Inslagen op aarde

Elke dag wordt de aarde geraakt door materiaal uit de ruimte, variërend van kleine stofdeeltjes tot grotere brokstukken. De afmetingen van deze objecten bepalen welk soort gevaar deze botsingen met zich mee. In de deze longread proberen we deze dreiging uit de ruimte in perspectief te plaatsen.

Het deel van een meteoroïde dat de verhitte vlucht door de atmosfeert overleeft, zal zich tijdens de donkere vluchtfase in vrije val naar het aardoppervlak storten. Op dat moment is zijn oorspronkelijk snelheid er door de luchtweerstand uit gehaald en wordt de inslagsnelheid bepaald door de wijze waarop het object naar beneden valt. Voor grotere planetoïden met een doorsnede van enkele meters tot tientallen meters zal de atmosfeer daarentegen maar weinig invloed hebben op de eindsnelheid. Objecten met deze afmetingen kunnen de gang door de atmosfeer overleven zonder dat ze sterk worden afgeremd. Ze behouden dus nog een groot deel van de snelheid die ze in de ruimte hadden, zodat de objecten met veel hogere snelheden op het aardoppervlak inslaan. De gevolgen daarvan zijn dan ook veel omvangrijker dan voor een meteorietinslag, aangezien de grote bewegingsenergie tijdens een inslag wordt omgezet in de deformatie van het aardoppervlak. Het idee is misschien verrassend, maar het beste inzicht in de effecten en omvang van inslagen van planetoïden krijgt je dus niet door omhoog de ruimte in te kijken, maar door omlaag naar het landschap op Aarde te kijken. Op die manier is de natuurkunde achter de vorming van inslagkraters uitvoerig onderzocht en zijn de geologische basisprincipes en schaaleffecten inmiddels goed bekend. Dat kenniskader kwam deels tot stand door het onderzoek naar de krachtigste kunstmatige explosies, waardoor de energie van een inslag vaak uitgedrukt in het equivalente aantal tonnen van de springstof TNT.

Kraters op aarde

Inslagkraters zijn de meest zichtbare illustraties dat inslagen door de geschiedenis heen hebben plaatsgevonden. Je vind ze terug in landschappen met ouderdommen van enkele tienduizenden tot miljarden jaren oud. Momenteel (voorjaar 2017) bevat de Earth Impact Database een 190-tal bevestigde inslagkraters, variërend van diameters van enkele tientallen meters tot honderden kilometers. De Barringer inslagkrater in de Amerikaanse woestijnstaat Arizona is wellicht de bekendste en geldt als een  schoolvoorbeeld van een simpele inslagkrater. Deze inslagkrater werd ooit gevormd door een object van 20-50 meter in diameter dat een bewegingsenergie van 10-20 megaton TNT had. Hierdoor ontstond hierdoor een gapend gat van ruim een kilometer in diameter en 183 meter diep. Als een dergelijk object Nederland zou raken, dan ontstaat een krater met een omvang in de ordegrootte van de Amsterdamse binnenstad. Planeetonderzoeker David Kring van het LPI-instituut berekende de omgevingseffecten van de Barringerinslag (uitgaande van een 20 megaton inslag). Een inslag bepekt zich namelijk niet alleen tot de vorming van kraters en het uitwerpen van de inslagdekens zoals die duidelijk te zien zijn met een telescoop rond de kraters Tycho en Copernicus op de maan. De vuurbol van de inslag zou zich uitstrekken tot 10 km, de drukgolf zou dodelijk kunnen zijn voor dieren tot 16 km en tot een afstand van 30 km raast de wind door het landschap met orkaankracht.

Locaties van inslagkraters bekend in 2016 (n=188). De kleur en afmeting weerspiegelen de afmetingen van de kraters. De clustering van de kraters is een indicatie van de ouderdom van het aardoppervlak; de oudste delen bevatten meer inslagkraters doordat deze langere tijd bloot zijn gesteld aan de inslagen van objecten uit de ruimte. Figuur: Sebastiaan de Vet, gebruikte wereldfoto: ESA, data: Earth Impact Database, Planet. Space Sci. Centre, University of New Brunswick.

