Wie stark müsste ein Vulkanausbruch sein, um Trümmer auf die Höhe der ISS zu sprengen?

Ich glaube nicht, dass Sie eine 16-g-Vulkankugel in den Weltraum bringen könnten. Ich meine, wir können die Atmosphäre für einen Moment loswerden und das erkennen$v=\sqrt\frac{E}{m}=\sqrt\frac{64365\text J}{16.362\text g}=1 983\text{m/s}$, was darauf hindeutet, dass ein von diesem Vulkan mit etwa Mach 5,7 abgefeuertes Fragment die Höhe der ISS erreichen könnte. Aber wenn wir die Atmosphäre einbeziehen, haben wir zwei limitierende Faktoren:

• Ziehen
• Verdampfung

Die Belastung eines solchen Vulkanbrockens wäre erheblich, sodass ein Austritt aus dem Vulkan mit Mach 5,7 ihn nicht schneiden würde. Es müsste schneller gehen. Ohne einen Luftwiderstandsbeiwert für Ihren Kiesel wäre es schwer zu sagen, wie viel schneller, aber es müsste viel schneller sein. Sofort gibt es große Probleme.

Aber es wird noch schlimmer, weil solche Hochgeschwindigkeitsgeschosse abschmelzen. Was Sie haben, ist praktisch ein umgekehrter Meteor. Laut NASA :

Weltraumfelsen, die kleiner als etwa 25 Meter (etwa 82 Fuß) sind, werden höchstwahrscheinlich verglühen, wenn sie in die Erdatmosphäre eindringen, und wenig oder keinen Schaden anrichten.

Das Gegenteil wäre der Fall, also muss Ihr Vulkan wahrscheinlich einen mindestens 25 Meter breiten Felsen mit weit über Mach 6 werfen, um die ISS zu treffen.

An diesem Punkt bin ich ernsthaft besorgt über die tektonischen Bedingungen des Planeten, die einen solch außergewöhnlichen Vulkan verursachen. Die ISS-Astronauten sind wahrscheinlich weniger besorgt über Partikel, die sie treffen, als vielmehr darüber, ob es ein Zuhause gibt, in das sie zurückkehren können oder nicht.

... hier sitze ich in meiner Blechdose, hoch über der Welt...

NEIN.

Unter Verwendung mathematischer Vorhersagen beträgt die maximal mögliche Höhe für eine normale (auch nicht von Boliden induzierte) Vulkanfahne etwas mehr als 60 km, was immer noch Hunderte von Kilometern von der ISS entfernt ist. Das Problem ist, dass die Schwadenhöhe durch einen Anfangsimpuls erzeugt wird, was das Erreichen dieser sehr schwierig macht, da der Luftwiderstand ins Spiel kommt.

Jetzt müssen Sie natürlich nicht die gesamte Wolke hoch genug machen. Theoretisch könnte ein einzelnes Teilchen durch das perfekte Zusammentreffen von Umständen höher geschossen werden, auch bekannt als Pascal B-Atomkartoffelkanonen-ähnliche Umstände. Aber 16 Gramm sind ein ziemlich großes Teilchen, aber gleichzeitig klein genug, um viel Widerstand zu leisten. Aber gleichzeitig ist der Yellowstone so viel größer als jeder Ausbruch, den wir dort erlebt haben, und seine Wirkung, von der wir nichts wissen, könnte es geschehen lassen. Wir wissen nicht wirklich, welche Art von Geschwindigkeit ein paar Partikel erreichen könnten, also könnte es Asche so hoch werfen, aber es gibt keine Möglichkeit, große Brocken zu werfen, wie Sie wollen.

[Quelle][1]

[1]: https://www.researchgate.net/publication/276848715_Plume_height_volume_and_classification_of_explosive_vulcanic_eruptions_based_on_the_Weibull_function#:~:text=cada%20mil%20a%C3%B1os.-,...,Bonadonna%20and%20Costa%2C%202013 )% 20.

Wenn Sie wirklich die ISS treffen wollen, müssen Sie viel mit den Händen winken.

