Terrestrial Planet Evolution in the Stagnant-Lid Regime: Size Effects and the Formation of Self-Destabilizing Crust
正在进行的类地系外行星的发现突出了研究各种初始条件下行星演化的重要性。我们进行热演化模拟的一般类地行星的质量范围从火星到10个地球质量的停滞盖制度,最自然的对流模式与强烈的温度依赖性粘度。由于相当大的不确定性周围的地幔流变压力的依赖性,我们选择专注于端元的情况下,压力无关的潜在粘度,粘度不随深度沿绝热温度梯度变化。我们采用主成分分析和线性回归捕捉一阶系统的可能的进化方案,从大量的模拟运行。随着行星质量的增加,地壳厚度和地幔加工的程度都预计会减少,这种尺寸效应也可以通过简单的尺度分析得出。板块构造的可能性是使用考虑到韧性和脆性变形机制的地幔流变学来量化的。与早期的尺度分析一致,岩石圈水化作用的影响主导了行星质量的影响。玄武岩榴辉岩相变的行星地壳的可能性被发现增加与行星质量,我们认为,大规模的类地行星可能会逃脱停滞盖制度,通过形成一个自我不稳定的致密榴辉岩层。
2012-10-14 astro-ph.EP
Blue marble, stagnant lid: Could dynamic topography avert a waterworld?
潮湿的岩石系外行星上的地形可以使陆地高于海平面。虽然陆地的上升是许多复杂过程的产物,但任何地球动力学活跃的行星上的大尺度地形特征都是地表下对流地幔的表现。这种所谓的“动态地形”的存在与行星的构造体制或火山活动无关;它的振幅,在一些假设下,可以通过对流的数值模拟作为地幔瑞利数的函数来估计。我们开发了新的缩放关系的动态地形停滞盖行星使用二维对流模型与温度依赖的粘度。这些缩放适用于一维热历史模型,探讨如何动态地形变化与外行星观测在一个很宽的参数空间。动态地形振幅转换为洋盆容量,即淹没整个表面所需的最小水量。假设水的存量是一个恒定的行星质量分数,那么盆地容量随行星质量的增加比水本身的量增加要小。我们发现,动力支持的地形本身可能足以维持在地球大小的停滞盖行星的地表水库存高达约$10^{-4}$倍的质量,在最有利的热状态。通过只考虑地球上振幅约为1公里的动态地形,这些结果代表了真正的洋盆容量的下限。我们的工作表明,确定性地球物理模型可以告知低质量行星上陆地倾向的变化。
2022-01-14 astro-ph.EP
Redox state and interior structure control on the long-term habitability of stagnant-lid planets
本文通过超过28万次一维耦合模拟,研究停滞盖层行星的地幔氧化还原状态和内部结构如何控制火山排气与地表水的长期维持,发现仅铁-方铁矿缓冲剂附近的狭窄氧化还原范围以及类水星大核结构有利于长期宜居。
2023-06-08 astro-ph.EP
Mercury, Moon, Mars: Surface expressions of mantle convection and interior evolution of stagnant-lid bodies
相对于地球而言,滞盖体内部的演化更容易建模和预测,因为没有与板块构造物理学相关的大的不确定性,其开始时间和地球历史的效率。然而,对这些天体的观测记录相对于地球来说既稀少又稀疏。它仅限于数量有限的样本和对数十亿年之久的表面进行的各种遥感测量,这些表面的实际年龄难以精确确定。因此,将这些观测结果结合成行星内部热和对流演化的连贯图像是一项重大挑战。在这一章中,我们审查的关键过程和(主要是地球物理)观测的限制,可以用来推断全球的地幔对流和热演化的内部的水星,月球和火星,三个主要的地球机构,其中一个停滞的盖子可能存在于整个历史的大部分。
2019-12-11 astro-ph.EP physics.geo-ph
The effect of a biosphere on the habitable timespan of stagnant-lid planets and implications for the atmospheric spectrum
本研究通过模型探讨生物圈对类地停滞盖行星宜居时间跨度的影响,发现生物风化可延长宜居期约10亿年,并在大气光谱中留下可观测的CO₂和CH₄特征,为识别宜居系外行星提供新途径。
2024-12-16 astro-ph.EP
Early habitability and crustal decarbonation of a stagnant-lid Venus
