereich von 30.000 bis 100.000 AE umgibt. Damit reicht diese Wolke bis in eine Entfernung von etwa 1,3 Lichtjahren Entfernung von der Sonne. In einem Entfernungsbereich von 50.000 AE von der Sonne erreicht die Wolke ihre größte Dichte an Objekten. Sowohl die Objekte des Kuipergürtels als auch der Oort`schen Wolken sind Überbleibsel aus der Entstehungszeit des Sonnensystems.
Ein Impakt (Einschlag) bezeichnet die Kollision zweier Himmelsobjekte mit großer Geschwindigkeit. Der Plural lautet Impakte (Einschläge). Auf den großen Planeten des Sonnenssystems kam und kommt es immer wieder zu Impakten von Kleinkörpern, auch auf der Erde. In der Anfangszeit des Sonnensystems war die Häufigkeit von Impakten sehr groß. Die inneren Planeten waren stärker betroffen als die äußeren Planeten. Vor 3,8 Milliarden Jahren nahm die Häufigkeit der Impakte dann signifikant ab. Auf dem Mond oder dem Planeten Merkur sind aufgrund des Fehlens einer dichten Atmosphäre die Impaktkrater aus der Anfangszeit des Sonnensystems noch vorhanden. Auf der Erde mit ihrer dichten Atmosphäre sind Krater aufgrund von Erosion durch Eis, Wasser und Wind weitgehend verschwunden. Nur besonders große Krater, welche nicht älter als 500 Millionen Jahre sind, lassen sich auf der Erde noch nachweisen. Aus der Kraterstatistik lässt sich die Häufigkeit von Impakten in Abhängigkeit von der Größe des Impaktkörpers abschätzen. So sind Impakte von einem 1 km großen Körper 100-mal häufiger als welche von einem 10 km großen Impaktkörper. Statistisch betrachtet wird die Erde etwa alle 100 Millionen Jahre von einem Körper mit einer Größe von 10 km und mehr getroffen. Ein 1 km großer Impaktkörper schlägt statistisch betrachtet etwa einmal in einer Million Jahre auf der Erde ein. Ganz allgemein gilt: Je kleiner der Impaktkörper ist, desto häufiger sind statistisch betrachtet die Impakte.
Kleinkörper treten mit Geschwindigkeit zwischen 12 und 72 km/s in die Erdatmosphäre ein. Das sind zwischen rund 36.000 und 252.000 km/h. Dabei wird rund 99 Prozent der kinetischen Energie in thermische Energie umgewandelt. Bereits mehrere Zentimeter große Kleinkörper, welche als Feuerkugel (Bolide) am Himmel erscheinen, erhitzen sich dabei nicht gleichmäßig. Die Oberfläche erhitzt sich stark, während das innere des Kleinkörpers relativ kühl bleibt. Das führt zu Spannungen im Kleinkörper, der während seines Falles durch die Atmosphäre starken mechanischen Kräften ausgesetzt ist. Infolge kann die Oberfläche des Kleinkörpers abgesprengt werden oder der Kleinkörper zerplatzen. Die Bruchstücke können in unterschiedlichen Richtungen davon fliegen und eine zur Luft relativ kleine Geschwindigkeit bekommen. Das bedeutet weniger kinetische bzw. thermische Energie, sie verglühen nicht und erreichen die Erdoberfläche. Ab welchem Durchmesser Kleinkörper die Erdoberfläche erreichen dürften neben ihrer Größe vor allem von ihrer Zusammensetzung, ihrem Einfallwinkel und ihrer Geschwindigkeit relativ zur Erde abhängen. Doch dürften Kleinkörper mit Größen im Dezimeterbereich bereits mit hoher Wahrscheinlichkeit die Erdoberfläche erreichen. Kleinkörper mit Massen von mehr als 10 Tonnen erzeugen bei einem Impakt Krater auf der Erdoberfläche, wenn sie nicht ins Meer stürzen.
Die Größe des Impaktkrater ist von der Größe des einschlagendes Körpers (Impaktors) abhängig. Nach einer Faustformel ist der Impaktkrater etwa 20- bis 40-mal größer als der Durchmesser des einschlagenden Körpers. Allerdings kann auch die kinetische Energie (Ekin) des Impaktors herangezogen werden, welche beim Einschlag frei wird. Diese hängt alleine von der Masse m und der geozentrischen Geschwindigkeit v des Impaktors ab:
Ekin = ½ mv²
Daraus ergibt sich für den Durchmesser D eines möglichen Kraters folgende von E.M. Schoemaker und anderen im Jahre 1979 aufgestellte empirische Formel:
D = D0∙(E/E0)0,294
Dabei sind D0 = 15 km und E0 = 1020 J Referenzwerte. Zum Beispiel ergibt sich aus Formel (1) für einen Meteoriten mit einem Radius (r) von einem Kilometer und einer Dichte (ρ) von 3.000 kg/m³, bei einer Fallgeschwindigkeit von 20 km/s, eine kinetische Energie von E = 25,10∙1020 J., wobei für die Berechnung der benötigten Masse angenähert gilt: m = ρV = ⅓r³. Diesen Wert in Formel (2) eingesetzt, ergibt einen Kraterdurchmesser von 39 km.