Und selbst dann ist ein direkter Aufprall auf die ISS für ein nach oben geschleudertes Steinprojektil unmöglich – die Beschleunigung müsste so groß sein, dass das Projektil zerspringen würde und die kleineren Teile durch atmosphärische Reibung schnell gestoppt würden.

Sie könnten also etwa so vorgehen --

"Erklären Sie mir das in Laiensprache, Professor." "Sehr gut," seufzte Stafford. „Um es für den Laien auszudrücken, die Eruption hat mehrere hundert Kilogramm Kieselsteine ​​in eine niedrige Erdumlaufbahn geschleudert. Einige davon-“ „Warte, warte, Professor. Ich hatte den Eindruck, dass eine Eruption nichts in den Weltraum schleudern könnte!“ „Normalerweise kann es das nicht. Mega-Eruptionen auf dem Mars haben große Meteoriten auf die Erde geschickt – wir haben einige in der Sahara geborgen – aber die Erdatmosphäre ist dicker und ihre Anziehungskraft höher Lavabombe in die Stratosphäre. Aber "konnte nicht" in der Physik bedeutet oft nur "es ist sehr, sehr unwahrscheinlich". Versuchen Sie es lange genug, und Sie können zwanzig Groschen fallen lassen und sie alle landen lassen. Eine Chance von einer Million. Nun,genau, eine äußerst unwahrscheinliche Kombination aus Geschwindigkeit, Form und Zusammensetzung, um durch die unteren Schichten der Atmosphäre zu schießen, bevor sie sich auflöst. Wenn sie sich auflösen, haben die kleineren Fragmente noch genug Geschwindigkeit, um noch weiter zu klettern. Sie haben keine Umlaufgeschwindigkeit und werden letztendlich herunterfallen – allerdings langsam genug, dass sie nicht brennen – aber für eine sehr kurze Zeit können sie knapp über die Atmosphäre hinausreichen.“ „Trotzdem, Professor, wie könnte das die Raumstation beeinflusst?« »Das hat es nicht – nicht direkt. Selbst diese seltenste Chance hätte nicht gereicht. Die ISS wurde Opfer einer sehr unwahrscheinlichen Reihe von Umständen, die durch menschliche Arroganz wahrscheinlicher wurden“, seufzte Stafford erneut. „Haben Sie jemals den Namen ‚Kessler-Syndrom‘ gehört? NEIN? Also, Es wurde berechnet, dass, wenn Satelliten und anderer orbitaler Schrott dicht genug werden, eine zufällige Kollision die Zerstörung eines Satelliten oder eines Stücks Weltraumschrott auslösen kann. Die meisten Fragmente, vielleicht siebzig Prozent der Gesamtheit, würden mehr oder weniger auf derselben Höhe bleiben. Weitere fünfzehn Prozent würden nach hinten oder unten projiziert und schnell deorbitiert. Die restlichen fünfzehn Prozent“, Stafford sah ihm in die Augen, „würden höhere Umlaufbahnen erreichen. Nicht sehr viel höher, wohlgemerkt.“ „Aber wenn sich bereits genügend andere Satelliten in diesen höheren Umlaufbahnen befänden, könnte ihnen dasselbe Schicksal widerfahren.“ „Eine Kettenreaktion“, flüsterte der Präsident. „Genau. Das ist das Kessler-Syndrom. Die ISS wurde in ihrem Leben bereits dreimal getroffen, zuletzt im Mai 2021. Damals Wir hatten bereits fast siebentausend Satelliten, die in alle Richtungen sausten. Wir haben weiterhin Satelliten über Satelliten gestartet, sowohl offen als auch heimlich; Wir haben alle verfügbaren Umlaufbahnen gefüllt. Früher oder später musste so etwas passieren. Ein sehr, sehr unglücklicher Zufall hat mehrere Fragmente – mindestens drei, vielleicht bis zu sieben – auf eine Umlaufbahn geschickt, die die ISS schneidet, aber in die entgegengesetzte Richtung. Sie trafen mit einer kombinierten Geschwindigkeit von mehr als dreizehn Kilometern pro Sekunde."

