Forschungsbericht 1995-96
	Institut für Planetologie Wilhelm-Klemm-Straße 10 48149 Münster Tel.: (0251) 83 - 3 34 96 Fax (0251) 83 - 3 63 01 Geschäftsf. Dir. Prof. Dr. T. Spohn

Forschungsschwerpunkte 1995 - 1996 Fachbereich 19 - Geowissenschaften Institut für Planetologie Planetenphysik (Prof. Dr. T. Spohn, Dr. K. Seiferlin, Dr. V. Steinbach, Privatdozent Dr. D. Wolf)

Numerische Experimente zur Mantelkonvektion in terrestrischen Planeten

Numerische Untersuchungen zu grundlegenden Eigenschaften planetarer Konvektion sowie zum Einfluß von Phasengrenzen auf die Struktur der Konvektion wurden durchgeführt. Es folgt eine Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse.

Die meisten theoretischen Untersuchungen zur Physik des Erdkörpers beruhen auf der Annahme eines adiabatischen Temperaturverlaufs im Inneren des Mantels. Mittels numerischer Simulation konnte gezeigt werden, daß diese Annahme näherungsweise nur für stationäre Strömungen gilt, während die Abweichung vom adiabatischen Temperaturgradienten in stark zeitabhängigen Strömungen lokal bis zu einer Größenordnung betragen kann (Steinbach and Yuen, 1995a). Für rasch ablaufende dynamische Prozeße im Erdinnern ist also die Annahme einer adiabatischen Temperaturverteilung nicht gerechtfertigt.

In Zusammenarbeit mit A. Leitch (Canberra) wurde der Einfluß der Geometrie von Auf- und Abströmen auf ihre Temperatur untersucht (Leitch et al., 1996). Es zeigte sich, daß langgezogene Aufströme (engl. Sheets) wesentlich geringere Temperaturen aufweisen als annähernd zylindrische (Plumes). Die Ausformung der Mantelströmungen hat somit eine entscheidende Bedeutung für die Effektivität des Wärmetransports und damit für die thermische planetare Entwicklung.

Ein weiterer entscheidender Punkt für die thermische Entwicklung der terrestrischen Planeten ist die Existenz von mineralogischen Phasenübergängen. Es konnte gezeigt werden, daß eine stark temperaturabhängige Rheologie des Mantelmaterials im Zusammenwirken mit einem endothermen Phasenübergang (Spinell- Perovskit) zu stark geschichteten Konvektionsstrukturen und damit einer Reduzierung des planetaren Wärmeflusses führt (Steinbach and Yuen, 1995b). Weder eine starke Zunahme der Viskosität mit der Tiefe noch ein sprunghafter Anstieg der Viskosität vom oberen zum unteren Mantel führt zu einer wesentlichen Reduzierung des Grades der Schichtung (Steinbach and Yuen, 1997). Dieses Ergebnis ist gerade für die frühe Phase der Entwicklung von Erde und Venus von großer Bedeutung.

Drittmittelgeber:

Deutsche Forschungsgemeinschaft

Beteiligte Wissenschaftler:

Dr. V. Steinbach, Prof. Dr. T. Spohn, Prof. Dr. D.A. Yuen (Minnesota Supercomputer Institute, Minneapolis), Dr. A. Leitch (Australian National University, Canberra)

Veröffentlichungen:

Steinbach, V., D.A. Yuen, (1995a): The effects of temperature-dependent viscosity on mantle convection with the two major phase transitions, Phys. Earth Planet. Inter., 90, 13-36.

Steinbach, V., D.A. Yuen (1995b): The non-adiabatic nature of mantle convection as revealed by passive tracers, Earth Planet. Sci. Lett., 136, 241-250.

Leitch, A.M., V. Steinbach, D.A. Yuen (1996): Centerline temperature of mantle plumes in various geometries: incompressible flow, J. Geophys. Res., 101, 21829-21846.

Steinbach, V., D.A. Yuen (1997): The influences of temperature- and pressure- dependent lower mantle rheology on the interaction of upwellings with phase-transitions, Phys. Earth Planet Inter., im Druck.