Je leest:

‘Jets’ en erupties van vaste deeltjes bepalen vorm van kraters

‘Jets’ en erupties van vaste deeltjes bepalen vorm van kraters

Alle planeten, manen en andere hemellichamen met een vast oppervlak in ons zonnestelsel zijn getekend door kraters. Nog nooit heeft iemand zo’n krater zien ontstaan. Onderzoekers van de Universiteit Twente en de Stichting FOM hebben een experiment ontwikkeld waarin ze precies kunnen volgen wat er tijdens een inslag gebeurt. De onderzoekers publiceren hun resultaten binnenkort in het vakblad Physical Review Letters.

Kraters komen op manen en planeten in de meest uiteenlopende maten en vormen voor. Heel kenmerkend, zeker voor grote kraters, is een verzameling heuvels in het midden van de krater (de zogeheten centrale piek) en een patroon van uitgeworpen materiaal rondom de krater (zie figuur 1).

In het laboratorium hebben wetenschappers al eerder proeven gedaan om het ontstaan van kraters te simuleren. Daarbij schoot men deeltjes met grote snelheid op een ondergrond van vast materiaal of liet men kogeltjes op een dikke laag glasbolletjes vallen. De onderzoekers in Twente hebben nu een opstelling gemaakt waarin ze kogeltjes en cilinders laten vallen op een speciaal geprepareerd bed van zeer fijn, los zand. Dit levert mooiere resultaten op dan eerdere methodes.

Figuur 1. Op deze foto van de maan zijn inslagkraters met een centrale piek, een verzameling heuvels in het midden van de krater, en het patroon van het uitgeworpen materiaal rondom de krater goed te zien. De opvallende krater onder in de foto is de krater Tycho. Bron: Steve Mandel, Hidden Valley Observatory Klik op de afbeelding voor een grotere versie

Laboratoriumopstelling

De zandlaag is gewoonlijk tussen 25 en 40 centimeter dik en ligt op een bodemplaat met zeer kleine openingen. Door de openingen wordt lucht omhoog geblazen, zodat de zandkorrels (die gemiddeld rond 0,04 millimeter in doorsnede zijn) elkaar nauwelijks raken.

Vlak voor een experiment sluiten de onderzoekers de luchtaanvoer langzaam af, zodat de korrels heel licht tegen elkaar aan komen te liggen. Hiermee is het krachtennetwerk tussen de deeltjes heel gelijkmatig verdeeld en broos.

Vervolgens laten de onderzoekers van hoogtes tot 1,5 meter een stalen kogeltje met een doorsnede van 2,50 centimeter op de zandlaag vallen. Ze filmen het experiment met een camera die duizend beeldjes per seconde opneemt. De waarnemingen zijn te zien in figuur 2.

Figuur 2. Op deze foto’s is te zien wat er gebeurt als de onderzoekers van hoogtes tot 1,5 meter een stalen kogeltje met een doorsnede van 2,50 centimeter op een zandlaag laten vallen. Na de inslag wordt een kroon van zandkorrels uitgeworpen. Terwijl de korrels in de kroon onder invloed van de zwaartekracht omlaag beginnen te vallen, schiet er op de plek van de inslag een straal zand, een zogeheten jet, omhoog. De zandjet verbrokkelt en valt terug. Tegen de tijd dat zich een hoopje zand begint te vormen, barst de ondergrond in een zogeheten granulaire eruptie uiteen.

Inslag stap voor stap

In eerste instantie verdwijnt het kogeltje in het zand, terwijl er een kroon van zandkorrels wordt uitgeworpen. De vorm van de kroon is onregelmatig, als gevolg van onelastische botsingen tussen de zandkorrels. Terwijl de korrels in de kroon onder invloed van de zwaartekracht omlaag beginnen te vallen, schiet er op de plek van de inslag een straal zand, een zogeheten jet, omhoog. In alle experimenten van de Twentse onderzoekers kwam die jet hoger dan de hoogte vanwaar ze het kogeltje lieten vallen. In de opstijgende jet zorgen botsingen tussen de zandkorrels voor dichtheidsverschillen. De jet wordt korrelig van structuur, net zoals een waterjet na inslag van een bolletje of een schijfje in water uiteenvalt in druppels (dat heeft overigens te maken met een ander effect, oppervlaktespanning van het water). De verbrokkelde zandjet begint door de zwaartekracht terug te vallen en tegen de tijd dat zich een hoopje zand begint te vormen, barst de ondergrond in een zogeheten granulaire eruptie uiteen.

Uit deze waarnemingen valt niet direct te zien hoe de jet en later de granulaire eruptie ontstaan. Daartoe hebben de onderzoekers numerieke simulaties gedaan, hun waarnemingen vergeleken met wat er bij dit soort experimenten in water gebeurt (waar men in Twente ook aan werkt) en een andere opstelling gebouwd. In die opstelling laten ze tussen twee evenwijdige doorzichtige platen een cilindertje op het geprepareerde zand vallen. Dat bootst in twee dimensies betrouwbaar de inslag van de kogel in de eerste reeks experimenten na.

Na de inslag komt een eruptie

De numerieke simulaties en de experimenten met het cilindertje wijzen in dezelfde richting: achter de inslaande kogel vormt zich in het zand een holte (figuur 3).