关于金星的早期演化和前10亿年的潜在可居住期,人们知之甚少。特别是,目前还不清楚是否存在板块构造和活跃的碳酸盐-硅酸盐循环。在存在液态水但没有板块构造的情况下,风化作用将仅限于新产生的玄武岩地壳,早期的碳循环仅限于地壳和大气。随着地表水的蒸发,风化作用将停止。随着火山活动的进行,碳酸盐沉积物会被掩埋并下沉。因此,碳酸盐将升温,直到它们变得不稳定,地壳中的碳酸盐将耗尽。随着CO $_2$供应到大气中,表面温度进一步升高,发生脱碳的深度降低,导致更多的CO $_2$释放。我们评估了早期停滞盖金星的适居期采用耦合走廊-大气演化模型占CO $_2$脱气,风化,碳酸盐埋藏,地壳脱碳。我们发现,如果最初的地表条件允许液态水,风化作用可以使地球在9亿年内保持适宜居住的状态,随后是水的蒸发和地壳碳酸盐的快速消耗。对于大气CO $_2$的停滞盖系外行星,我们预测双峰分布,这取决于这些行星是否经历了失控的温室在其历史。大气CO $_2$含量高的行星可能与温室效应失控导致的地壳碳酸盐耗竭有关,而大气CO $_2$含量低的行星则表明硅酸盐风化活跃,因此气候适宜居住。
2021-09-17 astro-ph.EP physics.geo-ph
Scaling Laws for Convection with Temperature-dependent Viscosity and Grain-damage
对流与颗粒损伤的数值实验被用来开发对流热流,地幔速度,和板块速度跨越停滞盖和板块构造制度的标度律。三个主要的情况下,在增加复杂性的顺序:一个简单的情况下,其中粘度仅取决于粒度,粘度取决于温度和粒度的情况下,最后的情况下,粘度是温度和粒度敏感,和晶粒生长(或愈合)也是温度敏感的。在所有情况下,由于颗粒损伤的影响,具有颗粒损伤的对流的尺度不同于牛顿对流。对于完全现实的情况下,数值结果显示停滞盖对流,完全动员对流,类似于温度无关的粘度的情况下,和部分移动或过渡对流,取决于损伤愈合比,瑞利数,和粘度和愈合的活化能。将我们的比例定律应用于地球和金星的完全现实的情况下,我们证明,增加表面温度显着降低板块速度和热流,基本上关闭板块构造,由于增加愈合岩石圈剪切带,如前所述。与许多以前的研究相反,停滞盖和充分动员的制度之间的过渡制度是大的,从停滞盖流动对流的过渡是渐进的和连续的。因此,行星可以表现出全方位的表面流动性,而不是典型假设的完全移动的盖行星和停滞的盖行星的双峰分布。
2014-10-28 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Thermal evolution of rocky exoplanets with a graphite outer shell
光球层C/O >0.65的恒星的原行星盘的化学演化模型和研究难熔碳径向输运的模型预测了具有大难熔碳存量的岩石系外行星的存在。高压高温实验室实验表明,这些系外行星中的大部分碳都分化成了石墨外壳。我们的目的是评估石墨外壳对含有金属核和硅酸盐地幔的岩石系外行星热演化的影响。我们实现了一个参数化的地幔对流模型,以确定石墨层厚度高达1000公里的岩石系外行星的热演化。我们发现,由于石墨的高导热性,传导是石墨层长期演化(> 2亿年)的主要热传输机制。导电石墨壳基本上表现为具有固定厚度的停滞盖。开普勒-37 b(水星大小)和火星大小的系外行星的模型显示,具有石墨盖的行星比具有硅酸盐盖的行星冷却得更快,而没有停滞盖的行星冷却得最快。石墨盖需要比相应的硅酸盐盖厚大约十倍,以便产生类似的热释放。
2019-10-10 astro-ph.EP
Mantle Degassing Lifetimes through Galactic Time and the Maximum Age Stagnant-lid Rocky Exoplanets can Support Temperate Climates
寻找生命的理想系外行星是那些位于恒星宜居带内的行星。然而,即使在宜居带内,行星仍然可以发展出不适合居住的气候状态。在地质($\sim$ Gyr)时间尺度上维持温和的气候需要一个行星包含足够的内能来为行星尺度的碳循环提供动力。岩石行星能量收支的一个主要组成部分是放射性元素衰变产生的热量,特别是$^{40}$ K,$^{232}$ Th,$^{235}$ U和$^{238}$ U。随着地球的老化和这些元素的衰变,这种放射性能源就会减少。在这里,我们估计这些产热元素(HPEs)的数量的概率分布,通过银河系的历史,进入岩石系外行星,结合恒星丰度数据中看到的系统到系统的变化与银河系化学演化模型的结果。使用这些分布,我们进行蒙特卡罗热演化模型,最大限度地提高地幔冷却速率。这使我们能够对一颗岩石状、停滞盖的系外行星的寿命做出悲观的估计,它可以支持全球碳循环和温和的气候,这是它的质量和银河系历史的函数。我们将这个框架应用于17个可能的岩石系外行星的样本,这些行星具有测量的年龄,尽管我们的悲观假设,但我们预测其中7个行星今天可能正在积极脱气。对于剩下的行星,包括那些围绕TRAPPIST-1轨道运行的行星,我们不能自信地假设它们目前含有足够的内部热量,以足以维持全球碳循环或温带气候的速度支持地幔脱气,而无需额外的潮汐加热或经历板块构造。
