Formation and evolution of small planets and moons
小行星和卫星的形成和演化
基本信息
- 批准号:ST/T000163/1
- 负责人:
- 金额:$ 50.06万
- 依托单位:
- 依托单位国家:英国
- 项目类别:Research Grant
- 财政年份:2020
- 资助国家:英国
- 起止时间:2020 至 无数据
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Our research aims to aid understanding of the formation and evolution of smaller terrestrial planetary cores (e.g., Mercury, the Moon, Mars and Ganymede) and the icy moons and smaller bodies of the outer solar system. We shall do this in the following ways: (i) by investigating core crystallisation processes (Project 1), (ii) by determining the physical properties of core-forming materials under the relevant conditions of pressure and temperature (Project 2) and (iii) by investigating the physical properties of icy materials (including their vibrational spectra) at high pressures and very low temperatures (Project 3).Key observables from recent and future missions are surface morphologies, spectroscopic observations, magnetic fields, gravity data and, for the Moon and for Mars (via the current InSight mission) seismic observations. The generation of magnetic fields relies on energy sources which include the release of gravitational energy and latent heat of crystallisation. Detailed understanding of these energy sources in small planetary cores is currently uncertain, as it is not even known whether they crystallise from the bottom up or from the top down, and this has first order implications for dynamo driving mechanisms; these are the main issues to be addressed by Project 1. Key deliverables of this project will be ab initio predictions over the entire pressure-temperature range relevant to the cores of Mercury, Ganymede, Mars and the Moon of: i) the adiabatic temperature gradients and melting curves of iron-alloys, which will allow us to determine the mode of core crystallisation, ii) the densities of the liquids and the liquid-solid density contrast, which contributes to gravitational energy release, and iii) the latent heat of fusion in iron alloy systems.Project 2 is predominantly experimental, and addresses major gaps in our knowledge of the fundamental physical properties of iron alloys and related materials at the conditions found within the smaller planetary cores. If we are to understand planetary evolution, geophysical modelling of planetary interiors - the outputs of which can be tested against data from spacecraft and ground-based observations - is essential, but these geophysical models will be reliable only if the physical properties of the constituent core-forming materials (essentially iron and iron alloys) are accurately known in the relevant pressure and temperature ranges. At present, this is often not the case for the conditions expected in the interiors of the Moon, Mercury, Mars and Ganymede. Surprisingly, even for the simplest approximation - a core of pure iron - the data currently available are inadequate. Key deliverables of the project will be the determination of the phase diagrams and physical properties of iron alloys, especially ternary systems such as Fe-Ni-Si and Fe-S-Si, at pressures up to ~40 GPa. Project 3 addresses a different class of materials - water ice and hydrated sulphate salts - which form the mantles of the icy bodies of the outer solar system. Application of pressure to these readily induces changes in crystal structure and, in the case of the hydrated sulphate salts, can lead to expulsion of water and transformation to a lower hydration state. The consequence of these structural changes is to produce a layered structure within the icy body. In addition, the large volume changes accompanying dehydration may result in global expansion and rifting and/or global contraction and crumpling of the surface. Key deliverables of this project include the phase diagrams, equations of state and thermal and electrical conductivities of these icy materials under the relevant conditions of pressure and temperature. In addition to this we shall determine the vibrational spectra of these various phases which will allow direct comparison with mission data.
我们的研究旨在帮助理解较小的地球行星核心的形成和演化(例如,水星、月球、火星和木卫三)以及太阳系外的冰冷卫星和较小的天体。我们将通过以下方式做到这一点:(i)通过研究核心结晶过程(项目1),(ii)在有关的压力和温度条件下,测定成核材料的物理性质(项目2)和(iii)通过调查冰材料的物理特性(包括它们的振动光谱)在高压和非常低的温度下(项目3).最近和未来飞行任务的关键观测数据是地表形态、光谱观测、磁场、重力数据,用于月球和火星(通过当前的洞察力使命)地震观测。磁场的产生依赖于能量来源,包括重力能和结晶潜热的释放。目前还不确定这些能量来源在小行星核心的详细了解,因为它甚至不知道他们是否结晶自下而上或自上而下,这对发电机驱动机制的一阶影响;这些是项目1要解决的主要问题。该项目的主要交付成果将是对与水星、木卫三、火星和月球核心有关的整个压力-温度范围的从头预测:i)铁合金的绝热温度梯度和熔化曲线,这将使我们能够确定核心结晶的模式,ii)液体的密度和液体-固体密度对比,这有助于重力能量释放,项目2主要是实验性的,并解决了我们在较小行星核心内发现的条件下铁合金和相关材料的基本物理性质的知识中的主要空白。如果我们要了解行星的演化,就必须建立行星内部的地球物理模型-其结果可以对照航天器和地面观测的数据进行检验,但只有在有关压力和温度范围内准确了解构成核心的物质(主要是铁和铁合金)的物理性质的情况下,这些地球物理模型才是可靠的。目前,对于月球、水星、火星和木卫三内部的预期条件,情况往往并非如此。令人惊讶的是,即使是最简单的近似值-纯铁核心-目前可用的数据是不够的。该项目的主要交付成果将是确定铁合金的相图和物理性能,特别是三元系统,如Fe-Ni-Si和Fe-S-Si,压力高达~40 GPa。项目3涉及另一类物质-水冰和水合硫酸盐-它们构成外太阳系冰体的地幔。对这些物质施加压力容易引起晶体结构的变化,并且在水合硫酸盐的情况下,可以导致水的排出和向较低水合状态的转化。这些结构变化的结果是在冰体内产生分层结构。此外,伴随脱水的大体积变化可能导致全球扩张和裂谷和/或全球收缩和表面褶皱。该项目的主要成果包括相图、状态方程以及这些冰材料在相关压力和温度条件下的热导率和电导率。除此之外,我们将确定这些不同阶段的振动光谱,这将允许与使命数据进行直接比较。
项目成果
期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Thermal Properties of Liquid Iron at Conditions of Planetary Cores
行星核心条件下液态铁的热性质
- DOI:10.1029/2021je007015
- 发表时间:2022
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Li Q
- 通讯作者:Li Q
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- 发表时间:2021
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Li Q
- 通讯作者:Li Q
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