Schichtbildende Prozesse im Hinblick auf die Entwicklung von planetaren Mänteln

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Hansen
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252309337

In vielen natürlichen Systemen ist Schichtbildung ein häufig zu beobachtendes Phänomen. Dabei sind diskrete Schichten übereinander angeordent und durch scharfe Grenzen getrennt. Sie können von relativ kleinen Skalen wie Magmakammern und Intrusionen, bis hin zu globalen Skalen, wie den Erdozeanen und auch planetaren Mänteln reichen. Für die Erde wird besonders die Trennung des Mantels in einen oberen und unteren Teil bis heute kontrovers diskutiert. Darüber hinaus gilt die Existenz weiterer Schichten im Erdmantel, die bis heute nicht eindeutig nachgewiesen werden können, als wahrscheinlich. Der endotherme Phasenübergang von Spinell zu Perovskit in ca. 670km Tiefe wurde als potenzieller Mechanismus gesehen, die Konvektionsströme im oberen und unteren Mantel trennen. Frühe numerische Arbeiten dazu zeigen jedoch, dass für erdrelevante Verhältnisse eine dauerhafte Trennung nicht zu erwarten sei. Doppelt-diffusive Konvektionsströme (d.d.K.), bei denen die Dichte durch mindestens zwei unterschiedlich schnell diffundierende Komponenten bestimmt wird, lassen unter vielen Umständen, dynamisch selbstorganisiert, Schichtungen entstehen. Identifiziert man die eine Komponente als Wärme, die andere als chemische Konzentration (etwa schwerere Materialen), so wird es wahrscheinlich, dass d.d.K. eine wesentliche Rolle für die Manteldynamik spielen, insbesondere bei der Ausbildung von Schichten.Im Rahmen des hier beantragten Projektes wollen wir die Schichtbildung durch doppelt-diffusive Konvektion im Erdmantel untersuchen. Dabei soll die selbstorganisierte Ausbildung von Schichten durch d.d.K. in Kombination mit einer endothermen Phasengrenze betrachtet werden. Dazu soll eine bestehendes Modell zur doppelt-diffusiven Konvektion um den Einfluss einer Phasengrenze erweitert werden. Ein weiterer Schwerpunkt besteht in der Untersuchung von Schichtbildung unter Einbeziehung einer mantelrealistischen Rheologie. Dies ist ein entscheidender Schritt hin zu einem besseren Verständnis über die Entwicklung des Erdmantels und den heute zu beobachteten Oberflächensignalen (Plattentektonik, Geochemie, Wärmestrom etc.) und wurde, unseres Wissens nach, noch von keinem Bearbeiter unternommen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen