Forschungsbericht 1995-96
	Institut für Geophysik Corrensstraße 24 48149 Münster Tel. (0251) 83 - 3 35 91 Direktoren: Prof. Dres. U. Hansen, M. Lang

Forschungsschwerpunkte 1995 - 1996 Fachbereich 16 - Physik Institut für Geophysik Geodynamik

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 Lithosphären-platten gehören. Weiterhin bestimmen Konvektionsströme entscheidend den Durchmischungs-grad 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. Eine grundsätzliche Untersuchung zum Mischungsverhalten zeitabhängiger Konvektionsströmungen nahm eine zentrale Rolle innerhalb dieser Studien ein. 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. In einer weiteren Studie konnten diese Verfahren eingesetzt werden, um einen theoretisch vorhergesagten Zusammenhang für heftige Konvektionsströmungen in Materialien mit stark temperaturabhängiger Viskosität zu bestätigen. Der äußere Erdkern der Erde (Tiefenbereich 2900 - 5150 km) besteht im wesentlichen aus geschmolzenem Eisen. Es wird angenommen, daß durch die andauernde Differenzierung des inneren Kerns leichtes Material freigesetzt wird und so eine Strömung im äußeren Kern antreibt. Wir haben in einer Studie nachgewiesen, daß unter diesen Umständen die Temperaturschichtung des äußeren Kerns nachhaltig durch Reibungsprozesse (dissipative Wärmeerzeugung) geprägt würden.

Drittmittelgeber:

NWO (Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek)

Beteiligte Wissenschaftler:

Prof. U. Hansen, Dr. J. Schmalzl, Dr. R. Trompert (Utrecht), Prof. D. Yuen (Minneapolis), Prof. G. Houseman (Monash, Australia)

Veröffentlichungen:

Hansen, U., D.A. Yuen: Potential role played by viscous heating in thermal-chemical convection in the outer core, Geochim. Cosmochim Acta, 60, 1113-1123, 1996.

Schmalzl, J., G. Houseman, U. Hansen: Mixing in 3D time-dependent convection, J. Geophys. Res., 191, 847-858, 1996.

Trompert, R.A., U. Hansen: The Application of a finite Volume Multigrid Method to Three- Dimensional Flow Problems in a highly viscous fluid with variable viscosity, Geophys. Astrophys. Fluid Dyn., 83, 261-291, 1996.

--: The simulation of Dynamos on Massive Parallel Computers, in: High Performance Computing and Networking, Lecture Notes in Computer Science, Vol. 1225.

--: On the Rayleigh number dependence of convection with a strongly dependent viscosity, Phys. Fluids, im Druck, 1997