2022-04-08 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Linking the evolution of terrestrial interiors and an early outgassed atmosphere to astrophysical observations
一颗类地行星在形成过程中是熔化的,如果受到强烈的太阳辐射或潮汐力的影响,它可能会保持这种状态。观测继续有利于探测和表征热行星,可能有大量的脱气大气。我们的目标是确定具有大量脱气大气的热类地行星的半径,并探索熔融和固体硅酸盐行星之间的差异及其对质量-半径关系和透射率和发射光谱的影响。一个走廊-大气模型,结合静态结构计算,跟踪岩石地幔的演化半径,该地幔释放CO $_2$和H $_2$ O。合成的发射和透射光谱产生的CO $_2$和H $_2$ O占主导地位的大气。以CO $_2$为主的气氛抑制H $_2$ O的释气,其程度比以前认识到的更大,因为以前的研究应用了挥发性物质和分压之间的错误关系。因此,我们预测更多的H $_2$ O可以保留在岩浆海洋结晶的后期阶段的内部。此外,在表面处形成盖可以将H $_2$ O的释气与通过盖的热传输效率联系起来,而不是与大气的辐射时间尺度联系起来。地幔凝固时的收缩使$\sim5\%$半径减小,这可以通过向大气中添加相对较轻的物质来部分抵消。我们的结论是,熔融的硅酸盐地幔可以增加类地行星的半径约$5\%$相比,其固体对应物,或相当于占体积密度的$13\%$减少。释气的大气层可以根据其物种形成来扰动总半径。M星周围的类地行星的大气主要由CO $_2$或H $_2$ O组成,可以通过具有扩展波长覆盖范围的观测设施(例如,JWST)。
2019-11-07 astro-ph.EP
Magnetodynamo Lifetimes for Rocky, Earth-Mass Exoplanets with Contrasting Mantle Convection Regimes
我们使用了一个铁的核心的热模型来计算在地球质量的岩石行星,以确定发电机的寿命和强度与不同的地幔构造制度,地面温度,和核心属性的行星的敏感性magnetodynamo演化。在核幔边界(CMB)的热流来自于地幔对流的数值模型与粘性/假塑性流变学,捕捉板状构造的现象。我们的热演化模型预测了地球的长寿命(~8 Gyr)场和具有板块构造的地球质量系外行星的类似发电机演化。升高的地面温度和压力依赖的地幔粘度都降低了CMB热流,但只产生稍微长寿命的发电机(~8-9.5 Gyr)。具有相对较低CMB热流的单板(“停滞盖”)行星产生长寿命(~10.5 Gyr)发电机。这些较弱的发电机可以停止数十亿年,随后由于与内核增长相关的额外熵产生而重新激活,这可能解释了今天金星上没有磁场。我们还表明,发电机的操作是敏感的初始温度,大小和固相线的行星的核心。这些依赖性将严重挑战任何试图根据磁场的存在或不存在来区分具有板块构造和停滞盖的系外行星的尝试。
2013-04-09 astro-ph.EP
Interior convection regime, host star luminosity, and predicted atmospheric CO2 abundance in terrestrial exoplanets
本研究通过耦合地质与大气模型模拟两种地幔对流状态下类地行星的演化,发现两类行星宜居气候占比相近,但可通过探测25颗行星的CO₂丰度(>0.1 bar)以高置信度推断主导对流状态,为未来空间望远镜任务设计提供参考。
2024-12-10 astro-ph.EP
Core and mantle thermal evolution constraints on the onset of plate tectonics and a long-lived geodynamo
Institute of Space Research, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)(空间研究所,德国航空航天中心)
研究通过1D模型探讨地核与地幔热演化,揭示地幔构造起源对地球热磁历史的影响,解决新地核悖论。
2026-08-21 astro-ph.EP physics.geo-ph
The Diversity of Exoplanets: From Interior Dynamics to Surface Expressions
