Wärme- und Massentransporteigenschaften von Konvektionsströmungen im Erdinnern

Konvektionsströme im Erdmantel (Tiefenbereich 100 - 2900 km Tiefe) wandeln die in der Erde vorhandene Wärme in mechanische Arbeit um und stellen letztendlich den Mechanismus dar, der die gesamte tektonische Aktivität auf der Erde antreibt. Zu den tektonischen Aktivitäten zählen kleinräumige Phänomene, wie Erdbeben oder Vulkanausbrüche, sowie großräumige Ereignisse, zu denen die Neubildung von Gebirgen oder die Umorientierung der Lithosphärenplatten gehören. Weiterhin bestimmen Konvektionsströme entscheidend den Durchmischungsgrad des Erdmantels. Da das tiefe Erdinnere direkten Messungen nicht zugänglich ist, werden aufwendige Computersimulationen durchgeführt, um zu einem besseren Verständnis der Transportprozesse im Erdmantel zu gelangen. In einer, zunächst methodisch orientierten Arbeit, wurde ein numerisches Verfahren entwickelt, das es erlaubt hohe Viskositätskontraste des Materials miteinzubeziehen. Dies bedeutet einen wesentlichen Schritt hin zu einer realistischen Modellierung des Erdinnern. Dabei konnte dieses Verfahren eingesetzt werden, um einen theoretisch vorhergesagten Zusammenhang für heftige Konvektionsströmungen in Materialien mit stark temperaturabhängiger Viskosität zu bestätigen. In Zusammenarbeit mit Kollegen der University of Illinois und der University of Minnesota (beide USA) wurden die hohen Anforderungen geodynamischer Fragestellungen an heutige Höchstleistungsrechner untersucht und exemplarisch dargestellt.

Drittmittelgeber:

DFG, NASA, NSF (National Science Foundation, USA)

Beteiligte Wissenschaftler:

Prof. Dr. Ulrich Hansen, Dr. Jörg Schmalzl, Dr. R. Trompert (Amsterdam), Prof. David Yuen (Minneapolis), Prof. S. Balachandar (Illinois)

Veröffentlichungen:

Hansen, U. und D.A. Yuen: Extended-Boussinesq thermal-chemical convection with moving heat sources and variable viscosity, Earth Planet. Sci. Lett., 176, 401-411, 2000.

Yuen, D.A., S. Balachandar und U. Hansen: Modeling Mantle Convection: A significant challenge in Geophysical Fluid Dynamics, in: Geophysical and Astrophysical Convection (R. Kerr editor), Gordon and Breach Science Publishers, 2000.