Schaaleffecten van inslagen

De schade die een object uit kan veroorzaken hangt af van de afmetingen en dichtheid (massa) en snelheid van het object. Vooral de verschillen in de afmeting van planetoïden kunnen we goed gebruiken om objecten in categorieën te plaatsen om zo een idee te krijgen van de te verwachten schade bij een inslag. Dit zijn natuurlijk algemeenheden, want er bestaan altijd uitzonderingen op de regel.

Klasse 1: objecten met diameters van 10-m tot 100-m

De bewegingsenergie van objecten met diameters van rond de 10 meter en snelheden van 20 km/s is ongeveer gelijk aan 100 kiloton TNT en kunnen bij een inslag zorgen voor een krater. Voor objecten met een diameter van 100 meter kan de kinetische energie oplopen tot ongeveer 100 megaton TNT en zijn de gevolgen navenant. Toch is er een kanttekening te plaatsen bij deze objectklasse. Veel objecten in deze groep overleven de passage door de atmosfeer niet. Steenachtige objecten worden toch nog nog deels afgeremd door de atmosfeer en desintegreren veelal door de aerodynamische krachten. De kinetische energie van deze objecten wordt daardoor omgezet in een luchtexplosie waarbij een schokgolf en de plotselinge opvlamming de meest voelbare en zichtbare effecten zijn. Objecten die voornamelijk uit ijzer bestaan, kunnen kraters vormen omdat deze vaak robuust genoeg zijn de grote aerodynamische krachten te overleven. Wanneer de diameters toenemen neemt dus ook de energie van het object toe. Ook bij grotere planetoïden die in deze objectklasse vallen, is het nog niet zeker dat ze in alle gevallen het aardoppervlak zullen halen. Veelal dringen de grotere objecten nog dieper de atmosfeer binnen en zullen de luchtexplosies veel krachtiger zijn.

Klasse 2: objecten met diameters van 100-m tot 1-km

Objecten met diameters groter dan 100 meter produceren in bijna alle gevallen een krater. Hoe groot deze krater is, en hoeveel schade aan de omgeving wordt aangericht hangt af van de dichtheid van het object, zijn snelheid en hoek waaronder het aardoppervlak wordt geraakt. Om deze reden richten grote zoekprogramma’s zich op planetoïden die in deze klasse vallen (NASA hanteert een ondergrens van 140 meter). Als we uitgaan van een planetoïde met een diameter van 200 meter, dan zou de aarde volgens de statistieken eens in de 5.000 jaar door een object van deze grootte geraakt worden met een krater van drie kilometer in diameter als gevolg. Objecten die tegen diameters van een kilometer liggen, kunnen met alle bijkomende effecten zelfs een effect hebben op gebieden zo groot als Frankrijk.

Klasse 3: objecten met diameters van 1 km tot 5 km

Wanneer planetoïden van kilometers groot de aarde zouden raken, dan is er een ding zeker; de gehele aarde zal de er de gevolgen ervaren. Een planetoïden met een diameter van 1 kilometer kan een krater veroorzaken met een diameter van 10 tot 15 kilometer. Deze inslag zal genoeg stof de atmosfeer in slingeren zodat een klimaat verandering onafwendbaar is. Kraters met diameters van meer dan 10 kilometer worden gemiddeld eens in de 100.000 tot 300.000 jaar gevormd. Het effect van de inslag van een planetoïde met een diameter van meerdere kilometers vind er op grote schaal klimaatverandering plaats dat vele honderden jaren kan duren. Door de snelle klimaatveranderingen zal veel flora en fauna verdwijnt, zowel op land als in zee. De effecten van een dergelijke inslag kennen we van de Chicxulubkrater in Mexico en de effecten die zelfs in Nederland in het kalkgesteente in Limburg zichtbaar zijn. Deze inslag zorgde voor een merkbare verandering in het gesteente, een grens die bekend staat als de Krijt-Paleogeengrens. De inslag in Mexico had destijds waarschijnlijk een explosieve energie die de 100 megaton ver overschreed. Uit astronomische en geologische gegevens is af te leiden dat inslagen door objecten met diameters van enkele kilometer ongeveer eens per 10 tot 30 miljoen jaar voorkomen.

