Resurgence of Lunar Volcanism: Role of Localized Radioactive Enrichment in a Numerical Model of Magmatism and Mantle Convection
本研究构建二维岩浆与地幔对流数值模型，揭示月球风暴洋KREEP岩套双峰值长期火山活动的机制，证实局部放射性富集的关键作用。
2024-07-10 astro-ph.EP physics.geo-ph
ADEPTS: An auto-differentiable framework for time-dependent nonlinear thermo-chemical mantle convection inversion
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；Guangdong Provincial Key Laboratory of Geophysical High-resolution Imaging Technology, Southern University of Science and Technology（南方科技大学地球物理高分辨率成像技术广东省重点实验室）
本文提出ADEPTS，一个基于自动微分的地幔对流反演框架，通过比较展开与隐式微分策略，实现高维初始温度场和低维物理参数的联合反演。
2026-09-15 physics.geo-ph
Dynamical Geochemistry: Mantle dynamics and its role in the formation of geochemical heterogeneity
本文综述了分析精度、成像技术、同位素体系与计算能力的进展如何推动化学地球动力学发展，重点探讨全地幔对流、洋壳形成再循环及稀有气体系统学对地幔化学非均质性的控制作用。
2023-09-17 physics.geo-ph
New numerical approaches for modeling thermochemical convection in a compositionally stratified fluid
地幔的震波成像揭示了下地幔中的大尺度和小尺度的不均匀性;特别是非洲和南太平洋下方被称为大低剪切速度区（LLSVP）的结构。大多数解释认为，不均匀性是成分的性质，不同的组成从上覆地幔，解释是一致的化学地球动力学模型。持久的组成界面的数值模拟提出了挑战，甚至国家的最先进的数值方法。例如，当流体随着时间依赖的指进而迁移和扭曲时，用于平流成分界面的一些数值算法不能保持尖锐的成分边界，这是由于为了保持成分变量的上限和下限以及平流方法的稳定性而添加的数值扩散。在这项工作中，我们提出了两个新的算法，保持一个更清晰的计算边界比平流方法，目前公开提供给计算地幔对流社区，即不连续Galerkin方法与边界保持限制器和体积的流体界面跟踪算法。我们比较了这两种新方法与两种常用的方法，用于模拟地幔对流问题中两种不同的热驱动成分场的平流;也就是说，一种基于高-阶精确有限元方法平流算法，该算法采用人工粘性技术来维持组成变量的上界和下界以及平流算法的稳定性和携带代表每个成分场位置的标量的粒子。所有这四个算法都在开源FEM代码ASPECT中实现。
2017-03-07 physics.geo-ph
Effects of global core-mantle boundary topography on outer-core convection and topographic torques
University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；University of Rochester（罗切斯特大学）
研究地核-地幔边界地形对地核对流及地球自转变化的影响，通过数值模拟揭示地形扭矩的形成机制及规模。
2026-05-12 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Effect of width, amplitude, and position of a core mantle boundary hot spot on core convection and dynamo action
在类地行星的液态铁核内，对流和由此产生的全球磁场都受到上覆岩石地幔的控制。下地幔的热结构决定了有多少热量可以从地核逸出。热的下地幔特征，例如巨大撞击的热足迹或热地幔柱，将局部地减少通过核幔边界（CMB）的热通量，从而削弱核对流并影响磁场产生过程。在这项研究中，我们数值研究如何参数化热点在CMB与任意大小，振幅和位置影响核心对流，因此发电机。热通量异常的影响是量化的全球流动对称性的变化，如赤道反对称，轴对称（EAA）纬向流的出现。对于纯流体动力学模型，EAA对称性尺度几乎与CMB的振幅和大小呈线性关系，而自洽发电机模拟通常揭示要么抑制或大幅增强EAA对称性，主要取决于热通量异常的水平程度。我们的研究结果表明，长度尺度的异常应在同一数量级的外核半径显着影响流场对称性。作为对火星的暗示，在我们的模型范围内，研究得出结论，由CMB热通量异常修改的古代核心场无法将地壳非均匀磁化到火星上南北不对称的现今水平。使用我们的模型得到的磁场不是不够不对称，或者当它们足够不对称时，显示出快速的极性反转，这与厚的单向磁化不相容。
