Here, the state of our knowledge regarding the interior dynamics and evolution of habitable terrestrial planets including Earth and super-Earths is reviewed, and illustrated using state-of-the-art numerical models. Convection of the rocky mantle is the key process that drives the evolution of the interior: it causes plate tectonics, controls heat loss from the metallic core (which generates the magnetic field) and drives long-term volatile cycling between the atmosphere/ocean and interior. Geoscientists have been studying the dynamics and evolution of Earth’s interior since the discovery of plate tectonics in the late 1960s and on many topics our understanding is very good, yet many first-order questions remain. It is commonly thought that plate tectonics is necessary for planetary habitability because of its role in long-term volatile cycles that regulate the surface environment. Plate tectonics is the surface manifestation of convection in the 2900-km deep rocky mantle, yet exactly how plate tectonics arises is still quite uncertain; other terrestrial planets like Venus and Mars instead have a stagnant lithosphereessentially a single plate covering the entire planet. Nevertheless, simple scalings as well as more complex models indicate that plate tectonics should be easier on larger planets (super-Earths), other things being equal. The dynamics of terrestrial planets, both their surface tectonics and deep mantle dynamics, change over billions of years as a planet cools. Partial melting is a key process influencing solid planet evolution. Due to the very high pressure inside super-Earths’ mantles the viscosity would normally be expected to be very high, as is also indicated by our density function theory (DFT) calculations. Feedback between internal heating, temperature and viscosity leads to a superadiabatic temperature profile and self-regulation of the mantle viscosity such that sluggish convection still occurs

چکیده

در اینجا وضعیت دانش ما درباره دینامیک داخلی و ارزیابی سیارات خاکی قابل سکونت از جمله زمین و سوپر زمین ها بررسی می شود و با استفاده از مدلهای عددی جدید توصیف می شوند. جریان همرفتی جبه سنگی، فرآیند اصلی است که سبب تغییرات داخلی می شود: این امر تکتونیک صفحه ای را به وجود می آورد، اتلاف گرمای حاصل از هسته فلزی (که میدان مغناطیسی را تولید می نماید) را کنترل می کند و مسیر چرخه ی فرار بلند مدت بین اتمسفر/اقیانوس و داخل را موجب می شود. از زمان کشف تکتونیک صفحه ای در اواخر دهه 60، زمین شناسان درباره دینامیک و تحول درون زمین و نیز بسیاری از موضوعات که شناخت خوبی از آنها داریم، مطالعه کرده اند ولی هنوز پرسشهای دسته اول بسیاری باقی هستند. معمولا تصور می شود که تکتونیک صفحه ای به دلیل نقش آن در چرخه های فرار بلند مدتی که محیط سطح زمین را تنظیم می کنند، برای سکونت پذیری سیاره، ضروری است. تکتونیک صفحه ای، نشانه ای سطحی از همرفت در جبه سنگی در عمق 2900 km است. با این همه اینکه چطور ساختمان این صفحات بوجود می آیند، هنوز کاملا معلوم نیست؛ در عوض سایر سیارات خاکی و خشکی مانند ونوس و مریخ، یک لیتوسفر ساکن دارند که اساسا یک تک صفحه را که کل سیاره می پوشاند، در بر می گیرد. با این همه مقیاس بندی های ساده و نیز مدلهای پیچیده تر نشان می دهند که تکتونیک صفحه ای در سیارات بزرگتر (سوپر زمین ها)، باید ساده تر باشد و سایر چیزها باید یکسان باشند. دینامیک سیارات خاکی (هم ساختمان سطحی آنها و هم دینامیک عمق جبه آنها) در طی میلیاردها سال با سرد شدن یک سیاره، تغییر می کنند. ذوب جزئی، فرآیند مهمی است که بر تحول سیاره جامد تاثیر می گذارد. به دلیل فشار بسیار بالای داخل جبه های سوپرزمین ها، بطور معمول انتظار می رود که ویسکوزیته بسیار بالا باشد، همانطور که محاسبات نظریه تابع چگالی (DFT) ما نشان می دهند. بازخورد بین گرمایش داخلی، دما و ویسکوزیته به یک پروفایل دمایی فوق بی دررو و نیز خودتنظیمی ویسکوزیته جبه می انجامد بطوری که همرفت و جابجایی کند هنوز رخ می دهد.

1-مقدمه

اتمسفر نخستین ویژگی (غیر از جرم و شعاع) سیارات خاکی فراخورشیدی خواهد بود که قابل مشاهده است ولی اتمسفر زمین (سیاره قابل سکونت اصلی) بیشتر به دلیل جفت شدن با اندرون صلب از طریق چرخ های های فرار بلند مدت، در طی میلیاردها به شدت تغییر کرده است که مهمترین این چرخه ها شامل آب و کربن هستند. از این رو شناخت دینامیک جبه و لیتوسفر یک سیاره قابل سکونت شامل وضعیت تکتونیکی آن (تکتونیک صفحه ای یا یک سرپوش ساکن) اهمیت دارد. در این مقاله، وضعیت دانش ما درباره دینامیک داخلی و تحول سیارات خاکی قابل سکونت از جمله زمین و سوپر زمین ها مرور می شود و به وسیله مدلهای عددی جدید توصیف می گردد...