Luchtexplosies

Schade aan bomen door de Tunguska-luchtexplosie. Tijdens expedities in 1927 en 1929 werd de omvang duidelijk van de luchtexplosie.

Het aantal kraters op aarde is vooral indicatief voor objecten met een grote diameter die er daadwerkelijk in zijn geslaagd om in te slaan (klasse 2 en 3). Er zijn veel gevallen bekend van zogenaamde ‘luchtexplosies’, ze staan ook bekend als airbursts. Dit zijn planetoïden die in de lucht bezwijken onder de aerodynamische krachten, exploderen en zo met hun bewegingsenergie een schokgolf produceren. Er is wereldwijd veel aandacht voor de risico’s van inslagen, maar de gevolgen van luchtexplosies mag niet worden onderschat. Tunguska is misschien wel een van de bekendste voorbeelden. Het 60 meter grote object drong de atmosfeer tot op 8 kilometer hoogte, alwaar het object ontplofte met een energie van 20 megaton TNT. De schade was enorm over een gebied zo groot als ruwweg de provincie Zuid-Holland; de schokgolf van de luchtexplosie ontwortelde bomen en veroorzaakte een middelzware aardbeving. Wanneer een gelijksoortig object boven dichtbevolkt gebied zou ontploffen zouden de gevolgen omvangrijk zijn geweest. Zo’n situatie deed zich op kleinere schaal vrij recent voor. Op 15 februari 2013 explodeerde boven de Russische stad Chelyabinsk een object met een doorsnede van ongeveer 20 meter met een kracht van 400-500 kiloton TNT. Het gevolg waren 1210 (licht)gewonden en schade aan gebouwen en de infrastructuur die werd geschat in de orde van ~30 miljoen Euro. De luchtexplosie boven Chelyabinsk heeft die dreiging uit de ruimte dan ook internationaal weer op de kaart gezet. Het is echter niet zo dat er tot dan toe niks gebeurde om dat risico in kaart te brengen. In de Verenigde Staten is er voor NASA al enige jaren een mandaat van het Congres van kracht om de inslagrisico’s van enkele duizenden objecten in kaart te brengen, veelal qua afmeting objecten uit klasse 2 en 3. Hiervoor wordt er actief gespeurd naar nog onontdekte aardnabije planetoïden. Ook in Europa is men zich bewust van de dreiging uit de ruimte, wat geleid heeft tot het Space Situational Awareness-programma van de ruimtevaartorganisatie ESA. Het SSA-programma wilt de gevaren vanuit de ruimte zoveel mogelijk in kaart brengen, zowel die van gevaarlijke aardscheerders als van rondvliegend ruimteafval dat een bedreiging vormt voor satellieten. De belangrijkste én meest uitdagende stap die daarin gezet moet worden, is de daadwerkelijke detectie van aardscheerders die mogelijk in botsing kunnen komen met de aarde.

Het onzichtbare gevaar?

Detectie is echter niet de makkelijkste opgave, en dat kan zich vertalen naar een korte tijd tussen het moment van detectie en dichtste nadering van de aarde. Vooral de afmeting van de planetoïde speelt die detectie parten. Kleine planetoïden zijn moeilijker te ontdekken dan hun grotere tegenhangers omdat ze minder licht weerkaatsen voor optische detectie. De vier-meter grote planetoïde 2008TC3 werd bijvoorbeeld slechts 19 uur voor de inslag op aarde waargenomen. Op 7 oktober 2008 drong deze planetoïde de atmosfeer binnen en brak op 37 kilometer hoogte boven Sudan in kleinere stukken uiteen. Enkele maanden later werd het restant gevonden in de vorm van 600 kleine meteorieten met een gezamenlijke massa van slechts 10,5 kg. Op 2 januari 2014, krap 21 uur na ontdekking, drong de metersgrote planetoïde 2014AA de atmosfeer van de aarde binnen. De korte tijd tussen ontdekking en de scheervlucht langs de aarde illustreert de grote uitdaging in het zoeken naar hun iets grotere tegenhangers. En dat is vooral een probleem de kleinere objecten die we aantreffen in objectklasse 1. We missen op dit moment veel van die kleine objecten die met andere middelen worden gedetecteerd als ze de atmosfeer van de aarde in zijn gevlogen. Analyses van infrageluid, gemeten met de microbarometers van het CTBTO-luisternetwerk, geven een ontnuchterende kijk op de hoeveelheid ruimtepuin dat op jaarbasis de atmosfeer binnenkomt: ruwweg 30 ± 9 bolides met een energie van 0,1 kiloton. In het tijdvlak 2000-2013 werden bovendien 26 bolides gedetecteerd met een energie van 1-600 kiloton. Deze luchtexplosies hebben echter tot op heden, met uitzondering van Chelyabinsk, nog niet op grote schaal schade aangericht.