2015-11-04 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
The role of viscosity contrast on plume structure in laboratory modeling of mantle convection
我们已经进行了实验室实验来模拟地幔对流中羽流的重要方面。我们专注于确定羽流结构和动力学的粘度比U（周围流体和羽流流体之间）的作用。在我们的实验中，我们能够捕捉到地球物理对流制度相关的地幔对流的热点（当U > 1）和板块俯冲（当U < 1）制度。平面激光诱导荧光（PLIF）技术用于流动可视化和表征羽流结构。对流由较轻流体灌注穿过可渗透网产生的组成浮力驱动，并且粘度比U在1/300至2500的范围内系统地变化。在U=1的底部边界附近的平面形状，表现出一个著名的树枝状线羽状结构。随着U值的增加，观察到从树枝状羽流结构到离散球形羽流的渐进形态过渡，伴随着羽流的增厚和羽流间距的增加。在垂直剖面上，U=1时的蘑菇状地幔柱头部在高U时转变为断续的球状地幔柱，类似于地幔对流中的地幔柱热点。相反，对于低U值（~1/300），该机制对应于地幔中板块的俯冲。在这一制度中，我们观察到的第一次，羽流产生的厚边界细胞结构和发展成片状羽流。我们使用实验数据来量化这些形态的变化和混合动力学的羽流在不同制度的美国。我们还比较了我们的观察羽间距与文献中报道的各种模型，通过改变粘度比和浮力通量。
2016-10-28 nlin.AO nlin.PS physics.flu-dyn
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
Heat-blanketed convection and its implications for the continental lithosphere
地球各大洲的特点是长寿命放射性同位素高度富集。最近的估计表明，它们贡献了地球表面释放的33%的热量，而只占地幔的不到1%。这种独特的特征通过影响下伏地幔的热结构和热量传送而对下伏地幔产生深刻的影响。然而，富含生热元素的陆壳对下伏地幔的影响尚未得到系统的研究。在这里，我们进行了初步的调查，通过考虑一个简化的对流系统组成的混合加热的流体中，所有的内部加热集中在顶层的厚度$d_{HL}$（称为“热覆盖对流”）。我们进行24个数值模拟在三维笛卡尔几何四个特定的设置和各种值的$d_{HL}$。我们的研究结果表明，加热层的影响强烈地依赖于它的厚度相对于均匀加热情况下（$d_{HL} = 1.0$）的热边界层（$δ_{TBL}$）的厚度。更具体地说，对于$d_{HL} > δ_{TBL}$，由加热层引起的影响是相当适度的，而对于$d_{HL} < δ_{TBL}$，对流系统的性质随着$d_{HL}$的减小而强烈改变。特别是，表面热通量和对流活力显着增强非常薄的加热层相比，情况$d_{HL} = 1.0$。生热元素的垂直分布可能对地幔动力学起关键作用。然而，对于地球来说，大陆的存在应该不会显著影响表面热通量，从而影响地球的冷却速率。
2020-11-23 physics.geo-ph
Application of the Yin-Yang grid to a thermal convection of a Boussinesq fluid with infinite Prandtl number in a three-dimensional spherical shell
本文发展了一种新的有限差分数值程序，求解了无限普朗特数Boussinesq流体在三维球壳中的热对流问题。空间离散采用了一种称为“阴阳网格”的嵌套网格。这种网格自然避免了经纬度网格中不可避免的极点问题。将该程序应用于均匀粘性和变粘性的地幔对流的数值模拟。验证了阴阳网格在地幔对流模拟中的有效性。
2004-05-24 physics.comp-ph physics.geo-ph
Continuous reorientation of synchronous terrestrial planets controlled by mantle convection
很大一部分已知的岩石系外行星预计已经旋转到同步旋转的状态，包括温带行星。因此，对这类行星上发生的大气和表面过程的研究假设，在地质时间尺度上，昼夜面相对于表面是固定的。在这里，我们表明，这不应该是许多同步系外行星的情况。这是由于真正的极地漫游（TPW），一个众所周知的过程发生在地球和太阳系中，可以重新定位行星，而不会改变其相对于惯性参考系的旋转角动量的方向。与地球上一样，岩石系外行星地幔中的对流会不断扭曲它们的惯性张量，导致重新定向。此外，我们表明，这种重新定位是非常有效的同步行星的旋转速度较慢。这是由于它们的旋转/潮汐联合隆起的弱点-限制TPW的主要稳定因素。弹性岩石圈的稳定也被证明是无效的。因此，我们预计最小和最大转动惯量的轴会随着时间的推移而不断变化，但会分别与恒星-行星轴和轨道轴保持密切一致。
