Die Wärmeentwicklung terrestrischer Körper wird stark von der Art, auf welche die Wärme vom Inneren zur Oberfläche transportiert wird, beeinflusst. Wärme kann durch Konduktion und/oder Konvektion transportiert werden. Der konduktive Wärmetransport dominiert in der Außenschicht eines Planeten, z. B. in der Lithosphäre, während konvektiver Wärmetransport im Allgemeinen im Inneren, z. B. im Mantel und Kern, überwiegt.
Figure 1: Temperaturfeld einer 3D-Simulation in sphärischer Geometrie und einer 2D-Simulation in einer kartesischen Box.
Thermische Konvektion tritt infolge von Dichteveränderungen der Materie auf, welche von Temperaturschwankungen verursacht werden. Heißes Material steigt aufgrund der im Vergleich zum Umgebungsmaterial geringeren Dichte zur Oberfläche auf, kühle Materie sinkt in Richtung Kern. Dieser konvektive Wärmetransport ist effizienter als der konduktive Wärmetransport. Solange der Planet im Inneren genügend heiß ist, kann eine globale Zirkulation aufrechterhalten werden. Zusätzlich zur thermischen Konvektion kann auch chemische Konvektion in einem terrestrischen Planeten stattfinden. Sie wird durch Dichteschwankungen aufgrund von Unterschieden in der Zusammensetzung verursacht: dichte Materie sinkt und leichte steigt auf.
Der Mantel terrestrischer Planeten besteht aus Gestein, welches in einigen Regionen teilweise geschmolzen, im großen Teil des Mantels jedoch fest ist. Bei kurzzeitig wirkenden (~1s) Kräften wie seismischen Wellen verhält sich der Mantel wie ein elastischer Festkörper. In geologischen Zeiträumen (~100 Ma) verhält sich das Gestein jedoch wie eine viskose Flüssigkeit und erlaubt globale Zirkulation im Mantel. Diese inneren Bewegungen können Spuren an der Oberfläche zurücklassen, zum Beispiel in Form von tektonischen Strukturen wie Verwerfungen und Bergen, horizontalen Plattenbewegungen oder Vulkanen.
Thermische Konvektion in terrestrischen Planeten wird durch interne Wärmequellen angetrieben. Die Wärme stammt von der Akkretion, dem Zerfall radioaktiver Elemente, Gezeitendissipation und der gravitativen Energie, welche während der Differentiation in Kern, Mantel und Kruste freigesetzt werden. Die relative Bedeutung einer jeden Wärmequelle ist eine Funktion der Zeit und kann bei terrestrischen Planeten variieren. Erwähnt werden muss auch, dass die Strahlungswärme der Sonne, obwohl sie um Größenordnungen stärker sein kann als die innere Wärme, keinen Effekt auf tiefe interne Veränderungen eines planetaren Körpers hat. Die Strahlungswärme der Sonne dringt nur wenige hundert Meter unter die Oberfläche und treibt nur Prozesse nahe der Oberfläche an. Thermische und chemische Konvektion bieten die Rahmenbedingungen zur Untersuchung von planetaren Magnet- und Gravitationsfeldern, dem Wärmefluss an der Oberfläche, der Verteilung von Vulkanen und dem tektonischem Aufbau, der Geo- und Kosmochemie und der Mineralienphysik.
Kontakt: Prof. Doris Breuer