マントル対流の動画

粘性率一定対流…レイリー数(Ra)と対流層のアスペクト比の変化

Ra = 104, アスペクト比1
Ra = 106, アスペクト比1
Ra = 107, アスペクト比4
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対流層のアスペクト比が小さい場合に起こる定常対流。 対流層のアスペクト比が小さい場合における高レイリー数での定常対流。上昇・下降プルームの太さは細くなる。 対流層のアスペクト比が大きい場合に起こる非定常対流。レイリー数は実際の地球マントルの値と同程度。

粘性率が温度に依存する場合の対流…対流層上下面の粘性率比(γ)の変化

γ = 102, アスペクト比1
γ = 104, アスペクト比1
γ = 106, アスペクト比1
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上下面の粘性率比が小さい場合に現れる「低粘性率比型」対流(small-viscosity-contrast regime convection)。 一様粘性率の場合とほとんど変わらない対流パターン。 上下面の粘性率比が中間程度の場合に現れる「遷移型」対流(transitional regime convection)。 粘性率比が弱い場合(左)と強い場合(右)の中間的な状態を示す対流パターン。 (アスペクト比が大きい場合の対流はこちらの静止画をご覧下さい。) 上下面の粘性率比が大きい場合に現れる「停滞リッド型」対流(stagnant-lid regime convection)。 上面の境界層(リッド)が高粘性のために全く動かなく、その下の対流とデカップルしている。

内部発熱がある場合の対流

Q = 10, 底面断熱
Q = 10, 底面一定加熱
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初期条件は熱伝導解+微小擾乱。底面の加熱なし。下面からの積極的な上昇プルームは見られない。 温度ゼロ(上面と同じ温度)の初期条件から下面を一定に加熱させた場合。マントルの温度が徐々に上昇し、下面から積極的な上昇プルームが発達する。

二次元極座標モデルでのマントル対流:相変化の効果と粘性率の圧力(深さ)依存性の効果

410km相変化と660km相変化の効果
相変化+660km相転移面での粘性率ジャンプの効果
相変化+下部マントル内で粘性率が深さに従い徐々に増加する効果
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動画(13.4MB)
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410km相変化のクラペイロン勾配(γ)と相浮力パラメータ(P)は、γ=+2.0MPa/K、P=2.0、 610km相変化のクラペイロン勾配(γ)と相浮力パラメータ(P)は、γ=-2.5MPa/K、P=1.4 410km相変化と660km相変化のパラメータは左に同じ。下部マントルの粘性率は上部マントルの粘性率の50倍 410km相変化と660km相変化のパラメータは左に同じ。下部マントル最下部の粘性率は下部マントル最上部の粘性率の50倍

三次元球殻内のマントル対流

レイリー数=7×103、「六面体型」定常対流
レイリー数=107、無次元内部発熱量=10
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無次元温度0.5の等温度面(緑色)。 黄色と緑色の等値面は各深さでの平均温度との差(温度異常、δT)を表す。 黄色はδT=+0.08、水色はδT=−0.08。中心の赤い球はコアの位置。

マントルプルームの発生

粘性率が空間的に一定
上部・下部マントルの粘性率比が約60倍
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透明の黄色の等値面は温度が1250℃、橙色(透明の黄色の内側にある赤色)の等値面は温度が1500℃、青色の等値面は温度異常が−250℃。 透明の黄色の等値面は温度が1375℃、橙色(透明の黄色の内側にある赤色)の等値面は温度が1625℃、青色の等値面は温度異常が−250℃。