2018-09-04 astro-ph.EP physics.geo-ph
Initiation of Plate Tectonics from Post-Magma Ocean Thermo-Chemical Convection
地球上板块构造存在的主要理论通常呼吁当今条件在促进岩石圈流变弱化中的作用。然而，早期地球的条件是否有利于板块构造或任何形式的俯冲尚不清楚，因此俯冲是如何开始的也不清楚。使用基于颗粒损伤的物理模型，一种能够产生板状地幔对流的颗粒反馈机制，我们证明了俯冲作用在冥古宙地球上是可能的（以下称为原俯冲或原板块构造），原俯冲作用不同于现代板块构造，并且它可以迅速启动。对流与颗粒损伤的标度律表明，虽然无论是更高的地幔温度或更高的地面温度导致较慢的板块，原俯冲，与$\approx 1.75$厘米/年的板块速度，仍然可以保持在冥古宙，即使与CO $_2$丰富的原始大气。此外，当地幔位温较高时（如高于$\approx 2000$ K），俯冲模式转变为“缓慢俯冲”模式，俯冲带呈水滴状，板块边界呈扩散状。最后，岩浆后的海洋地幔对流的数值模型表明，原板块构造可能启动内$\sim100$万年的岩浆海洋凝固，与证据相一致的冥古宙锆石。原始俯冲开始后，非板块构造的“缓慢俯冲”占主导地位，让位于现代风格的板块构造，因为地幔内部和气候凉爽。冥古宙的原始俯冲作用可能会加速现代板块构造的开始，因为它会将大气中多余的CO $_2$抽出，使气候变冷。
2014-10-28 astro-ph.EP physics.geo-ph
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
Mantle Decompression Thermal-Tsunami
以前在热物理学中，只考虑了三种热输运过程：传导、辐射和对流，或者更一般地说，浮力驱动的质量输运。作为整个地球减压动力学的结果，我增加了第四个，称为地幔减压热海啸，它可能会从一个迄今未预料到的来源在地壳底部安置热量。
2006-02-13 physics.geo-ph physics.hist-ph
Gravitational energy released when Earth quakes: Heat supply for island-arc volcanism
College of Geodesy and Geomatics, Shandong University of Science and Technology（山东科技大学测绘学院）；Institute of Earth Sciences, Academia Sinica（中央研究院地球科学研究所）
该研究提出第一性原理模型，揭示俯冲带逆冲地震释放约10太瓦引力能并转化为热，为岛弧火山作用提供充足热量，解决板块构造热源悖论，强调地震活动在板块能量学中的积极作用。
2026-09-16 physics.geo-ph
Geo-neutrinos: recent developments
辐射加热是地球能量平衡和热演化的重要组成部分。它有助于地幔对流、板块构造、火山和造山运动。地球中微子观测估计了我们星球目前的放射性能量。这一估计取决于各种地球水库中产热元素的数量和分布。在地质学上特别重要的是地幔中的辐射加热。这个量揭示了我们星球的起源和热演化。在这里，我们介绍：目前报道的地球中微子观测;估计地幔地球中微子信号，地幔辐射加热，地幔冷却;比较化学地球模型预测的地幔地球中微子信号和地幔辐射加热;简要讨论辐射加热的核心，包括计算地球中微子信号每pW/kg;最后讨论的观测策略。
2014-12-11 physics.geo-ph
Inner core heterogeneity induced by a large variation in lower mantle heat flux
本文采用热对流近临界、成分对流强超临界的双组分对流发电机模型，证明CMB处O(10)的热通量变化可形成内核东西半球非均质性，并解释P波速度、磁通量变化及F层厚度等观测。
2024-08-03 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Thermochemical models of outer core convection with heterogeneous core-mantle boundary heat flux
School of Earth and Environment, University of Leeds（利兹大学地球与环境学院）
通过热化学对流模拟，研究核幔边界热流非均匀性如何导致局部稳定区域（区域反转透镜）的形成，并探讨其对地震和地磁观测的影响。
2026-06-10 astro-ph.EP physics.geo-ph
Geophysical and geochemical constraints on geoneutrino fluxes from Earth's mantle
地幔中辐射加热的数量和分布的知识是了解地球动力学的关键，包括它的热演化，地幔对流的风格和平面形状，以及核心的能量学。虽然来自行星表面的热通量得到了可靠的估计，但辐射成因加热和长期冷却的贡献仍然很难确定。限制地球中发热元素的数量将为理解早期太阳系的星云凝聚和行星形成过程提供线索。地幔放射性为地幔对流和板块构造提供了动力，但对地幔放射性生热的估计相差20倍以上。最近的实验结果表明，有可能通过观测地中微子直接评估地幔放射性，地中微子是由天然放射性核发射的。对地中微子信号的预测存在几个已建立的估计地幔成分。在这里，我们提出了新的分析，说明表面变化的地幔地中微子信号的模型的深部地幔结构，包括那些基于地震层析成像。对于某些模型来说，这些变化具有可测量的差异，允许对地球的动态进行新的和有意义的限制。一个基于海洋的地中微子探测器部署在几个战略位置，将能够区分散装硅酸盐地球的竞争成分模型。
2012-10-18 nucl-ex 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
Penetrative rotating magnetoconvection subject to lateral variations in temperature gradients
本文结合计算与理论分析，研究地幔热非均质性和稳定层结下的旋转穿透磁对流，量化有界域约束效应并给出穿透深度闭式表达式。
2024-12-06 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Deep learning for surrogate modelling of 2D mantle convection
German Aerospace Center (DLR)（德国航空航天中心）；Berlin Institute of Technology（柏林工业大学）
传统上，基于标度律的1D模型已被用于参数化地球、火星、水星和金星等类地行星内部的对流传热岩石，以解决2D或3D中高保真向前运行的计算瓶颈。然而，这些都是有限的物理量，他们可以模拟（例如，深度依赖的材料属性）和预测只有平均量，如平均地幔温度。我们最近表明，使用大量2D模拟训练的前馈神经网络（FNN）可以克服这一限制，并可靠地预测复杂模型的整个1D横向平均温度分布的演变。我们现在扩展了这种方法来预测完整的2D温度场，其中包含更多对流结构形式的信息，如热羽流和冷降流。使用10，525个类火星行星地幔热演化的二维模拟数据集，我们表明深度学习技术可以产生可靠的参数化代理（即仅基于参数预测温度等状态变量的代理）。我们首先使用卷积自动编码器将温度场压缩142倍，然后使用FNN和长短期记忆网络（LSTM）来预测压缩场。平均而言，FNN预测的准确率为99.30%，LSTM预测的准确率为99.22%。LSTM和FNN预测的适当正交分解（POD）表明，尽管平均绝对相对精度较低，但LSTM比FNN更好地捕获了流动动力学。当求和时，FNN预测和LSTM预测的POD系数分别为原始模拟系数的96.51%和97.66%。
2021-11-05 astro-ph.EP cs.LG physics.flu-dyn
Scaling of plate-tectonic convection with pseudoplastic rheology
采用假塑性流变学和强温度依赖性粘滞模型模拟热对流，研究了板块-构造对流的标度性。地幔熔融的影响也探讨了额外的深度依赖粘度。热流标度可以构造只有两个参数，内部瑞利数和岩石圈的粘度对比，后者是完全由流变特性。板块构造对流和滞盖对流之间的过渡的临界粘度对比被发现是成正比的内部瑞利数的平方根。在此基础上讨论了地幔温度与地球表面热通量的关系，并证实了从全球能量平衡考虑的地幔温度与地球表面热通量之间的反比关系。在地表水的存在，以减少有效摩擦系数，板块构造的操作建议是似是而非的整个地球历史。
2010-08-27 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Thermal and electrical conductivity of iron at Earth's core conditions
地球就像一个巨大的热机，由放射性同位素的衰变和缓慢的冷却驱动，从而引起板块构造、火山和造山运动。另一个关键产物是地磁场，它是由一台发电机在液态铁核中产生的，发电机靠冷却和冻结释放的热量来生长固态内核，并靠冻结时从液体中排出的轻元素产生的化学对流来运转。提供给地球发电机的能量，通过核幔边界（CMB）的热通量来测量，对地球的演化产生了限制。宇宙微波背景辐射热通量的估计取决于堆芯中铁混合物在极端压力和温度条件下的性质，最关键的是导热率和电导率。由于实验和理论上的固有困难，这些量仍然知之甚少。在这里，我们使用密度泛函理论计算这些电导率在液态铁混合物在核心条件下的第一原理-第一个直接计算的值，不依赖于估计的基础上推断。Fe、O、S和Si的混合物取自早期的工作，并符合地震学确定的核心密度和内核边界密度跳跃。我们发现这两种电导率都比目前使用的估计值高2-3倍。这些变化是如此之大，以至于必须重新评估堆芯的热历史和功率需求。新的绝热热通量估计值在CMB处为15-16 TW，高于目前基于地幔对流对CMB热通量的估计值;地核顶部必须是热分层的，上部地核中的任何对流都是由化学对流驱动的，以对抗CMB热流中不利的热浮力或横向变化。地球发电机的能量受到很大的限制，未来的地幔演化模型必须包含高CMB热通量，并解释最近形成的内核。
