Mantelkonvektion     (English: click here)
(H. Schmeling)

Das Erdinnere ist heiß. Die Wärmequellen stammen aus der Frühzeit der Erdentstehung (Anfangswärme) und aus dem heute noch andauernden Zerfall langlebiger radioaktiver Elemente im Erdmantel. Bei hohen Temperaturen verhält sich Erdmantelgestein zähplastisch oder viskos (mit einer hohen Zähigkeit). Wenn man eine viskose Flüssigkeit in einen Behälter füllt und sie von unten erwärmt, so setzt thermische Konvektion ein. Tatsächlich befindet sich der Erdmantel im Stadium heftiger thermischer Konvektion, und wir können die Auswirkungen an der Erdoberfläche in Form des wohlbekannten Musters sich bewegender Lithosphärenplatten erkennen, der Plattentektonik.

Was ist nun thermische Konvektion?

In einer viskosen Flüssigkeit, die von unten oder von innen geheizt und von oben abgekühlt wird, führen Temperaturunterschiede zu thermischer Ausdehnung bzw. Kontraktion. Die resultierenden Dichteunterschiede in der Flüssigkeit rufen Auftriebskräfte hervor, die thermische Konvektion antreiben. Die Heftigkeit thermischer Konvektion wird durch die sogenannte Rayleighzahl, Ra, beschrieben.

Wir können thermische Konvektion untersuchen, indem wir die zugehörigen mathematischen Gleichungen auf dem Computer lösen. Als Beispiel zeigt die Animation unten eine konvektierende Schicht mit Ra = 10**6, konstanter Viskosität, von unten geheizt. In dieser Animation ist die Schicht zunächst kalt, der Boden wird plötzlich auf eine konstante heiße Temperatur gebracht. Eine kleine Störung ist eingebaut, die die Strömung anwirft, und es bildet sich ein heißer Plume aufsteigenden Materials in der Modellmitte. Weitere Plumes starten wenig später am Boden. Im späteren Stadium bilden sich außerdem kalte Tropfen oder Plumes an der Oberseite, die nach unten sinken. Klicken Sie auf den folgenden link für die mpeg-Animation:

Konvektionsanimation, geheizt von unten  (mpg,1.3 Mbyte)

Im zweiten Beispiel wird die Box nicht von unten geheizt, sondern von innen, z.B. durch radiogene Erwärmung. In diesem Fall bildet sich eine kalte thermische Grenzschicht an der Oberseite aus, und kalte Plumes bilden sich, die in das Innere absinken. Keine heißen Plumes werden am Boden erzeugt, die Aufströmung findet in den breiten Bereichen zwischen den abströmenden Tropfen statt.

 Konvektionsanimation, geheizt von innen (mpg, 2.0 Mbyte)

Im dritten Beispiel wird von innen und -etwas schwächer - von unten geheizt. Die sinkenden blobs oder Plumes dominieren, aber auch einige schächere warme aufsteigende Plumes können beobachtet werden. Von der drei gezeigten Fällen ist wohl der dritte der für den Erdmantel wahrscheinlichste.
 

 Konvektionsanimation, geheizt von innen und unten (mpg, 3.9 Mbyte)



Mantle convection   (German: click here)
(H. Schmeling)

The earth's interiour is hot. Sources of this heat stem from the early times of the earth (primordial heat) and from ongoing radioactive decay of long lived radiogenic isotopes within the earth's mantle. At high temperatures mantle rock behaves like a highly viscous fluid. If you put a viscous fluid into a container and heat it up, thermal convection will start. In fact, the earth's mantle is in the state of vigorous thermal convection, and we can see its surface expression directly as the well known pattern of moving lithospheric plates - plate tectonics.

But what is thermal convection?

In a viscous fluid, which is heated from below or within and cooled from above, temperature differences lead to thermal expansion and contraction. The resulting density differences in the fluid produce buoyancy forces, which drive thermal convection. The vigour of thermal convection is described by the Rayleigh number, Ra.

We can study thermal convection by solving the governing mathematical equations on the computer. As an example, the animation below shows a convecting layer with Ra = 10**6, constant viscosity, heated from below. In this animation the fluid starts as a cold layer, whose bottom temperature is suddenly increased to a constant hot value. A small perturbation gives rise to a hot plume of rising material in the centre. Further plumes start off from the bottom. At a later stage, also cold blobs form at the top and sink down. Click on the link below for the mpeg-animation.

 Convection animation, heated from below (mpg,1.3 Mbyte)

In the second example, no heat is allowed to enter the box. Instead it is heated from within e.g. by radiogenic heating. In this case a cold thermal boundary layer forms at the top, and cold plumes form. No hot plumes are generated at the bottom, the upwelling occurs in wide regions between the downwelling blobs.

 Convection animation, heated from within (mpg, 2.0 Mbyte)

In the third example, heating is from within and - weaker - from below. Consequently, the sinking blobs dominate the flow, but also some rising plumes are observed. This case seems to be the most likely case for the earth's mantle.

 Convection animation, heated from within and from below (mpg, 3.9 Mbyte)
 



H. Schmeling, Last modified April 4, 2002