Erde in 3D aus Radardaten lässt Meteoriten-Krater erkennen

Gerade einmal 188 Meteoriten-Krater gibt es weltweit – manche mit einem Durchmesser von nur zehn Metern, andere sind mit einem Durchmesser von 160 Kilometern deutlich mächtiger.

Allen gemeinsam ist die Entstehungsgeschichte: Mindestens elf Kilometer pro Sekunde schnell, also mit mehr als 39.000 Kilometern in der Stunde, muss ein Körper aus dem All auf der Erde auftreffen, um einen Einschlagskrater zu hinterlassen. „Und sie alle können sehr unterschiedlich aussehen, sind oftmals verwittert oder auch mit Seen gefüllt“, sagt Manfred Gottwald, Wissenschaftler am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Er hat sie fast alle gesehen – nicht persönlich, sondern mit den Augen der beiden deutschen Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X. Aus deren Daten erstellt das DLR ein dreidimensionales Höhenmodell in einer bisher noch nicht erreichten Genauigkeit. Dazu gehören die Aorounga-Struktur im Tschad genauso dazu wie der Tin Bider-Krater in Algerien, der Shunak-Impakt in Kasachstan oder auch der Rieskrater in Deutschland.

Plastisch im Sonnenlicht

„Zunächst einmal wollen wir lernen, wie die bereits bekannten Meteoritenkrater im 3D-Höhenmodell unserer Radarsatelliten aussehen“, erläutert Manfred Gottwald vom DLR-Institut für Methodik der Fernerkundung. Der Blick aus rund 500 Kilometern Höhe erreicht dabei auch die entlegensten Krater. Die Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X, die seit 2010 im Formationsflug um die Erde kreisen, haben dabei auch den Vorteil, dass sie – im Gegensatz zu optischen Satelliten – unabhängig von Bewölkung oder Beleuchtung die Erdoberfläche aufzeichnen können. Erstmals können die Krater so weltweit in einem einheitlichen, globalen Höhenmodell aufgespürt und verglichen werden. Um die verschiedenen Einschlagskrater besonders plastisch zu zeigen, werden bei der Auswertung der Daten eine künstliche Beleuchtung hinzugefügt, bei der die Wissenschaftler Sonnenhöhe und -winkel festlegen. Schattenwurf und Höhenmodell in Kombination lassen dann die Kraterränder, Verwerfungen und Erosionsphänomene erst richtig deutlich werden.

Die Aufnahmen für das neue Bild der Erde in 3D sind mittlerweile abgeschlossen, so dass die beiden Radarsatelliten zurzeit für die verschiedensten wissenschaftlichen Untersuchungen eingesetzt werden. Diese Projektphase dauert noch bis Ende dieses Jahres und ist vornehmlich für Forschung in den Bereichen Geologie, Hydrologie, Glaziologie, aber auch Agrarwissenschaft, Wald- und Forstwirtschaft und urbane Landnutzung sowie für die Erprobung neuer Radartechniken vorgesehen.

Für das dreidimensionale Höhenmodell mit einer vertikalen Genauigkeit von bis zu zwei Metern verarbeiteten die Wissenschaftler des DLR bisher mehr als 450.000 Einzelszenen. 65 Prozent der Landmasse der Erde sind bereits in 3D berechnet. „Unser Höhenmodell liefert viele Informationen zu den Einschlagskratern, beispielsweise zur exakten Größe oder auch zum Erhaltungsgrad. Auch lassen sich Krater, die im Sichtbaren durch Vegetation maskiert sind, in ihrer gesamten Dimension kartieren.“

Von schönen Klischee-Kratern…

Das Klischee des kosmischen Einschlagskraters liegt im amerikanischen Bundesstaat Arizona: Der Barringer-Krater liegt gut erkennbar in der flachen Halbwüste, hat einen Durchmesser von 1,2 Kilometern und zählt zu den am besten erforschten Hinterlassenschaften eines kosmischen Objekts. Dieses etwa 50 Meter große Projektil schlug vor 49.000 Jahren mit einer Geschwindigkeit von zwölf bis 20 Kilometern pro Sekunde auf der Erde auf. Ähnlich zeigt sich die kasachische Shunak-Struktur aus dem All mit seinem rund 400 Meter hoher Kraterrand, im TanDEM-X-Höhenmodell. Vor etwa 45 Millionen Jahren, so schätzen die Wissenschaftler, entstand der Shunak-Krater mit einem Durchmesser von 2,8 Kilometern.

…bis hin zu ungewöhnlichen Krater-Formen

Allerdings nicht alle Krater tun den Wissenschaftlern den Gefallen, wie ein typischer Krater auszusehen. Die Aorounga-Struktur im nordafrikanischen Tschad dürfte bereits 345 Millionen Jahre alt sein und ist dementsprechend sehr stark verwittert. Gerade aus dem All sind sowohl der äußere als auch der innere Ring zu erkennen. Der kräftige Wind hat dabei wie ein Baumeister parallele Strukturen hinzufügt: Sie bestehen aus windbeständigen Felsrücken, den so genannten Yardangs, zwischen denen Sanddünen vom Wind getrieben hindurchwandern. Der Krater Tin Bider im algerischen Teil der Sahara überragt entgegen aller Krater-Klischees die Umgebung. Er besteht aus unterschiedlichen Gesteinsschichten, die im Laufe der Zeit ebenso unterschiedlich stark erodierten.

