Thermische Entwicklung und Dynamik des Inneren von Planeten und Monden

Projekt-ID: TED-IPM

Projektbeschreibung

Die innere Dynamik von Gesteinsmänteln und Eishüllen ist mit den an der Oberfläche beobachteten Strukturen durch Prozesse wie partielles Aufschmelzen, Krustenbildung und Manteldifferenzierung sowie die Bildung und Entwicklung von Heterogenitäten (z.B. verarmtes Gesteinsmantelmaterial oder Salze und andere Verunreinigungen in der Eishülle) verbunden,
Wir konzentrieren uns auf die Modellierung der thermochemischen Konvektion in den Mänteln von Merkur, Venus, Mond und Mars sowie in der Eishülle des Jupitermondes Europa. Wir untersuchen die innere Dynamik von Gesteinsmänteln und Eishüllen mit dem Mantelkonvektionscode GAIA (Abb. 1) - Generic Automaton for planetary Interior Analysis (Hüttig et al., 2013).

Merkurs Rotation ist eine besondere - der Planet dreht sich dreimal um seine Achse für jeweils zwei Umläufe um die Sonne. Dies führt zu spezifischen Oberflächentemperaturschwankungen mit heißen und kalten Regionen um den Äquator und an den Polen. Wir modellieren die Auswirkungen der Krustendicke und der Oberflächentemperaturschwankungen auf die innere Dynamik und die langfristige thermochemische Entwicklung des Merkur. Unsere Modelle (Abb. 2) können zur Vorhersage des Wärmeflusses an der Oberfläche des Planeten und an seiner Kern-Mantel-Grenze verwendet werden. Letzteres ist wichtig, um die Entwicklung des Merkurkerns zu verstehen und zu begreifen, warum Merkur neben der Erde der einzige Gesteinsplanet in unserem Sonnensystem ist, der heute ein aktives Magnetfeld hat.

Ausgedehnte Ausgasungen und ein Treibhauseffekt, wie er auf der Venus zu beobachten ist, können die Oberflächenmobilisierung und damit das Innere eines Planeten direkt beeinflussen. Die Rückkopplung zwischen Atmosphäre und Mantel kann recht komplex sein, so dass gekoppelte Innen-Atmosphären-Modelle (van Zelst et al., 2022) notwendig sind, um die thermochemische Entwicklung der Venus und Venus-ähnlicher Exoplaneten zu untersuchen (Abb. 3). Darüber hinaus können unsere Modelle zur Ableitung von Parametern wie dem thermischen Zustand der Lithosphäre (Vaujour et al., 2022) oder der Deformation des Planeten (Walterova et al., 2021) verwendet werden. Diese können als Grundlage für künftige Messungen im Rahmen der kürzlich ausgewählten Venus-Missionen dienen (Ghail et al. 2016; Smrekar et al., 2019).

Während seiner frühen Entwicklung erlebte der Mond aufgrund der großen Wärmemenge, die während seiner Entstehung freigesetzt wurde, eine globale Magmaozeanphase. Nach seiner Erstarrung hinterließ dieser Magmaozean einen chemisch geschichteten Mantel mit unterschiedlichen Zusammensetzungsschichten, deren Dichten zur Oberfläche hin zunehmen (Elkins-Tanton et al., 2011). Die anschließende Entwicklung und das Schmelzen dieser Schichten, die zum Umkippen neigen, kann zu der Vielfalt der Zusammensetzungen führen, die für das basaltische Material an der Mondoberfläche beobachtet wird. Wir modellieren die Entwicklung eines heterogenen Mondmantels (Abb. 4), um die Folgen einer Schichtstruktur des Post-Magma-Ozeans auf die spätere thermochemische Entwicklung des Mondes zu verstehen, und vergleichen unsere Ergebnisse mit heutigen Beobachtungen (Bernt et al., 2022).

Auf dem Mars lieferten die jüngsten Messungen der InSight-Mission (Banerdt et al., 2020) noch nie dagewesene Erkenntnisse über die innere Struktur und den thermischen Zustand des Planeten (Knapmeyer-Endrun et al., 2021; Khan et al., 2021; Stähler et al., 2021). Unsere geodynamischen Modelle (Abb. 5a & 5b), die sich mit der thermochemischen Geschichte des Mars befassen, werden verwendet, um die verfügbaren Daten in einem globalen Kontext zu interpretieren und die Auswirkungen der Manteldynamik und des gegenwärtigen thermischen Zustands auf die seismischen Beobachtungen zu verstehen (Plesa et al., 2021). Unter Berücksichtigung zusätzlicher geologischer, geophysikalischer und geochemischer Randbedingungen zielen unsere Modelle darauf ab, die thermochemische Entwicklung des Mars auf globaler Ebene zu rekonstruieren.