对类地系外行星的大气-走廊耦合系统仍然知之甚少。系外行星的大小、密度、地面温度和内部结构各不相同,这对这一耦合系统产生了重要的连锁效应。许多系外行星被预测在表面有一个“停滞的盖子”,有一个坚硬的静止地壳,缓慢的地幔对流,只有轻微的火山活动。然而,如果系外行星具有类似地球的板块构造,其中包括几个离散的,缓慢移动的板块和强烈的构造岩浆活动,那么这可能对行星的可居住性至关重要,并对银河系中生命的发展(和进化)产生影响。在这里,我们总结了我们目前的知识耦合行星动力学的背景下,系外行星的多样性。
2021-08-18 astro-ph.EP
Planetary thermal evolution models with tectonic transitions
热历史计算为行星内部演化提供了重要的见解,但包含了它们所代表的系统的简化动力学。典型的行星内部包含复杂的流变学,粘性分层,横向不均匀性,以及过程中的时间延迟,这些都不是传统的参数化方法所代表的。在这里,我们开发行星演化的数值模型,结合地球内部的物理复杂性,并使用它们来生成基于几何的Nu-Ra缩放。这些封装的主要影响构造转换,几何形状和深度依赖流变学,和时间敏感性。我们发现一个指数$β$ ~0.26最好地描述了Nu-Ra关系的发展移动盖系统,和$β$ ~0.12停滞盖系统。与时间相关的俯冲系统的$β$在冥古宙期间的~0.26之间变化,当外部因素如影响促进构造时,到冥古宙期间的~0.12,当系统由长时间的静止主导时,以及由外部强迫驱动的系统(例如:由于在地球历史的第一个100 Myr的影响)可能会表现出更高的指数。我们还发现Ra(主要取决于地幔温度)和Nu(归一化表面热流)之间的时滞约为200- 300 Myr,这表明地幔热结构与其表面表现之间存在显着的延迟。这些结果提供了一种快速表征类地系外行星的构造、火山和大气演化的方法。
2020-06-10 astro-ph.EP physics.geo-ph
Mantle Convection and Nightside Volcanism on Lava World K2-141 b
University of Oxford(牛津大学);Bayerisches Geoinstitut, University of Bayreuth(拜罗伊特大学巴伐利亚地球研究所);Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen(格罗宁根大学卡普坦天文研究所);Institute of Geophysics, Department of Earth and Planetary Sciences, ETH Zurich(苏黎世联邦理工学院地球与行星科学系地球物理研究所);School of Physics and Astronomy, University of Leeds(利兹大学物理与天文学学院)
本研究通过二维对流模型探讨了岩浆世界K2-141 b的地幔动态、夜侧火山活动及挥发物逸出,发现火山活动可释放大量CO₂和H₂O,并分析了其热辐射信号对观测的影响。
2026-03-02 astro-ph.EP physics.geo-ph
The Role of N2 as a Geo-Biosignature for the Detection and Characterization of Earth-like Habitats
自太古代以来,N2一直是地球大气中的主要大气成分。氮是构成生命的基本元素,因此地球生物氮循环是地球和类地系外行星长期演化的基本因素。我们讨论了地球的N2大气的发展,因为地球的形成和它的关系与地球生物循环。然后,我们提出了大气演化情景及其与生命形式的可能相互作用:第一,为一个停滞盖缺氧的世界,第二为构造活动的缺氧世界,第三为氧化构造活动的世界。此外,我们还讨论了目前地球生物圈的可能消亡及其对大气的影响。由于生命形式是将沉积的氮再循环回大气层的最有效手段,它们维持其表面的高水平分压。此外,大量的N2和O2的同时存在在地质时间尺度上的大气中是化学不相容的。因此,我们认为,一个N2占主导地位的大气与O2的类地行星在拱星宜居带可以被认为是一个地理生物签名。具有这种大气层的类地行星将具有与好氧生物生物圈相关联的运行构造体系,而在大多数情况下,其他情况下最终以二氧化碳为主的大气层结束。最后,我们得出的结论是,在M到K星的宜居带内寻找类地系外行星上的生命。
2019-04-26 astro-ph.EP
Thermodynamic Limits on Magnetodynamos in Rocky Exoplanets