Zodra de kogel een bepaalde diepte gepasseerd is, zal de holte zich op dit punt gaan sluiten onder invloed van de ‘hydrostatische’ druk in het zand die met de diepte steeds groter wordt. Er ontstaat hierdoor een competitie: hoe dieper je kijkt, hoe langer het duurt voordat de kogel daar aankomt, maar hoe groter vervolgens de snelheid is waarmee de holte in het zand zich sluit. Als gevolg hiervan sluit de holte zich ergens in het midden, waardoor vlak boven het kogeltje lucht wordt ingesloten. De toegestroomde met elkaar botsende zandkorrels vinden een uitweg zowel naar boven als naar beneden.

Zo ontstaan er twee jets: één omhoog, die we zien, en één omlaag, die niet zichtbaar is. Terwijl de jet omhoog terug begint te vallen naar de plaats van de inslag, zit de neerwaartse jet ingesloten in de luchtbel achter het kogeltje. Wanneer de kogel tot stilstand komt, wordt de lucht omhoog gestuwd, met uiteindelijk een eruptie aan het oppervlak tot gevolg. Dat is de granulaire eruptie die later optreedt.

Figuur 3. In deze numerieke simulatie is te zien hoe de jet en later de granulaire eruptie precies ontstaan. Achter het inslaande kogeltje vormt zich in het zand een holte. Bij een bepaalde diepte gaat de holte zich sluiten onder invloed van de ‘hydrostatische’ druk in het zand die met de diepte steeds groter wordt. De toegestroomde met elkaar botsende zandkorrels vinden een uitweg zowel naar boven als naar beneden. Zo ontstaan er twee jets: één omhoog, die we zien, en één omlaag, die niet zichtbaar is. Terwijl de jet omhoog terug begint te vallen naar de plaats van de inslag, zit de neerwaartse jet ingesloten in de luchtbel achter het kogeltje. Wanneer de kogel tot stilstand komt, wordt de lucht omhoog gestuwd, met uiteindelijk een granulaire eruptie aan het oppervlak tot gevolg.

Kleine en grote inslagen vergelijkbaar

Is deze reeks aan gebeurtenissen nu afhankelijk van de schaal waarop die plaatsvindt? De onderzoekers komen na een analyse van schaaleffecten tot de conclusie dat de relatief langzame inslagen van kleine objecten in het laboratorium en de zeer snelle inslagen van grote objecten op planetaire schaal wel eens zeer vergelijkbaar zouden kunnen verlopen.

Denkend aan echte inslagen op hemellichamen komt de vraag op wat er gebeurt als een brok steen onder een bepaalde hoek met het oppervlak inslaat (zie foto 4). Dat is immers veel waarschijnlijker dan een inslag recht omlaag, zoals tijdens de experimenten. De onderzoekers hebben daarom onder verder geheel gelijke experimentele omstandigheden ook inslagen gedaan onder een hoek van 45 graden. Het meest opmerkelijke is dat het inslaande kogeltje materiaal naar voren uitwerpt, terwijl de jet van zandkorrels achterwaarts gericht is, in de richting van waaruit het kogeltje kwam. Dit komt overeen met modelberekeningen die de onderzoekers gedaan hebben.

Figuur 4. De dubbele krater Messier op de maan (in het midden van de foto) is een typisch voorbeeld van een schuine inslag. Bron: Lunascan/Legault Klik op de afbeelding voor een grotere versie

Betekenis van de experimenten

Wat leert ons dit nu over echte inslagen? De omstandigheden in het laboratorium verschillen nogal van die in het echt, zo waarschuwen de onderzoekers. Door de zandkorrels zo los mogelijk op elkaar te pakken, mag de verhouding tussen de in de bodem opgeslagen energie en de bewegingsenergie van de kogel vergeleken worden met de verhouding van deze twee grootheden op planetaire schaal. De absolute hoeveelheden energie die in de laboratoriumbotsingen omgingen zijn echter vele malen kleiner dan in de praktijk.

Toch, zo zeggen de onderzoekers, kunnen de experimenten de discussies over inslagen verder helpen. Ze noemen een aantal punten. Het lijkt dat vooral de jet na een inslag materiaal ver kan uitwerpen, meer dan de directe uitworp van materiaal door de inslag zelf, zo stellen de onderzoekers. Dit is interessant omdat op aarde bijvoorbeeld stukjes afkomstig van de planeet Mars worden gevonden. Een inslag onder een hoek werpt veel meer materiaal uit dan een loodrechte inslag. De instortende deeltjesjet omhoog kan bijdragen aan de vorming van de centrale piek. Het instorten van de holte en de jet omlaag kunnen de ondergrond van de kraterbodem flink door elkaar gooien, omdat materiaal meegenomen wordt naar grotere diepte.

Dit helpt misschien beter te begrijpen waarom de geologie van kraterbodems en de gesteenten er direct onder zo ingewikkeld is.

Onderzoekers

Detlef Lohse, Raymond Bergmann, René Mikkelsen, Christiaan Zeilstra, Devaraj van der Meer, Michel Versluis, Ko van der Weele, Martin van der Hoef en Hans Kuipers, Faculteit voor Technische Natuurwetenschappen en J.M. Burgerscentrum voor Vloeistofdynamica, Universiteit Twente.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 28 september 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.