Untersuchungen zur Mantelkonvektion in sphärischer Geometrie unter Einbeziehung stark temperaturabhängiger Viskosität
Final Report Abstract
Konvektionsströmungen im Erdmantel stellen den Antriebsmechanismus der Plattentektonik dar. Darüber hinaus beeinflussen sie weitreichend die thermische und chemische Entwicklung des Planeten. Bei der Erforschung der Erddynamik, im Speziellen der Mantelkonvektion, spielen numerische Untersuchungen eine Schlüsselrolle. Wegen der immensen räumlichen und zeitlichen Skalen, lässt sich dieses Phänomen kaum im Labor erforschen. Die nichtlineare Natur der Konvektion macht eine rigorose mathematische Beschreibung unmöglich. Numerische Modelle haben sich, nicht zuletzt wegen der enormen Leistungssteigerung der Rechner in den letzten Jahren, als wichtigste Untersuchungsmethode etabliert. Die meisten Konvektionsmodelle beschreiben thermische Konvektion in einer kartesischen Geometrie. Im Hinblick auf die Erde ist es notwendig, sphärische Modell zu verwenden. Dies ist schwierig, insbesondere im Zusammenhang mit der Annahme einer realistischen Rheologie. Viele Details des rheologischen Verhaltens von Mantelmaterial sind noch ungeklärt, es gilt allerdings als sicher, dass die Viskosität des Mantelgesteins sehr stark (d. h. über viele Größenordnungen) von der Temperatur abhängt. Dieses Verhalten ist typisch für Konvektionsphänomene, die im Inneren von Planeten stattfinden und findet keine Entsprechung in dynamischen Phänomenen in der Atmosphäre oder den Ozeanen. Die Umsetzung dieser Gegebenheiten in numerische Modelle ist schwierig - nur wenige numerische Verfahren erlauben die Einbeziehung einer derart stark temperaturabhängigen Viskosität. Diese Problematik wurde im abgeschlossenen Projekt angegangen. Es wurde, aufbauend auf unsere Erfahrungen im Bereich der numerischen Geodynamik, ein Modell entwickelt, dass die Simulation von Konvektionsströmungen mit stark temperaturabhängiger Viskosität in sphärischer Geometrie erlaubt. Dies bedeutet einen wichtigen Schritt, hin zur Untersuchung erdrelevanter geodynamischer Prozesse. Auf verschiedenen Workshops konnte die hohe Leistungsfähigkeit des Verfahrens demonstriert werden - es erfolgte eine umfangreiche Publikation der Ergebnisse in einer international angesehenen Fachzeitschrift. Ein wesentlicher nächster Schritt, wäre die Einbeziehung einer Rheologie, die selbstkonsistent zur Ausbildung von Plattentektonik führt. Dieser Schritt soll erst jetzt in meiner Arbeitsgruppe unternommen werden.
Publications
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A new method to simulate convection with strongly temperature- and pressure-dependent viscosity in a spherical shell: Applications to the Earth's mantle.
Physics of the Earth and Planetary Interiors 157 (2006) 223-249
K. Stemmer, H. Harder, U. Hansen