Ihre beste ... ähm ... Chance ist es, einen massiven (umgekehrten) Boliden in den Weltraum zu schleudern, einen, der der Ablation durch die aufsteigende Atmosphäre widerstehen kann und trotzdem genug Masse hat, wenn er dort ankommt.

Eigentlich muss es nur die ersten etwa 85 km hinauf, in der Nähe der von Kármán-Linie , der Stelle, unter der sich die (direkten) Boliden erhitzen und explodieren, standhalten.

Mit einer Prise Handwavium können Sie erklären, wie die vulkanische Bombe einfach explodiert, nachdem sie die Atmosphäre durchlaufen hat.

• vielleicht hat eine andere (schnellere) Vulkanbombe die erste von hinten eingeholt und kollidiert
• Vielleicht kühlte die Oberfläche der Bombe im Weltraum ab und die Außenschicht brach (wie eine Art gescheiterter Prinz-Rupert-Tropfen ) und die Fragmente wurden in alle Richtungen ausgeworfen - während der Kern seine Reise in den Weltraum fortsetzte (siehe die Brotkrümelbomben Referenz hier)
• Vielleicht verflüssigte sich unter der intensiven Erwärmung des Aufstiegs ein Teil des festen und unhomogenen Inneren des Felsbrockens, kam in Kontakt und löste eine außer Kontrolle geratene Thermitreaktion aus, die zur Explosion führte (wie Eisen, das sich vor Ewigkeiten abgelagert und abgekühlt hat, über dem sich langsam Schwefel abgelagert hat danach durch Kondensation, jetzt so weit aufgeheizt, dass die Aktivierungsenergie überschritten wird und Pyrrhotit zu bilden beginnt )
• Vielleicht wurde die Bombe mit einer hohen Rotationsenergie abgefeuert und durch die zusätzliche Erwärmung durch die Atmosphäre wurde sie flüssig genug, um in kleinere Stücke zu zerbrechen

Wenn Sie wirklich wollen, finden Sie sicher genügend einfache Wege, um die zufällige Fragmentierung des Projektils im Weltraum zu erklären, und nicht früher. Schließlich sind die Vulkane ziemlich komplex, während der Explosion können viele Dinge passieren.

_{Warnung stellt sich heraus, dass es hier große Probleme gibt, halten Sie etwas Salz bereit, wenn Sie dies lesen.} Ich würde mir nicht so viele Gedanken über die erforderliche Energie machen, ein 10-t-Stück Stein, das aus dem anfänglichen Ausbruch des vulkanischen Schlackenkegels herausgeschleudert wird , benötigt mickrige 60 -100 GJ, um eine Höhe von 400-500 km zu erreichen.
1980 Mt. Helens Explosion

Aber wenn wir uns einen bekannten großen Vulkanausbruch ansehen, den Ausbruch des Mount St. Helens im Jahr 1980, stellen wir fest: „Insgesamt hat der Mount St. Helens 24 Megatonnen thermische Energie freigesetzt, von denen 7 eine direkte Folge davon waren die Explosion. Dies entspricht der 1.600-fachen Größe der Atombombe, die auf Hiroshima abgeworfen wurde.

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Bearbeiten: Wie @PcMan in den Kommentaren betont, würde das Starten eines "umgekehrten Boliden" in den Weltraum durch Anwendung von externem Gasdruck lächerliche Druckmengen erfordern.
Das bedeutet nicht automatisch, dass es unmöglich ist, einen umgekehrten Boliden so zu projizieren, dass einige Fragmente davon die ISS-Höhe erreichen, nur dass so etwas sehr unwahrscheinlich ist und eine Vielzahl von Handbewegungen erforderlich ist, um die von der Geschichte geforderte Aufhebung des Glaubens zu erreichen .

Interessante Frage! Leider bin ich kein Vulkanologe, aber hier geht es ..

