Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Ausbreitung von Volumenstörungen in thermischen Plumes.

Abstract

Mit Laborexperimenten und numerischen Modellierungen wird die Ausbreitung von Volumenstörungen in thermischen Plumekanälen untersucht. Im Experiment werden thermische Plumes durch Injizieren von heißem Glukosesirup in eine mit kaltem Sirup gefüllte Plexiglassäule erzeugt. Durch eine kurzzeitige Erhöhung des injizierten Volumenflusses werden Volumenstörungen generiert, die sich wellenartig im Plumekanal ausbreiten. Zur Bestimmung der thermischen Struktur des Plumes wird eine neu entwickelte berührungslose Temperaturmeßmethode verwendet, die auf der Ablenkung eines Laserstrahls basiert.Der experimentelle Aufbau ermöglicht die Aufnahme von einem radialen Temperaturprofil pro Sekunde, so daß detaillierte Messungen zur thermischen Struktur der aufsteigenden Wellen möglich sind. Geschwindigkeitsmessungen werden mit einer PIV - (Particle Image Velocimetry) Methode durchgeführt.Zur numerischen Simulation ist ein zweidimensionales axialsymmetrisches Finite-Differenzen-Programm entwickelt worden, welches die Stokesgleichung mit einem direkten Verfahren löst und ein ADI-Verfahren zur Lösung der Wärmetransportgleichung bzw. zur Berechnung der Zeitentwicklung verwendet.Dadurch kann zum ersten Mal ein direkter quantitativer Vergleich zwischen einem experimentellen und einem numerischen Plume präsentiert werden. Dabei zeigt sich eine hervorragende Übereinstimmung zwischen den experimentell und den numerisch bestimmten Temperaturen in Plumekanälen und in aufsteigenden Wellen. Die Übereinstimmung der Geschwindigkeiten ist ebenfalls sehr gut.Untersuchungen zum Ausbreitungsverhalten der erzeugten Wellen zeigen, daß die thermische Struktur und die Aufstiegsgeschwindigkeit lediglich vom Wellenvolumen und nicht von der Dauer bzw. von der Amplitude der angebrachten Volumenstörung abhängt.Aus den numerischen Resultaten werden Skalierungsgesetze abgeleitet, die die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Wellentemperatur von den Modellparametern beschreiben. Die Skalierung der Ergebnisse auf die Mantelplumes der Erde zeigt, daß die beobachteten Wellen aufgrund ihrer Länge (Mindestwellenlänge 400 km) vermutlich nicht in Plumes existieren können, die an der 660 km-Diskontinuität entstehen.In Plumes mit starkem Auftriebsvolumenflüssen haben Wellen mit realistischen Längen lediglich einen kleinen Einfluß auf die Temperaturanomalien im Plume. Eine signifikante Erhöhung der Schmelzenproduktion ist nur bei Wellen in schwächeren Plumes zu erwarten, wenn diese unter alter und mächtiger Lithosphäre aufsteigen. Besitzt der Plumekanal dabei ungefähr die Solidustemperatur, so könnte eine aufsteigende Welle dafür sorgen, daß der Solidus deutlich überschritten wird, was eine erhöhte Schmelzenentstehung zur Folge hätte. Dadurch ließe sich eine periodische Magmenproduktion an schwächeren Hotspots erklären.