2012-03-22 physics.geo-ph
Thermal Conductivity of CaSiO$_3$ Perovskite at Lower Mantle Conditions
地幔矿物的热导率（$κ$）是地球动力学模拟中的一个基本性质。它控制着地幔对流的形式和地幔冷却与地核冷却的时间尺度。立方CaSiO $_3$钙钛矿（CaPv）是下地幔（LM）中第三丰富的矿物（7体积%）。然而，尽管其重要性，没有理论或实验估计的CaPv的$κ$存在。由于其强非谐性，对其性质的理论研究具有挑战性。在相关高压和高温下的实验测量同样具有挑战性。在这里，我们提出了$ab$ $initio$的CaPv的$κ$的结果，使用一个既定的声子准粒子的方法，可以解决其强非谐性。我们还提供$κ$的实验测量。预测和测量是在良好的协议，并揭示了一个令人惊讶的大$κ$立方CaPv。尽管其相对较低的丰度，CaPv的$κ$可能会增加下地幔$κ$约10%，如果占。地壳物质富集的地幔区的$κ$将受到更强烈的影响。
2020-05-17 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Uniqueness of Herndon's Georeactor: Energy Source and Production Mechanism for Earth's Magnetic Field
赫恩登位于地球中心的地质反应堆不会发生熔毁，但最近发布的仿制地质反应堆却并非如此，这些反应堆必然会受到热核燃料、普遍高温环境和高围压的影响。赫恩登的地质反应器有望通过在产热和锕系元素沉淀之间建立平衡来实现自我调节。70年前的地球流体核心对流的观点被推翻了，因为热膨胀不能克服核心底部比顶部高23%的密度。无量纲的瑞利数是一个不适当的指标对流在地球的核心和地幔作为一个假设的结果，它是派生。简要地描述了地磁场起源、地幔对流的物理不可能性以及伴随而来的对板块构造理论的反驳。
2009-07-03 physics.gen-ph physics.geo-ph
Europa's ocean translates interior tidal heating patterns to the ice-ocean boundary
本研究通过全球直接数值模拟发现，木卫二海洋对流可传递地幔潮汐加热的纬度变化至冰壳，地幔主导加热类型决定了冰壳厚度的极赤差异及经度变化特征。
2023-11-20 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Morphology, interactions, and evolution of laminar thermal plumes revealed by time-resolved volumetric velocity measurements and analysis: Application to Earth's mantle
Department of Earth, Planetary, and Space Sciences, University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校地球、行星与空间科学系）；Department of Earth and Planetary Sciences, Harvard University（哈佛大学地球与行星科学系）
通过4D速度测量研究高普朗特数瑞利-贝纳尔系统中成簇层流热柱的形态、相互作用与演化，揭示多种动力学行为并建立统一演化框架，为地幔对流模拟提供基准。
2026-09-29 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Heat Flow and Boundary Heterogeneity in Rotating Convection
类地行星金属内核中的对流很可能会受到上覆硅酸盐地幔中蠕动流所施加的外边界热通量的横向变化的影响。边界异常可以显着影响全球诊断的核心对流时，瑞利数，$Ra$，是弱超临界的，但是，很少有人知道的强超临界制度适合行星。我们进行数值模拟的快速旋转对流的球壳几何形状，并施加两种模式的边界热流异质性：半球形的$Y_1^1$球谐模式;和一个来自地震层析成像地球的下地幔。我们认为Ekman数$10^{-4} \le E \le 10^{-6}$，通量为基础的瑞利数达到$\sim800$倍临界，和普朗特数单位。热通量横向变化的幅度用$q_{\rm L}^*=0, 2.3, 5.0$表示，即外边界热通量的峰间幅度除以其平均值。我们发现，努塞尔数，$Nu$，可以增加高达$\sim25$ \%相对于等效均匀的情况下，由于边界诱导的径向速度和温度异常之间的相关性的顶部附近的壳。随着边界不均匀性的幅度和长度尺度的增加以及系统变得更加超临界，$Nu$增强趋于变得更大。这种$Ra$依赖性可以使旋转主导区域中的$Nu \propto Ra^γ$标度变陡，对于我们最极端的情况，$γ$大约大于等效的均匀标度$20\%$。因此，在将数值结果外推到行星条件时，考虑边界不均匀性可能很重要。
