Thermische Entwicklung der Erde

Seit ihrer heißen Entstehung hat sich die Erde durch Konvektion der inneren Wärme abgekühlt, eine lange thermische Geschichte, die die Verlangsamung der Plattentektonik, das Wachstum des inneren Kerns und die Langlebigkeit des Magnetfeldes steuert.

Definition

Die thermische Entwicklung der Erde ist die säkulare Änderung der Temperatur und des Wärmegehalts ihres Inneren über geologische Zeiträume, bestimmt durch den Wettbewerb zwischen innerer Wärmeerzeugung und konvektivem Wärmeverlust, der die Geschichte der Mantelkonvektion, der Kernabkühlung und des Magnetfeldes steuert.

Scope

Dieses Thema behandelt die langfristige thermische Geschichte der Erde: das Gleichgewicht zwischen durch Radioaktivität und primordialen Quellen erzeugter Wärme und an der Oberfläche verlorener Wärme, parametrisierte Modelle, wie sich die Manteltemperatur und die konvektive Aktivität entwickeln, und die Abkühlung des Kerns, die das Wachstum des inneren Kerns und den Geodynamo antreibt. Es behandelt die Einschränkung, dass der konvektive Wärmeverlust von der Mantelviskosität und damit von der Temperatur abhängt, die thermische Kopplung von Mantel und Kern und die Implikationen für die tektonische und magnetische Geschichte des Planeten. Der Schwerpunkt liegt darauf, wie sich die innere Wärme der Erde über Milliarden von Jahren verändert hat.

Core questions

• Wie hat sich das Gleichgewicht von Wärmeerzeugung und -verlust in der Erdgeschichte verändert?
• Wie reguliert die temperaturabhängige Viskosität die Abkühlung des Mantels?
• Wie treibt die Kernabkühlung das Wachstum des inneren Kerns und den Geodynamo an?
• Was impliziert die thermische Entwicklung für die Geschichte der Plattentektonik?

Key concepts

• Säkulare Abkühlung und der Wärmehaushalt der Erde
• Parametrisierte Konvektionsmodelle
• Temperaturabhängige Viskosität und Selbstregulation
• Kernabkühlung und Wachstum des inneren Kerns
• Thermische Geschichte der Plattentektonik

Key theories

Parametrisierte konvektive Abkühlung

Da der konvektive Wärmeverlust mit der Manteltemperatur durch die Temperaturabhängigkeit der Viskosität zunimmt, reguliert sich der Mantel selbst: Ein heißerer früher Mantel konvektierte und kühlte schneller ab, sodass Modelle den Wärmefluss gegen die Rayleigh-Zahl parametrisieren, um die Abkühlungsgeschichte des Planeten zu verfolgen.

Kernabkühlung und der Geodynamo

Wenn der Mantel dem Kern Wärme entzieht, kühlt der Kern ab und der innere Kern kristallisiert, wodurch latente und gravitative Energie freigesetzt wird, die den Geodynamo antreibt; der Zeitpunkt der Nukleation des inneren Kerns ist eine wichtige Einschränkung für die lange Geschichte des Feldes.

Mechanisms

Die Erde entstand heiß durch Akkretion und Kernbildung und hat seitdem schneller Wärme verloren, als die Radioaktivität sie liefert, sodass sie sich langsam abkühlt; da die Mantelviskosität mit steigender Temperatur abnimmt, konvektiert ein heißerer Mantel heftiger und kühlt schneller ab, was eine negative Rückkopplung darstellt, die die Abkühlung glättet, während dem Kern entzogene Wärme seine Temperatur senkt, den inneren Kern gefrieren lässt und die Konvektion aufrechterhält, die das Magnetfeld antreibt.

Clinical relevance

Die thermische Entwicklung verknüpft den Energiehaushalt der Erde mit der Geschichte und Zukunft der Plattentektonik, des Vulkanismus und des Magnetfeldes, bildet den Rahmen für Vergleiche mit den divergenten Geschichten von Venus und Mars und beeinflusst die langfristige planetare Bewohnbarkeit.

History

Kelvins Abkühlungsberechnung ergab ein bekanntermaßen niedriges Alter für die Erde, bevor bekannt war, dass Radioaktivität innere Wärme liefert; moderne parametrisierte Konvektionsmodelle aus dem späten zwanzigsten Jahrhundert, zusammen mit Einschränkungen des inneren Kernwachstums und der Kernenergetik, etablierten das aktuelle Bild eines selbstregulierenden, langsam abkühlenden Planeten.

Debates

Alter des inneren Kerns und thermischer Kernhaushalt

Revidierte Schätzungen der hohen Wärmeleitfähigkeit des Kerns implizieren einen schnellen Wärmeverlust und einen geologisch jungen inneren Kern, was die Frage aufwirft, wie der Geodynamo vor der Nukleation des inneren Kerns angetrieben wurde, und Vorschläge wie einen basalen Magmaozean oder alternative kompositionelle Energiequellen hervorruft.

Key figures

• William Thomson (Lord Kelvin)
• Geoffrey Davies
• Stéphane Labrosse

Seminal works

• schubert2001
• jaupart2011
• labrosse2007

Frequently asked questions

Kühlt die Erde ab?

Ja, über Milliarden von Jahren verliert die Erde langsam mehr Wärme, als ihre Radioaktivität produziert, sodass sich ihr Inneres allmählich abkühlt; diese Abkühlung treibt das Gefrieren des inneren Kerns an und wird in sehr ferner Zukunft die Konvektion schwächen, die die Plattentektonik und das Magnetfeld antreibt.

Wie hängt die Abkühlung der Erde mit ihrem Magnetfeld zusammen?

Die Abkühlung des Kerns lässt den inneren Kern kristallisieren, wodurch Wärme und leichte Elemente freigesetzt werden, die den flüssigen äußeren Kern umrühren; diese Konvektion ist es, die den Geodynamo aufrechterhält, sodass die thermische Entwicklung des Planeten eng mit der Stärke und dem Fortbestehen des Magnetfeldes verbunden ist.