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Kometen: Wie kommen sehr hohe Aktivitätsparameter zustande?

Ausgangspunkt dieser Überlegeungen war die Aktivität des Kometen C/2019 Y4 (ATLAS) von Ende Januar bis Mitte März 2020. Die berechnete Aktvität war so hoch, dass die Prognose eine Helligkeit jenseits der der Sonne ergab:

Es war also klar, dass diese Gasentwicklung nicht "ewig" so weitergehen kann. Ich hatte seinerzeit ein Abknicken der Kurve bei 1,5 AE auf einen normalen Wert angenommen.

Zur Erklärung: Der Aktivitätsparameter n gibt an, in welchem Grad (genau: zu welcher Potenz) sich die Helligkeit bei Annäherung an die Sonne ändert. Für Asteroiden gilt n=2 wegen des quadratischen Abstandgesetzes. Für Kometen muss man berücksichtigen, dass sich nicht nur die Beleuchtungsstärke erhöht, sondern auch die Gas- und Staubentwicklung. Typische Werte für Kometen liegen bei 3,5 bis 8. Der Komet ATLAS hatte jedoch eine Aktivität von ungefähr 15, bei meier Rechnung sogar über 17. Das heißt, die Helligkeit stieg mit der 17. Potenz der Sonnenannäherung an! Solche Werte hat man nur während eine Ausbruchs für wenige Stunden bis Tage. Hier hielt dieses Geschehen aber viele Wochen an.

Anfang April wurde dann offenbar, dass der Komet zumindest teilweise zerfiel:


(Bild: Thomas Lehmann)

Das brachte mich auf die Frage: Wie muss ein Fragmentierungsprozess aussehen, der über lange Zeit eine solch hohe Aktivität erzeugt?

Normale Kometen

Zunächst einige Überlegungen zu den Aktivitätsparametern normaler Kometen. Hierbei muss man zwischen dynamisch jungen und dynamisch alten Kometen unterscheiden. Dynamisch jung heißt, der Komet kommt zum ersten Mal der Sonne nahe und war die gesamte Zeit in der Oortschen Wolke. Dynamisch alt heißt, er hat schon einige Sonnenumläufe hiner sich. Wenn die Umlaufzeit sehr lang ist (z.B. mehrere Tausend Jahre) dann geht diese Periodizität nicht aus dem Namen hervor, der Komet trägt also ein C/ und kein P/.

Die Abbildung zeigt drei EInflussgrößen:
1) Die Strahlungsintensität
2) Die Gas- und Staub-Entwicklung
3) Das Entstehen von Aktivitätsgebieten von dynamisch alten Kometen:

Das Bild stellt drei Sonnenabstände dar, z.B. 1 AE, 0,5 AE und 0,33 AE. Die Sonne wird größer bei Annäherung, und zwar quadratisch: Das mittlere Spalte erhält 4x so viel Energie, die rechte 9x. Diese Strahlung wird reflektiert und sorgt für eine quadratische Erhöhung der Helligkeit.

Der blaue Komet besteht an seiner Oberfläche nur aus Eis und ist dynamisch jung. Der graue Komet ist von einer Staubschicht bedeckt und ist dynamisch alt.

Nun zu den drei Aspekten. Ich nehme jeweils an, dass Wirkung proportional Ursache gilt. Die Ursache ist der höhere Energieeintrag bei sinkendem Sonnenabstand.

1) Die Erhöhung der Beleuchtungsintensität habe ich durch die wieder zurücklaufenden gelben Lichtstrahlen angedeutet. Diese werden mit kleinerem Sonnenabstand quadratisch stärker.
2) Durch den höheren Energie-Eintrag wird mehr Gas und Staub erzeugt. Das wird durch die blauen Pünktchen angedeutet. Die Menge nimmt  gemäß "Wirkung = Ursache"  auch quadratisch zu.
3) Bei dynamisch alten Kometen muss die Oberfläche erst aufgeschlossen werden, d.h. die feste Staubschicht muss aufgebrochen werden. Man nennt die freigelegten Stellen Aktivitätsgebiete. Hierzu ist auch eine Energie-Eintrag nötig, mit sinkendem Sonnenabstand erhöht sich die Zahl der Aktivitätsgebiete quadratisch.