Einschlagkrater in Deutschland

Einer der Lieblingskrater von DLR-Wissenschaftler Manfred Gottwald „liegt praktisch vor der Haustür“: der Rieskrater im Übergang von der Schwäbischen zur Fränkischen Alb. Als vor 14,8 Millionen Jahren hier ein Asteroid mit einem Durchmesser von einem Kilometer einschlug, waren die Auswirkungen beeindruckend. An dem zunächst zehn Kilometer großen Krater rutschten die Ränder ab und so vergrößerte sich der Kraterkessel auf 24 Kilometer.

Die Erhebung im Inneren des Kraterkessels kollabierte – und produzierte damit einen weiteren, kleineren Ring. Noch in einer Entfernung von 40 Kilometern wurde die Erde mit einer bis zu hundert Meter dicken Schicht an Impaktgestein bedeckt. Auch ein See füllte für einige Millionen Jahre den Krater. Was heute von dem einstigen Krater übrig ist, lässt sich am deutlichsten im digitalen Höhenmodell der beiden Radarsatelliten erkennen.

Trickreiche Suche nach unbekannten Kratern

Noch hat der DLR-Wissenschaftler allerdings nur die bereits bekannten Krater im Blick. „Unser Ziel ist es aber, mit den Informationen unserer Radarsatelliten später einmal in ausgewählten Gebieten auch nach bisher noch nicht identifizierten Kratern Ausschau zu halten – das ist allerdings sehr trickreich“, betont DLR-Wissenschaftler Manfred Gottwald. Er arbeitet deshalb auch unter anderem mit Geologen der Universität Freiburg und des Museums für Naturkunde in Berlin zusammen.

„Letztendlich kann nur eine Untersuchung des Gesteins vor Ort bestätigen, ob es sich tatsächlich um einen Einschlagskrater handelt.“ Das Geländemodell des DLR ist dabei so genau, dass es nicht nur Hinweise auf einen möglichen Einschlag liefert, sondern auch hilft, die oftmals beschwerlichen Expeditionen zum Ort des Geschehens zu planen und durchzuführen.

Die Mission TanDEM-X

TanDEM-X wird im Auftrag des DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie als Projekt in öffentlich-privater Partnerschaft (Public Private Partnership, PPP) mit Airbus Defence and Space (vormals Astrium) durchgeführt. Das DLR ist verantwortlich für die wissenschaftliche Nutzung der TanDEM-X-Daten, die Planung und Durchführung der Mission, die Steuerung der beiden Satelliten und die Erzeugung des digitalen Höhenmodells.

Dazu entwickelt es auch die notwendigen Anlagen am Boden, das sogenannte Bodensegment. An der Entwicklung und dem Betrieb des Bodensegments von TerraSAR-X und TanDEM-X sind das Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme, das Earth Observation Center und der Raumflugbetrieb des DLR in Oberpfaffenhofen beteiligt. Die wissenschaftliche Leitung obliegt dem DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme. Airbus Defence and Space hat den Satelliten gebaut und ist an den Kosten für Entwicklung und Nutzung beteiligt. Das Unternehmen ist auch für die kommerzielle Vermarktung der TanDEM-X-Daten zuständig.

Bilderserie

Aorounga-Krater: Die erste Aufnahme von Radarsatellit TanDEM-X zeigt die Aorounga-Struktur im nordafrikanischen Tschad. Sie dürfte bereits 345 Millionen Jahre alt sein und ist dementsprechend sehr stark verwittert. Gerade aus dem All sind sowohl der äußere als auch der innere Ring zu erkennen. Der kräftige Wind hat dabei parallele Strukturen hinzufügt: Sie bestehen aus windbeständigen Felsrücken, den so genannten Yardangs.

Krater Tin Bider: Der Krater Tin Bider im algerischen Teil der Sahara überragt die Umgebung. Er besteht aus unterschiedlichen Gesteinsschichten, die im Laufe der Zeit ebenso unterschiedlich stark erodierten. Das dreidimensionale Höhenmodell hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) aus den Daten der deutschen Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X berechnet.

Das Nördlinger Ries: Der Rieskrater im Übergang von der Schwäbischen zur Fränkischen Alb entstand, als vor 14,8 Millionen Jahren hier ein Asteroid mit einem Durchmesser von einem Kilometer einschlug. Was heute von dem einstigen Krater übrig ist, lässt sich am deutlichsten im digitalen Höhenmodell der beiden Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X erkennen.

Shunak-Krater in Kasachstan: Die kasachische Shunak-Struktur aus dem All hebt sich im TanDEM-X-Höhenmodell mit ihrem rund 400 Meter hoher Kraterrand selbst inmitten einer hügeligen Umgebung perfekt ab. Vor etwa 45 Millionen Jahren, so schätzen die Wissenschaftler, entstand der Shunak-Krater mit einem Durchmesser von 2,8 Kilometern.

Steinheimer Becken: Das Steinheimer Becken in Baden-Württemberg hat einen deutlich sichtbaren Zentralberg. Beim Radarblick aus dem All mit den Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X hebt sich der Krater deutlich von den umliegenden Landwirtschafts- und Waldflächen ab.

Fotos: DLR