Modelle zur thermischen Entwicklung des Planeten Merkur

Es wurden dynamische Konvektionsmodelle zur thermischen Evolution des Merkur berechnet. Der Schwerpunkt der Untersuchung lag auf der Anwendung verschiedener Mantelrheologien, der Untersuchung der Auswirkung des Anfangszustandes und einem Vergleich der Evolution zur Evolution parametrisierter Modelle. Das heutige Magnetfeld des Merkur und die geschätzte Schrumpfung des Planetenradius um etwa 2 km dienen dazu, die Güte der Modelle zu überprüfen.

Die Ergebnisse zeigen, daß dynamische Modelle in der Frühphase der Evolution deutlich langsamer abkühlen, als die bisher verwendeten parametrisierten Modelle. Es bildet sich schnell eine starre, relativ mächtige Oberflächenschicht aus. In dieser Schicht kann die Wärme nur durch konduktiven Wärmefluß transportiert werden. Die starre Lithosphäre bildet sich aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Viskosität aus. Ihre Mächtigkeit hängt vom Gehalt an radioaktiven Wärmequellen im Mantel ab. Im darunterliegenden Mantel nehmen die Temperaturen in der Frühphase sehr schnell zu, nach einiger Zeit hat sich ein Strömungsmuster ausgebildet und das Material konvektiert heftig, ohne sich allerdings stark abzukühlen. Als überraschendes Ergebnis ist festzuhalten, daß sich der Merkurmantel nach anfänglich schneller Entwicklung über einen Großteil der Evolution kaum noch verändert. In den Modellen sind Teile des Mantels während eines Großteils der Entwicklung des Merkur bis zum heutigen Zustand partiell aufgeschmolzen.

Eine zusätzliche Zunahme der Viskosität mit dem Druck ist unter anderem auch für Merkur realistischer als Modelle mit rein temperaturabhängiger Viskosität, da an der Kern-Mantel-Grenze ein Druck im Bereich von 10 GPa herrscht. Durch die Druckabhängigkeit erhöht sich die Viskosität im unteren Mantelbereich und behindert dadurch den Wärmetransport aus dem Kern. Die Evolution eines Merkurmodells mit dieser Rheologie unterscheidet sich von Modellen mit rein temperaturabhängiger Rheologie durch einen deutlich langsameren Aufbau der Konvektion im Mantel. Der Kern kühlt langsamer aus, wodurch das Ausfrieren eines inneren Kerns zeitlich verzögert wird.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft

Beteiligte Wissenschaftler:

Dipl. Geophys. Vera Conzelmann, Prof. Dr. Tilman Spohn

Veröffentlichungen:

Conzelmann, V., T. Spohn: Consequences of different viscosity laws on models of planetary mantle convection. Annal. Geophys. 16 Suppl. III, C986, 1998.