Locaties van luchtexplosies of vuurboldetecties 1988-2017 (n=705). Kleuren weerspiegelen de inslagenergie. De overzichtskaart is geproduceerd aan de hand van de interactieve kaart van het Center for NEO Studies (CNEOS) van NASA.

Risico-inventarisatie

Wanneer we praten over de nadelige gevolgen van inslagen, dan zijn twee termen belangrijk; gevaar en risico (hazard and risk). Het gevaar van ruimtepuin kun je verwoorden als het inslaan van een object uit te ruimte van centimeters tot kilometer groot waarbij er schade optreed. Het ‘risico’ van deze inslagen kun je zien als de kans (een percentage) dat je met dit gevaar in aanraking komt. De kans op een inslag wordt kleiner naarmate de diameter van een object groter wordt. Er zijn simpelweg veel meer kleine objecten dan grote objecten. Een kans op een inslag van een planetoïde met een middenlijn van enkele kilometers is daarom kleiner dan één op een tiental miljoen.

Een relevant vraag is waar we de grens kunnen trekken voor een acceptabel risico. NASA richt zich vooralsnog op 100-150 meter als detectiegrens vanwege de regionale schade bij een inslag. Als we het echter wenselijk vinden om objecten van enkele tientallen meters, zoals Chelyabinsk, te detecteren met een waarschuwingstijd van bijvoorbeeld een jaar, dan zijn de kosten voor de nieuw te ontwikkelen technische infrastructuur navenant. Om die afweging in perspectief te plaatsen, is waarschijnlijk het makkelijkste om dit te illustreren met de onderstaande berekening voor een inslag die zich eens in de 100.000 jaar voordoet:

  1. De jaarlijkse premie moet minimaal de te verwachte schade dekken.
  2. De verwachte schade per jaar = de inslagkans x de kosten van de inslag
  3. 1x inslag per 100.000 jaar = 25% van bevolking ondervindt nadelige gevolgen
  4. Nederland 4 miljoen levens. > kosten: 1,5 miljoen euro per capita
  5. Schade = 600.000.000.000 euro
  6. Premie per jaar = 60.000.000 (60 miljoen euro)

In deze berekening worden de jaarlijkse kosten van de schade veroorzaakt door een ramp ingeschat en, wanneer het gevaar kan worden voorkomen, (waarvan we verwachten dat mogelijk is, in het geval van aardnabije planetoïden) vergeleken met de jaarlijkse kosten om de ramp te voorkomen. Op basis van dit model zou Nederland alleen al 60 miljoen euro mogen besteden aan het voorkomen en bestrijden van de risico’s van de inslag van een aardnabije planetoïde.