2017-08-31 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Iron spin crossover in ferropericlase and its effect on lower-mantle thermal conductivity
Carnegie Institution for Science（卡内基科学机构）；Florida International University（佛罗里达国际大学）；University of Münster（明斯特大学）；The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；The University of Edinburgh（爱丁堡大学）；Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)（德国电子同步辐射研究所）；Albert-Ludwigs Universität Freiburg（弗赖堡大学）；European XFEL（欧洲X射线自由电子激光设施）；Univ. Lille, CNRS, INRAE, Centrale Lille（里尔大学）；Sorbonne Université, Muséum National d’Histoire Naturelle（索邦大学，法国国家自然历史博物馆）；Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（德累斯顿-罗斯多夫亥姆霍兹中心）；Université Grenoble Alpes（格勒诺布尔阿尔卑斯大学）
通过直接测量单晶 ferropericlase 的热导率，发现铁 spin crossover 导致热导率在 60-100 GPa 和 1700 K 时显著降低，影响下地 mantle 热导率分布。
2026-03-31 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Changes in core-mantle boundary heat flux patterns throughout the supercontinent cycle
本研究利用ASPECT软件的三维地幔对流模型，结合10亿年板块重建数据，揭示超大陆旋回中核幔边界热流异常的动态变化规律，为理解地球热演化与磁场稳定性提供新依据。
2023-10-05 astro-ph.EP physics.geo-ph
Rayleigh-Bénard convection in a creeping solid with melting and freezing at either or both its horizontal boundaries
固态对流可以发生在行星物体的岩石或冰的地幔中，这些地幔可以被类似成分的熔融层包围。流向界面的流体可以通过改变相态而通过界面。这种行为是由一个边界条件，考虑到在固体中的粘性应力之间的竞争，建立地形的接口与时间尺度$τ_η$，和对流转移的潜热在液体中的地方发生冻结的地方的边界融化，这将消除地形，与时间尺度$τ_ϕ$。比率$Φ=τ_ϕ/τ_η$控制边界条件是经典的非穿透边界条件（$Φ\rightarrow \infty$）还是允许有限流动通过边界（小$Φ$）。我们研究瑞利-贝纳德对流在一个平面层受到这种边界条件在其边界的一个或两个使用线性和弱非线性分析。当两个边界都是相变界面时，$Φ$的值相等，非变形平移模式是可能的，临界瑞利数等于$24Φ$。在小的$Φ$值时，该模式与具有稍低的临界瑞利数和非常长的波长的弱变形模式$λ_c\sim 8\sqrt{2}π/ 3\sqrtΦ$竞争。这两种模式导致非常有效的热传递，如由努塞尔数和瑞利数之间的关系所表示的。当只有一个边界受到相变条件时，临界瑞利数为$\Ray_c=153$，临界波长为$λ_c=5$。当底部边界为相变界面时，Nusselt数随Rayleigh数的增加比在非穿透条件下的经典情况快约两倍。
2018-03-16 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Thermal convection in a spherical shell with melting/freezing at either or both of its boundaries
