Spherical geometry convection in a fluid with an Arrhenius thermal viscosity dependence: the impact of core size and surface temperature on the scaling of stagnant-lid thickness and internal temperature
Notice bibliographique
Résumé
The rock and rock-ice mixtures of the core-enveloping spherical shells comprising terrestrial body interiors have thermally determined viscosities well described by an Arrhenius dependence. Accordingly, the implied viscosity contrasts determined from the activation energies (E) characterizing such bodies can reach values exceeding 1040, for a temperature range that spans the conditions found from the lower mantle to the surface. In this study, we first explore the impact of implementing a cut-off to limit viscosity magnitude in cold regions. Using a spherical annulus geometry, we investigate the influence of core radius, surface temperature, and convective vigour on stagnant lid formation resulting from the extreme thermally induced viscosity contrasts. We demonstrate that the cut-off viscosity must be increased with decreasing curvature factor, ƒ (=rin/rout, where rin and rout are the inner and outer radii of the annulus, respectively), in order to obtain physically valid solutions. We find that for statistically-steady systems, the mean temperature decreases with core size, and that a viscosity contrast of at least 107 is required for stagnant lid formation as ƒ decreases below 0.5. Inverting the results from over 80 calculations featuring stagnant lids (from a total of approximately 180 calculations), we apply an energy balance model for heat flow across the thermal boundary layers and find that the non-dimensionalized temperature in the Approximately Isothermal Layer (AIL) in the convecting layer under a stagnant lid is well predicted by T'AIL=½{ -(2T'out+γ) + √[γ2 + 4γ(1+T'out)] } where γ is a function of E and ƒ, and T'out is the non-dimensionalized surface temperature. Moreover, the normalized (i.e., non-dimensional) thickness of the stagnant lid, L', can be obtained from a measurement of the non-dimensional surface heat flux once T'AIL is determined. Stagnant-lid thicknesses increase from 10 to 30 percent of the shell thickness as ƒ is decreased, and thick lids can overlie vigorously convecting underlying layers in small core bodies, potentially delaying secular cooling and suggesting that small objects with small cores may have developed thick elastic outer shells early in the solar system's history while maintaining vigorously convecting interiors. However, we also find that for the small number of 3-D calculations that we examined, parametrizations based on 2-D calculations overestimate the temperature of the convecting layer and the thickness of the conductive lid when ƒ is small (less than 0.4).
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».