Zusammengefasst bedeutet dies, dass im mittleren Bild die vierfache und rechts die neunfache Gasentwicklung im Vergleich zu links (1 AE) erfolgt. Jedes dieser Gaskompartimente reflektiert auch eine erhöhte Menge Licht reflektiert (oder besser bei Gas, emittiert). Somit steigt die Helligkeit mit der 4. Potenz des Sonnenabstandes, n=4. Das ist der Wert, der für dynamisch neue Kometen erst einmal angenommen wird, bis genaue Werte berechnet werden können.

Für dynamisch alte Kometen kommt ein weiterer Prozess hinzu, es also im Vergleich zu rechts vier Mal so viele Aktivitätsgebiete, jedes davon verdampft vier Mal so viel Gas und jedes Gaskompartiment emittiert vier Mal so viel Licht, n=2+2+2=6.

Sehr große Aktivitätsparameter durch fraktale Rissbildung


Wie kommen wir nun aber auf n im Bereich von 15, wie es bei ATLAS im Februar bis Mitte März war? Drei unabhängige Prozesse (Beleuchtung, Gasentwicklung und Freilegung von Gebieten) ergaben n=6. Um auf n im Bereich von 15 zu kommen, benötigt man weitere 4-5 Prozesse, und zwar unabhängige! Im folgenden Bild habe ich nur zwei Sonnenabstände gezeichnet, nämlich einen Ausgangszustand und dann die halbe Sonnenentfernung mit dem vierfachen Energieeintrag. Also das Pendant zum linken und das mittleren Bild von oben.



Dies sind Querschnitte durch einen Kometenkern. Das blaue ist das Eis und das graue die verbackene Deckschicht. Das Bild stellt ein einzelnes Aktivitätsgebiet dar, von dem de Deckschicht schon weggesprengt wurde.

Ein Aktivitätsgebiet hat eine Größe von vielleicht einigen Dutzend Metern. Es ist möglich, dass sich bei einer lockeren Struktur des Kometen hier Risse von einigen Metern Durchmesser bilden. Ich nenne diese "Risse erster Ordnung". Es sind die nach unten verlaufenden Risse,  die Oberfläche des Aktivitätsgebietes zirka verdoppeln, in der Zeichnung geht das mehr oder weniger auf. Eine vier Mal so hohe Energie-Einstrahlung führt nun wieder nach meinem Prinzip Wirkung = Ursache zu vier Mal so vielen Risse erster Ordnung (rechtes Bild).

Von diesen Rissen aus können sich weitere Risse bilden, bei mir quer. Auch diese sollen die aktive Oberfläche im linken Bild wieder verdoppeln, das kommt in der Zeichnung auch wieder ungefähr hin. Bei vierfachem Energieeintrag können sich nun auch vier Mal so viele Risse zweiter Ordnung bilden. Zur ursprüngliche Oberfläche eines Aktivitätsgebietes kommt links das Doppelte der Fläche hinzu. Rechts wird sie aber 4+ 4*4 =20 Mal größer, damit erhalten wir eine Erhöhung von n um mehr als vier.

Risse erster Ordnung sind im Meterbereich. Wenn die Risse zweiter Ordnung im Dezimeterbereich sind, dann können dort wieder Risse im Zentimeterbereich und davon wieder welche im Millimeterbereich abgehen. Das würde eine Erhöhung von n um etwa 8 bedeuten. Damit sind wir in der Nähe davon, wo wir hinwollen.

Freilich wird davon der Kometen völlig von Rissen durchsetzt und wird schließlich zerfallen. Und das ist es ja genau, was wir erlebt haben.

Nun kann man vielleicht glauben, für solche Mengen Risse sei kein Platz in einem kompakten Körper. Es geht aber. Ein Beispiel sind die Säugetierlungen, also unsere auch. Die dünnen Bronchienzweige haben stets mehr Querschnittsfläche als die größeren, je kleiner die Bronchiolen, desto mehr Gesamtfläche. Ähnliches gilt für das Blutsystem und die Adern und Kleingefäße bis hin zu den Diffusionsgebieten. Es gibt in der Natur also solche Erscheinungen, wo schließlich das ganze Volumen von "Löchern" durchsetzt ist. Und fraktal ist hierfür der richtige Begriff.

Uwe Pilz, April 2020