Der numerischen Modellierung von Einschlagprozessen, sogenannten Impaktereignissen, kommt innerhalb der MEMIN-Forschergruppe eine zentrale Bedeutung zu. Die Simulationen von Einschlägen erlaubt Einblicke in hochdynamische Prozesse, die im Experiment nur mit großem technischen Aufwand zum Teil aufgezeichnet und gemessen werden können. Bei der Untersuchung von natürlichen Einschlagkratern auf der Erde und den Planeten sind Computermodelle die einzige Möglichkeit den Bildungsprozess zu rekonstruieren. Ziel des Teilprojektes ist es, die vorhandene Simulationssoftware zu verbessern, durch die Implementierung von realistischeren und präziseren Materialmodellen, die das Verhalten von Gestein unter hohen Drücken, Temperaturen und Deformationsraten beschreiben. Mit den in Laborexperimenten gewonnen Daten werden die Modelle weiterentwickelt und Ergebnisse zu Katergrößen, Ejektaverteilungen, Bruchbildung und Schädigung des Gesteins validiert und kalibriert. Es wird zwischen sogenannten (1) „Mesoskaligen“ und (2) „Makroskaligen“ Modellen unterschieden:
- In mesoskaligen Modellen wird die Struktur des Gesteins, also einzelne Poren und Körner der Matrix, aufgelöst. Es kann sehr detailliert untersucht werden, wie diese Struktur durch die Stoßwelle verändert wird, wie beispielsweise Poren geschlossen werden und welche Konsequenzen sich daraus für die Druckverteilung ergeben.
- In makroskaligen Modellen wird die gesamte Kraterbildung simuliert. Dabei kommen Erkenntnisse über das Materialverhalten zum Tragen, die aus den mesoskaligen Modellen gewonnen wurden. Die Modelle können hinsichtlich Kratergröße, Ejektaverteilung und Ausdehnung der Schädigungszone direkt mit den Experimenten verglichen werden. Darüber hinaus können auch seismische Signale und die Ausbreitung der Stoßwelle aufgezeichnet werden und experimentellen seismischen Daten gegenübergestellt werden, die mit Hilfe von Sensoren zur Messung der akustischen Signale und der Stoßwellen gewonnen wurden.
Durch die Zusammenführung von meso- und makroskaligen Modellen und die Kalibrierung von Materialmodellen anhand der Experimente ist es möglich, die Entstehung natürliche Krater, die einige 100 Meter aber auch über 1000 Kilometer groß sein können, zu simulieren und den gesamten Bildungsprozess zu rekonstruieren.
Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Laufzeit: 08/2013 – 10/2016
Projektwebseite: http://www.memin.de/
Publikationen:
- Kowitz A. , Güldemeister N., Schmitt R. T., Reimold W. U., Wünnemann K. 2016. Revision and recalibration of existing shock classifications for quartzose rocks using low-shock pressure (2.5-20 GPa) recovery experiments and meso-scale numerical modeling. Meteoritics & Planetary Science 51(10), 1741-1761.
- Wünnemann K., Zhu Meng-Hua, Stöffler D. 2015, Impacts into Quartz Sand: Crater Formation, Shock Metamorphism, and Ejecta Distribution in Laboratory Experiments and Numerical Models, Meteoritics & Planetary Science.
- Güldemeister N., Wünnemann K. and Poelchau M. H. 2015. Scaling impact crater dimensions in cohesive rock by numerical modeling and laboratory experiments. Geological Society of America Special Papers 518: SPE518-02.
- Moser D., Güldemeister N., Wünnemann K., Grosse C. 2013. Acoustic Emission Analysis of Experimental Impact Processes in Comparison to Ultrasound Measurements and Numerical Modeling. Journal of Acoustic Emission(JAE). Online Volumes 31, 50-66.
- Kowitz A., Güldemeister N., Reimold W. U., Schmitt R. T., Wünnemann K. 2013. Diaplectic quartz glass and SiO2 melt experimentally generated at only 5 GPa shock pressure in porous sandstone: Laboratory observations and meso-scale numerical modeling. Earth and Planetary Science Letters 384:17-26, http://dx.doi.org/10.1016/j.epsl.2013.09.021.
- Güldemeister N., Durr N., Wünnemann K., Hiermaier S. 2013. Propagation of impact-induced shock waves in porous sandstone using mesoscale modeling. Meteoritics & Planetary Science 48: 115-133.
- Durr N., Sauer M., Hiermaier S., Güldemeister N., Wünnemann K. 2013. Mesoscale investigation of shock wave effects in dry and water-saturated sandstone. Proceedings of the 12th Hypervelocity Impact Symposium, Procedia Engineering 58: 289–298.
- Buhl E., Kowitz A., Elbeshausen D., Sommer F., Dresen G., Poelchau M. H., Reimold W. U., Schmitt R. T., Kenkmann T. 2013. Particle size distribution and strain rate attenuation in hyper-velocity impact and shock recovery experiments. Journal of Structural Geology, Volume 56, November 2013, Pages 20-33, ISSN 0191-8141, http://dx.doi.org/10.1016/j.jsg.2013.08.007.
- Wünnemann K., Nowka D., Collins G.S., Elbeshausen D., Bierhaus M. 2011. Scaling of impact crater formation on planetary surfaces – insights from numerical modeling. Proceedings of the 11th Hypervelocity Impact Symposium, Fraunhofer Verlag 120: 1-16.
- Kenkmann T., Kowitz A., Wünnemann K., Behner T., Schäfer F., Thoma K., Deutsch A. 2011. Experimental impact cratering in sandstone: the effect of pore fluids. Proceedings of 11th Hypervelocity Impact Symposium, Fraunhofer Verlag 97: 64-74.
- Kenkmann T., Wünnemann K., Deutsch A., Poelchau M. H., Schäfer F, Thoma K. 2011. Impact cratering in sandstone: The MEMIN pilot study on the effect of pore water. Meteoritics & Planetary Science 46: 890–902.