Es wird angenommen, dass die thermochemische Konvektion und die Umverteilung von Salzen innerhalb der Eishülle von Europa eine wichtige Rolle für die chemischen Heterogenitäten spielen, die durch die Messungen des Nahinfrarot-Mapping-Spektrometers (NIMS) von Galileo auf der Oberfläche von Europa festgestellt wurden (Carlson et al., 1992). Die Umverteilung von Salzen kann zur Bildung von Solen führen, deren Stabilität und Verteilung innerhalb der Eishülle nur unzureichend bekannt ist. Wir modellieren die Konvektion in der Eishülle von Europa (Abb. 6, Plesa et al., 2020), um die Bildung und Entwicklung von Solenestern zu verstehen, die letztlich wichtig sind, um das astrobiologische Potenzial des Jupitermondes Europa zu bewerten.
 

Literaturangaben

Banerdt, W. B., Smrekar, S. E., Banfield, D., Giardini, D., Golombek, M., Johnson, C. L., ... & Wieczorek, M. (2020). Initial results from the InSight mission on Mars. Nature Geoscience, 13(3), 183-189.

Bernt, I., Plesa, A.-C., Schwinger, S., Collinet, M., & Breuer, D. (2022). Effects of Magma Ocean Crystallization on the Long-Term Thermochemical Evolution of the Moon. In Lunar and Planetary Science Conference (No. 1471).

Carlson, R. W., Weissman, P. R., Smythe, W. D., & Mahoney, J. C. (1992). Near-infrared mapping spectrometer experiment on Galileo. In The Galileo Mission (pp. 457-502). Springer, Dordrecht.

Elkins-Tanton, L. T., Burgess, S., & Yin, Q. Z. (2011). The lunar magma ocean: Reconciling the solidification process with lunar petrology and geochronology. Earth and Planetary Science Letters, 304(3-4), 326-336.

Ghail, R., Wilson, C. F., & Widemann, T. (2016, October). EnVision M5 venus orbiter proposal: Opportunities and challenges. In AAS/Division for Planetary Sciences Meeting Abstracts# 48 (Vol. 48, pp. 216-08).

Hüttig, C., Tosi, N., & Moore, W. B. (2013). An improved formulation of the incompressible Navier–Stokes equations with variable viscosity. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 220, 11-18.

Khan, A., Ceylan, S., van Driel, M., Giardini, D., Lognonné, P., Samuel, H., ... & Banerdt, W. B. (2021). Upper mantle structure of Mars from InSight seismic data. Science, 373(6553), 434-438.

Knapmeyer-Endrun, B., Panning, M. P., Bissig, F., Joshi, R., Khan, A., Kim, D., ... & Banerdt, W. B. (2021). Thickness and structure of the martian crust from InSight seismic data. Science, 373(6553), 438-443.

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Plesa, A.-C., Bozdağ, E., Rivoldini, A., Knapmeyer, M., McLennan, S. M., Padovan, S., ... & Spohn, T. (2021). Seismic velocity variations in a 3D Martian mantle: implications for the InSight measurements. Journal of Geophysical Research: Planets, 126(6), e2020JE006755.

Smrekar, S., Hensley, S., Dyar, D., & Helbert, J. (2019). VERITAS (Venus Emissivity, Radio science, InSAR, Topography And Spectroscopy): a proposed discovery mission.

Stähler, S. C., Khan, A., Banerdt, W. B., Lognonné, P., Giardini, D., Ceylan, S., ... & Smrekar, S. E. (2021). Seismic detection of the martian core. Science, 373(6553), 443-448.

van Zelst, I., Plesa, A.-C., Brachmann, C., & Breuer, D. (2022). Exploring Feedbacks Between the Interior and Atmosphere of Venus: CO2 and H2O. In Lunar and Planetary Science Conference (No. 1027).

Vaujour, T., Plesa, A.-C., Walterova, M., & Breuer, D. (2022). Thermal Evolution, Magmatic Style, and Tidal Deformation of Venus. In Lunar and Planetary Science Conference (No. 1422).

Walterova, M., Plesa, A. C., Baumeister, P., Breuer, D., & Wagner, F. (2021). Coupled Thermal Evolution and Tidal Deformation of Venus. In AGU Fall Meeting (No. P45E-2482).