Een andere manier om naar de risico’s van een inslag te kijken, is vanuit het oogpunt van toelaatbaarheid. In het Engels ook wel ‘Tolerability of Risk’ (ToR) genoemd. De ToR-methode is ontwikkeld om ongelukken met kerncentrales en zeldzame industriële rampen te beoordelen. Het concept is er op gebaseerd dat een ramp boven een bepaalde ontoelaatbaarheidgrens komt wanneer er bijvoorbeeld een bepaalde hoeveelheid mensen zullen omkomen. Wanneer een mogelijke ramp boven deze grens uitkomt dient er per direct actie te worden ondernomen om het risico te verlagen en het aantal slachtoffers te beperken. Er is eveneens een grens die bepaald dat een bepaalde mogelijke ramp wel toelaatbaar is. Dit is de toelaatbaarheidsgrens. In het tussenliggende gebied dient een kosten-baten analyse te worden gemaakt, bijvoorbeeld te bekijken of de kosten van het voorkomen opwegen tegen de kosten die de ramp veroorzaakt. Daarbij moeten we wel uitgaan van het principe dat risico’s moeten worden beperkt zolang dat praktisch uitvoerbaar is en dat wanneer de kosten voor het voorkomen van een ramp laag zijn in verhouding tot de verwachte schade, maatregelen altijd genomen dienen te worden. Als voorbeeld kunnen we aangeven dat bij de bouw van een kerncentrale de ontoelaatbaarheidgrens op 1 ongeluk in de 100.000 jaar ligt. Terwijl de toelaatbaarheid grens ligt op 1 ongeluk per 10 miljoen jaar. Wanneer we het gevaar van inslagen vanuit dit standpunt bekijken dan bestaat er geen enkele twijfel over de relevantie van dit vraagstuk. In andere woorden: wanneer de inslagkansen van een planetoïde als een bedrijfsproces worden benaderd, dan moeten alle activiteiten van dit bedrijf meteen gestaakt worden. Je kunt dit simpele rekenvoorbeeld natuurlijk ook zien als een argument dat het, volgens dergelijke industriestandaards, de moeite waard is om te investeren in wetenschappelijke onderzoek dat bijdraagt aan de detectie van risicovolle objecten, zoals aardnabije planetoïden.

Hoe moeten we de risico’s dan duiden?

Als je de effecten van de verschillende objectklassen die onze aarde raken in perspectief plaatst, dan wordt duidelijk dat de geringe schade van kleine meteorietinslagen (zoals het gat in het dak van een huis in Glanerburg in 1990) of de astronomisch kleine kans op een grote inslag (Klasse 3 in het verhaal hierboven) bijna verwaarloosbare risico’s zijn. Ze klinken exotisch en spreken tot de verbeelding, maar de kans (risico) is klein dat je binnen een mensenleven met de nadelige gevolgen van een grote inslag in aanraking komt. Voor de komende eeuw liggen er volgens de huidige gegevens dan ook geen objecten op ramkoers. De risico’s van de objectklasse 1 vragen wellicht wat meer van onze aandacht, aangezien een groot deel van deze objecten nog niet is waargenomen. Objecten met afmetingen van meters tot tientallen meters zullen in veel gevallen de passage door de atmosfeer niet overleven en inslaan, maar sommige exemplaren kunnen wel als luchtexplosie voor schade zorgen. Dit gevaar is dus wellicht relevanter om ons bewust van te zijn dan de kratervormende inslagen van planetoïden die het aardoppervlak wél weten te halen.

Doemdenken is dus niet nodig, maar het is goed om te begrijpen dat het vraagstuk over het gevaar dat de inslag van een planetoïde met zich meebrengt uniek is en in zekere zin ook complex. Zodoende is 30 juni (de dag waarop de Tunguska-inslag plaatsvond) door de VN uitgeroepen tot de internationale planetoïdedag, bedoeld om nog eens extra aandacht te vragen voor de onbekende dreiging uit de ruimte.

Lees verder:


Dit artikel is een bewerking van het artikel ‘Inslagen op moeder aarde’ dat eerder op deze website verscheen, en het artikel ‘Speuren naar risicovolle aardscheerders’, Zenit, juli-augustus, 2015.

Meer actuele informatie over de detectie van aardscheerders is te vinden op de website van het CNEOS centrum de NASA.

Interessant? Deel deze pagina:
Share on Facebook
Facebook
Tweet about this on Twitter
Twitter
Share on LinkedIn
Linkedin
Pin on Pinterest
Pinterest
Print this page
Print
Email this to someone
email