为了确定磁性发电机是否在比地球更大或更热的岩石系外行星中运行,我们开发了一个分化的岩石行星及其热演化的参数模型。我们的模型再现了目前地球内部和磁场的既定性质。当应用于金星时,假设行星缺乏板块构造,并且具有粘度升高的脱水地幔,该模型显示发电机关闭或从未运行。我们的模型预测,在一个固定的行星质量,发电机的历史是敏感的核心大小,但不长寿命的,发热的放射性核素的初始库存。它预测,大于2.5个地球质量的岩石行星将不会发展内核,因为铁固相线的温度-压力斜率变得比核心的温度-压力斜率更平坦。相反,铁“雪”将在这些核心附近或顶部凝结,向上的潜热净转移将抑制对流和发电机。更大质量的行星可能由于核心冷却而具有贫血的发电机,但前提是它们具有移动的盖子(板块构造)。这些发电机的寿命随着行星质量的增加而缩短,但随着地面温度的升高而延长。像金星一样的大质量行星,有着停滞的盖子和更粘稠的地幔,将完全缺乏发电机。我们确定了岩石行星上的磁场的两个替代来源:在非常短的周期轨道上的行星的热或熔融的上层引起的涡电流,和发电机的离子导电层的“海洋”行星与水(冰)的上地幔中的~10%的质量。
2010-05-19 astro-ph.EP astro-ph.SR
The influence of bulk composition on long-term interior-atmosphere evolution of terrestrial exoplanets
目的:类地行星的次级大气层是在地质时期与内部相互作用的结果而形成和演变的。我们的目标是量化的影响,行星的整体组成的内部-地球大小的类地行星的大气演化,以帮助解释未来的观测地球系外行星的大气。研究方法:我们使用的地球化学模型,以确定主要元素组成的行星内部(MgO,FeO和SiO2)的岩浆海洋结晶后,行星形成,预测的组成配置文件的内部作为我们的长期热演化模型的初始条件。我们的一维演化模型预测的压力-温度结构的内部,我们用来评估近表面的熔体生产和随后的挥发性放气。挥发物根据质量守恒在内部和大气之间交换。结果如下:基于Hypatia目录中报告的恒星组成,我们预测大约一半的岩石系外行星具有作为单层对流(全地幔对流)的地幔,另一半由于存在中地幔成分边界而表现出双层对流。双层对流是更有可能的行星与高块体行星铁含量和低镁/硅比。我们发现,低Mg/Si比的行星往往冷却缓慢,因为它们的地幔粘度高。因此,低Mg/Si的行星也倾向于通过广泛的熔化迅速失去挥发物。此外,岩石圈的动力学机制(板块构造与停滞盖)对热演化和挥发物循环具有一级影响。这些结果表明,地球外行星大气的组成可以提供信息的动力学制度的岩石圈和内部的热化学演化。
2020-10-05 astro-ph.EP physics.geo-ph
Smaller Than Earth Habitability Model (STEHM): The Lower Size Limit for Atmosphere Retention in the Habitable Zone
University of California Riverside(加州大学河滨分校);Stanford University(斯坦福大学);Pennsylvania State University(宾夕法尼亚州立大学)
STEHM研究了在宜居带内,行星能维持大气的最小大小,发现0.8地球半径以上的行星在地球条件下可维持大气,而更小的行星则无法维持,初始碳储量是关键因素。
2026-04-30 astro-ph.EP
A model Earth-sized planet in the habitable zone of $α$ Centauri A/B
岩石系外行星的整体化学成分和内部结构对于了解其长期演化和潜在的可居住性至关重要。对太阳系岩石天体和其他行星系的化学成分的观测越来越多地显示出一种一致的图景,即岩石行星的化学成分反映了其宿主恒星的难熔元素,而这种表达方式则分解为挥发物。这一行为可以用行星形成和早期演化过程中的挥发分来解释。在这里,我们应用一个脱挥发分模型与太阳系天体校准我们最近的类太阳恒星的化学成分- $α$半人马座A和B -估计在这个二元系统(“$α$ -半人马座地球”)中的任何可居住带岩石行星的整体组成。通过对可能的行星内部和早期大气的进一步建模,我们发现与地球相比,这样的行星预计具有(i)类似地由硅酸盐主导的还原(原始)地幔,尽管富含含碳物质(石墨/金刚石);(ii)稍大的铁核心,核心质量分数为$38.4_{-5.1}^{+4.7}$ wt%(参见图1)。地球的32.5 $\pm$ 0.3重量%);(iii)相当的水储存能力;和(iv)类似于太古代地球的CO $_2$ -CH $_4$ -H $_2$ O主导的早期大气。进一步考虑到它的$\sim$低25%的来自长寿命放射性核素的内在放射性加热,一个古老的$α$ -Cen-地球(比地球老$\sim$ 1.5-2.5 Gyr)预计有效率较低的地幔对流和行星表面重塑,具有潜在的长期停滞盖制度的历史。
2022-01-25 astro-ph.EP astro-ph.SR