Zusammenfassung: Zweiphasenströmung im oberen Erdmantel und chemische Differentiation
Zweiphasenströmung im oberen Erdmantel und chemische Differentiation
Norbert Gründer
Zusammenfassung
Konvektion ist die wichtigste Form des Wärmetransports im Erdmantel. Die Heizung von innen wird durch partielles Schmelzen und durch die dadurch verursachte Neuverteilung der radioaktiven Quellen modifiziert. Zur Beschreibung der Konvektion (durch Zweiphasenströmung) und der Auswirkungen auf die Konzentrationsverteilung der Radionuklide im oberen Erdmantel wird ein selbstkonsistentes Modell benutzt. Die Erhaltungsgleichungen der Energie, des Impulses, der Masse und der Atomanzahlen der wesentlichsten Radionuklide und ihrer Zerfallsprodukte werden verwendet, um die Fließgeschwindigkeiten, Temperaturen und Konzentrationen sowohl der festen Matrix als auch des längs der Korngrenzen strömenden fluiden Materials als Funktionen des Ortsvektors und der Zeit zu bestimmen. Den Zusammenhang zwischen den Mikro- und Makrogeschwindigkeiten vermittelt das Darcy-Gesetz. Die Viskosität wird als Funktion der Temperatur und des Drucks behandelt. In den Modellen wird sowohl das Verhalten der festen Matrix als auch das der Schmelze berechnet.
Das prinzipielle Ziel dieser Arbeit ist die Modellierung des Einflußes einer Zweiphasenströmung auf die Entwicklung des Erdmantels. Die Berechnungen beruhen auf einer realistischen Verteilung der für die Wärmeproduktion hauptverantwortlichen Elemente. Diese Verteilung ändert sich durch die thermische Mantelkonvektion und die chemische Segregation im Laufe der Erdgeschichte. Es bildet sich ein an Radionukliden verarmter oberer Erdmantel. Realistische Verteilungen der Temperatur, der Viskosität und der Geschwindigkeiten konnten berechnet werden. Der Wärmestrom an der Oberfläche des Modells hat eine akzeptable Nähe zum realen Wärmestrom an der Erdoberfläche. Der Einfluß der Variation der Parameter wurde am Beispiel der Geschwindigkeit der Schmelze, als einer der empfindlicheren Größen, untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß leichte Änderungen von Parametern des aufgestellten Modells nicht zu elementaren Störungen führen und der Mechanismus prinzipiell stabil funktioniert. Vergleiche der berechneten Ergebnisse mit den Resultaten anderer Modelle, die die thermische und geochemische Entwicklung der Erde untersuchten, zeigen eine gute Übereinstimmung.
Citation: Norbert Gründer. Zweiphasenströmung im oberen Erdmantel und chemische Differentiation, Dissertation, Friedrich-Schiller-Univ. Jena, 1999.