Numerical experiments of mantle convection of massive terrestrial planets: roles of interactions between adiabatic compression and changes in physical properties

大质量类地行星地幔对流的数值实验：绝热压缩与物理性质变化之间相互作用的作用

基本信息

批准号：
22K03702
负责人：
亀山真典
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Ehime University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

太陽系外巨大地球型惑星のマントルダイナミクスの理解に向けて、今年度は対象とする惑星のサイズを段階的に変えながらマントル対流の数値シミュレーションを実施した。数値シミュレーションモデルとして、2次元箱型あるいは2次元半円環領域をとり、非弾性流体近似 (TALA) のもとでの圧縮性流体の熱対流を考える。流体の粘性率は温度に依存するとし、内部熱源はないものとする。本研究では、地球サイズから最大で地球の10倍の質量をもつスーパー地球をモデル化の対象とするが、考える惑星サイズの増加に合わせて、熱対流のレイリー数や断熱圧縮の効果の強さ、さらにはマントル内部における熱力学量 (熱膨張率・基準密度) の分布も変化するようにしてある。シミュレーションの結果、惑星サイズが増加するとともに、断熱圧縮の影響がマントルの熱対流により強く表われることが確認できた。例えば、惑星サイズが大きくなるほど、そのマントル最深部から上昇する高温のプルームの活発さが失われる様子が観察されたが、このことは断熱温度変化によって流体塊の上下方向の運動が妨げられた結果と理解できる。その一方で、表面の高粘性の低温熱境界層の内部における大局的な歪速度は、惑星サイズによらずほぼ同程度の大きさになっていることも分かった。さらに対流容器の「まるい」効果を加えるとマントル内部の冷却が進み、低温熱境界層の厚みが増していくことも考慮すると、「地球より大きな地球型惑星だから」といってスーパー地球でプレートテクトニクスが起こりやすくなるとは考えにくいと結論づけられる。現在はこの成果を論文へとりまとめる作業を進めている。

为了理解巨型陆地系统中巨型陆地行星的地幔动力学，今年我们进行了披风对流的数值模拟，改变了阶段目标行星的大小。作为数值模拟模型，我们考虑使用二维盒形或二维半圆形环形区域下非弹性流体近似（TALA）下的可压缩流体的热对流。假定流体的粘度取决于温度，并且没有内部热源。在这项研究中，我们对一个超级地球进行了建模，其质量是地球大小的10倍，但是当我们考虑地球大小的增加，热对流的瑞利数量的分布，绝热压缩的效果的强度以及热力学量数量（热膨胀系数和参考密度和参考密度）内部也会发生变化。模拟证实，随着行星尺寸的增加，绝热压缩的影响通过地幔中的热对流强烈表达。例如，已经观察到，行星大小越大，损失的热羽升而升起的热羽流越小，这是由于流体质量的上下移动而导致的，这是由于绝热温度的变化而被视为。另一方面，还发现，表面上高粘性，低温的热边界层内部的广谱应变速率大致相同，而与行星尺寸无关。此外，考虑到对流容器的“圆形”效应将进一步冷却地幔的内部，并且低温热边界层的厚度增加，因此得出的结论是，超级地球上的板块构造不太可能发生，并说“一个比地球更大的星球”。目前，我们正在将这些结果汇编为论文。