Als Referenz: Das erste von Menschenhand geschaffene Objekt, das in den Weltraum geschossen wurde, war höchstwahrscheinlich nicht Sputnik, sondern ein Gullydeckel, der versehentlich während des Pascal-A- Atomtests (Ausbeute 55 Tonnen!) der Operation Plumbbob ins All gesprengt wurde. Technisch gesehen ist es also möglich, dass ein Objekt durch einen einzigen Impuls wie eine Explosion, sei es vulkanisch oder nuklear, Fluchtgeschwindigkeit erreicht. Dies bedeutet, dass es mit ein bisschen Handwavium sicherlich zu einer Handlung führt, die nicht zu weit hergeholt ist!

Nun zu der Frage, was das eigentlich bedeuten würde.

Erstens : Die Art des Vulkans.

Für einen explosiven Ausbruch benötigt man eine ganz bestimmte Art von Vulkan und Lava. Wenn Sie einen Schildvulkan haben, wie z. B. Vulkane auf Hawaii, wo die Lava leicht fließende Basaltlava ( mafische Lava) ist, können Sie unabhängig von der Größe des Ausbruchs keinen ausreichend explosiven Ausbruch haben.

Stattdessen braucht man einen Stratovulkan – oder den kegelförmigen Typ, den man oft auf Fotos sieht (z. B. Mt. Fuji) – mit hochviskoser, felsischer Lava, die zu sehr explosiven Eruptionen führen kann.

Zweitens: Größe des Ausbruchs

Im Gegensatz zu dem, was man denken könnte, bin ich mir überhaupt nicht sicher, ob eine superkolossale oder größere ( VEI 7+ ) Eruption die ideale Umgebung wäre. Sie hieven viel Masse, anstatt relativ kleine Masse zu starten, gewehrartige orbitale Trümmer, nach denen wir suchen;$E_k = \frac{1}{2}mv^2 \rightarrow v = \sqrt{\frac{2E_k}{m}}$schließlich.

In Bezug auf Energie liefert sogar eine "kleine" Vulkanexplosion genug Kraft, um ein Objekt in die Umlaufbahn zu bringen. Demnach ist die maximale elastische Energieausbeute einer Eruption$10^{19}$Joule oder äquivalente Energie von ~160 000 Hiroshima-Bomben oder ~2 Millionen Pascal- As.

Drittens: Plausibilität.

Ist das Szenario plausibel? Möglicherweise? Die Asche der Eruption des Pinatubo im Jahr 1991 erreichte 34 Kilometer und die Felsen von Krakatoa im Jahr 1883 flogen mindestens 50 Kilometer (seitlich) weg. Das sind nur zwei Datenpunkte aus den letzten 150 Jahren. Darüber hinaus können wir einzelne Sub-Kilogramm-Objekte, die in den Weltraum geschleudert werden, nicht sehr einfach verfolgen, so dass dies schon früher geschehen sein könnte, sogar bis zur Fluchtgeschwindigkeit selbst.

Da das Problem nicht die Größe des Ausbruchs ist, sondern die schnelle Freisetzung von Energie und ausreichend haltbare Auswürfe, könnte man, um das Szenario plausibler zu machen, einen Obsidian-Monolithen hinzufügen, der vor dem Ausbruch in die Caldera einstürzt und als Korken fungiert.

Dies könnte genug Handwavium sein , das für den hohen Druck und die darauf folgende Explosion erforderlich ist, die Obsidiansplitter zur ISS schleudern könnte!

Bearbeiten und viertens: Physik!

Nach Diskussion mit GOATnine (siehe Kommentare) hatte ich eine Idee! Die auf das Objekt übertragene Wärmemenge entspricht ungefähr der kinetischen Energie der darüber befindlichen Luftmasse, die auf die Abschussgeschwindigkeit des Projektils beschleunigt wird. Dies liegt daran, dass sich das Objekt bewegt$v>>c$würde nur ein Loch in eine statische Atmosphäre schlagen. Dies ist natürlich nur eine ungefähre Zahl, die nur für wirklich schnelle Projektile funktioniert ... und wir ignorieren hier so viele Effekte (Form, Ablation, DRAG usw.).

In jedem Fall ist die Luftmasse einfach$F = PA_c \rightarrow \frac{m}{A_c} = \frac{P}{a} = 1 \text{ bar} / 10$MS$^2 \sim 10 000$kg/m$^2$und die Energie zum Heizen ist somit

$$E_h(v_0, A_c)= \frac{1}{2}mv^2 \sim A_c v^2 \cdot 5 000 \text{kg/m}^2$$ Wo$A_c$ ist die Querschnittsfläche des Objekts.

Wogegen wir uns dagegen wehren müssen, ist das Abtragen des Materials, also das Aufheizen auf Verdampfungstemperatur und darüber hinaus. Wir wählen Aluminiumoxid , da das Obsidianmaterial ziemlich schwer zu schmelzen ist. Es hat$\rho = 3960$kg/m$^3$, Schmelzpunkt von 2324 K und Siedepunkt ~3300 K, mit Wärmekapazitäten von$c_{solid} = 1200$J/(kg$\cdot$K) und$c_{liquid} =$1127  J/(kg$\cdot$K). Schließlich ändert sich die Phase$H_{solid} \sim 1 × 10^6$J/kg &$H_{liquid} \sim 20 \times 10^6$J/kg.

Ab 290 K gibts uns$\Delta T_s = 2035$K und$\Delta T_l = 1000$K für

$$H_{tot} / m = \Delta T_s c_{solid} + \Delta T_l c_{liquid} + H_{solid} + H_{liquid} \sim 25 \text{ MJ/kg}$$

Jetzt nehmen wir an, dass die Kugel so ist, wie die Masse ist$m = \rho \frac{4}{3} \pi r^3$während$A_c = \pi r^2$also haben wir

$$m = \frac{4}{3\sqrt{\pi}} \rho A_c^\frac{3}{2} \sim A_c^\frac{3}{2} 3000 \text{ kg/m}^3$$

Wenn wir das als Masse einstecken, erhalten wir die gesamte Wärmekapazität in Bezug auf$A_c$

$$H_{tot} = A_c^\frac{3}{2} \cdot 7.5 \text{ GJ/m}^3$$

Und das größer als Heizenergie einstellen

$$\begin{align} H_{tot} & > E_h \\ A_c^\frac{3}{2} \cdot 7.5 \text{ GJ/m}^3 & > A_c v^2 \cdot 5 000 \text{kg/m}^2 \\ \frac{v^2}{\sqrt{A_c}} & < 1.5 \cdot 10^6 \text{m/s}^2 \end{align}$$ aber$A_c$hier ist nur$\pi r^2$Die Lösung setzt Radius und Geschwindigkeit in eine einfache Beziehung: $$\frac{v^2}{r} < 2.7 \cdot 10^6 \text{m/s}^2 \longrightarrow \\ f(r) > \frac{v^2}{2.7 \cdot 10^6 \text{m/s}^2} \lor f(v) < \sqrt{r \cdot 2.7 \cdot 10^6 \text{m/s}^2}$$

Also, was sagt uns das? Mit Fluchtgeschwindigkeit$v = 11.2$km/s erhalten wir, dass der Radius etwa 50 Meter oder mehr betragen muss. Nun, das reicht nicht aus, um das Objekt in den Weltraum zu schleudern, da wir hier den Luftwiderstand ignorieren (heh). Wenn wir schätzen, dass wir mit Drag das Doppelte von Delta-v zu LEO benötigen, um LEO zu erreichen, das wir haben$v = 18$km/s und$f(r) > 120$Meter.

Noch plausibel? Vielleicht ... aber unwahrscheinlich! Wir können jedoch definitiv ausschließen, dass der Schachtdeckel jemals den Weltraum erreicht: Die satten 50+ km / s entsprechen ungefähr einem 1-Kilometer- Objekt!

Hinweis: Mit ein wenig Feintuning können Sie diese Beziehung in eine Funktion von m oder in verschiedene Materialien umwandeln.