在许多地球物理学或行星学的环境中（地球的内核，从岩浆海洋结晶的硅酸盐地幔，或围绕深水海洋的冰壳），对流结晶层与其熔体层接触。允许在固体层的一个或两个边界处熔化/冻结可能会影响层中的对流模式。在这里，我们研究的发病热对流在一个粘性球壳动态诱导熔化/冻结在其边界之一或两者。结果表明，每个界面的行为取决于维数P的值，这是一个熔融/冻结的时间尺度的粘性松弛时间尺度的比率。较小的P值对应于渗透性边界条件，而较大的P值对应于非渗透性边界条件。线性稳定性分析预测的半渗透边界的显着效果时，任何一个边界的特征数量P是足够小的：允许融化/冻结在任何一个边界的结果在出现较大规模的对流模式。当外边界是可渗透的时，效果特别剧烈，因为即使在薄球壳的情况下，1度模式仍然是最不稳定的。在具有可渗透的内边界和外边界的球壳的情况下，最不稳定的模式包括固体壳的整体平移，没有变形。在具有可渗透外边界的完整球体的极限中，这对应于最近为地球内核提出的“对流平移”模式。作为可能的应用的一个例子，我们讨论的情况下，热对流在土卫二的冰壳假设存在一个全球性的地下海洋，并发现，融化/冻结可能有一个重要的影响对流模式的冰壳。
2013-03-19 physics.geo-ph
Modelling of thermal stratification at the top of a planetary core: Application to the cores of Earth and Mercury and the thermal coupling with their mantles
本文提出了一种新的数值方法来求解一维球壳导热问题。该计划采用的解决方案的传导方程在每个间隔所选择的离散化是有效的，如果在间隔边界的通量是恒定的时间。这种分段定常通量（PWSF）数值格式在空间域上是连续的和可微的，便于在能量守恒的行星核热演化模型中实现，当热通量为亚绝热时，核幔边界下形成了传导分层层。一个随时间变化的分层区域上的行星体的一般演变的影响进行检查，在施加一个绝热温度分布的核心。通过考虑分层的行星核心的热通量是亚绝热的，在冷却速率的径向变化被占，而在其他方面的核心的能量分布是固定的强加的热量。在热分层区域的生长过程中，核心的深部比核心的外部冷却得更快。因此，如果考虑成层区，则内核的尺寸增大，核幔边界处的温度和热通量分别增大。对地球来说，影响可能很小，在对分层区域本身不特别感兴趣的热演化研究中可以忽略不计。对水星来说，这些影响要大得多。例如，如果忽略热分层，内核的年龄可能会被低估几十亿年。考虑到水星核心的热分层也增加了地幔温度，导致更大的热通量进入岩石圈，并抑制了地幔对流。
2021-05-17 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 and compositional stratification of the inner core
对内核地震结构的认识的提高以及由此揭示的复杂性要求动力学起源。亚固相线对流是解释地震各向异性的早期建议之一，但它需要一个不稳定的密度梯度，无论是从热或成分的起源，或两者兼而有之。在内核的温度和成分分布计算使用一维模型的核心演变，包括扩散在内核和分数结晶在内核边界（ICB）。核心的热导系数最近已向上修正，而且，发现随着深度增加。穿过核幔边界（CMB）的热流值足以维持整个外核的对流，但不足以使内核的温度超等熵，因此易于发生热不稳定。为此，需要不合理的高CMB热流。成分分层是由于外核轻元素浓度的增加与内核生长的竞争导致的，这使得内核浓度也增加，以及液相线的降低导致分配系数降低以及轻元素在固体中的浓度降低。虽然后一种（不稳定）效应在小的内核尺寸下占主导地位，但前者在大的内核中占主导地位。在S的情况下，内核的翻转点约为当前大小的一半，但在O的情况下，翻转点要大得多。热浮力和成分浮力的结合是稳定的，内核中的固态对流似乎不太可能，除非早期的双扩散不稳定可以设置。
2014-08-08 physics.geo-ph
The role of thermal buoyancy in stabilizing the axial dipole field in rotating two-component convective dynamos
Centre for Earth Sciences, Indian Institute of Science（印度科学研究所地球科学中心）
双组分对流通过热和组分浮力驱动，产生主要轴向偶极场。强组分浮力导致偶极场不稳定，但弱热浮力通过磁流体静力学波自发生成稳定偶极场。更高组分浮力触发极性转换，且热浮力贡献下限约为10%。
2026-03-28 physics.flu-dyn physics.geo-ph
Regimes of rotating convection in an experimental model of the Earth's tangent cylinder
School of Engineering, University of Liverpool（利物浦大学工程学院）；Centre for Fluid and Complex systems, Coventry University（考文垂大学流体与复杂系统中心）
研究通过实验模型探讨地磁场对地核极地区域流体运动的影响，发现外部切线圆柱外的热力不稳定性驱动地转湍流形成，揭示了外部对流控制内部湍流的机制。
2026-06-27 physics.flu-dyn physics.geo-ph
