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Main Title: Variations in the length of day of the earth due to topographic core-mantle coupling in a stratified layer
Translated Title: Variationen der Tageslänge der Erde aufgrund einer topographischen Kern-Mantle-Kopplung in einer stratifizierten Schicht
Author(s): Glane, Sebastian
Advisor(s): Müller, Wolfgang H.
Referee(s): Müller, Wolfgang H.
Hutter, Kolumban
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: There is evidence that a stably stratified layer of fluid, which is not penetrated by the convective flow of fluid in the bulk of the outer core, is located below the Core-Mantle Boundary (CMB). The question considered in this thesis is whether such a layer also affects the core-mantle coupling. If so, minute variations in the Length of Day (LOD) can be explained by a core-mantle coupling mechanism which accounts for the presence of stratification and deviations of the shape of the CMB from a perfect sphere. A first order perturbation analysis of the problem in \textsc{Cartesian} geometry predicts an average traction which is comparable to the value inferred from historical records of LOD variations. The dependence of this traction on the dimensionless parameters of the simplified problem is analyzed in detail. It is found that its dependence on the strength of the stratification, the velocity and the magnetic field is non-linear which yields a variation of the average traction by several orders of magnitude. Furthermore, a resulting torque which is acting on the CMB is obtained through the application of a synthetic model which combines the simplified \textsc{Cartes}ian model with the results of numerical dynamo simulations. The LOD variations computed from the predicted torque are large in comparison to historical records. This is due to an inconsistent coupling of the numerical and the analytical model. If the predicted LOD variations are correct for the error due to the inconsistency, the validity of the proposed core-mantle coupling model cannot be confirmed by a comparison with historical records because the timescales of the predicted variations are too large in comparison to the available records. Nevertheless, the findings of this study suggest that topographic core-mantle coupling in a stratified layer could be confirmed as a possible candidate for a viable core-mantle coupling model.
Es gibt Hinweise darauf, dass sich unter der Kern-Mantel-Grenze ein stark stratifiziertes Fluid befindet, in welches die Konvektionsströmung im Inneren des äußeren Erdkern nicht eindringt. Die Fragestellung dieser Dissertationsschrift ist daher, ob und wie diese Fluidschicht die Kopplung zwischen dem Erdkern und dem Erdmantel beeinflusst. Winzige Änderungen in der Tageslänge könnten durch ein Kopplungsmodell zwischen Erdkern und Erdmantel erklärt werden, welches die Dichteschichtung und eine Abweichung der Gestalt der Kern-Mantel-Grenze von einer perfekten Kugel berücksichtigt. Eine Störungsrechnung erster Ordnung eines \textsc{Cartes}ischen Modellproblems ergibt eine gemittelte Spannung, deren Wert mit demjenigen vergleichbar ist, der aus den Variationen der Tageslänge abgeleitet werden kann. Eine Analyse der dimensionslosen Parameterabhängigkeiten des Problems zeigt, dass die gemittelte Spannung nicht-linear vom Grad der Dichteschichtung, der Fluidgeschwindigkeit und dem Magnetfeld abhängt. Des weiteren wurde ein synthetisches Modell entwickelt, welches das auf den Mantel wirkende Drehmoment aus dem vereinfachten \textsc{Cartes}ischen Modell und den Ergebnissen einer numerischen Dynamosimulation berechnet. Die durch das Drehmoment vorhergesagten Variationen der Tageslänge sind im Vergleich zu historischen Messdaten groß. Diese Tatsache ist auf eine inkonsistente Kopplung zwischen dem numerischen und analytischen Modell zurückzuführen. Wenn die vorhergesagten Variationen um diesen Fehler bereinigt werden, kann das untersuchte Kopplungsmodell nicht durch einen Vergleich mit historischen Messdaten endgültig bestätigt werden, da die Zeitskalen der vorhergesagten Variationen stark von jenen der verfügbaren Messdaten ab\-wei\-chen. Nichtsdestotrotz geben die Ergebnisse dieser Arbeit Hinweise darauf, dass Kombination von Dichteschichtung des Fluids und Topogaphie der Kern-Mantel-Grenze ein Kopplungsmodell zwischen Kern und Mantel darstellen, das in der Realität tatsächlich existieren könnte.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12240
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11112
Exam Date: 9-Dec-2020
Issue Date: 2021
Date Available: 11-Jan-2021
DDC Class: 621 Angewandte Physik
550 Geowissenschaften
Subject(s): LOD variations
core-mantle coupling
magnetohydrodynamics
stratification
coure-mantle boundary
Tageslänge-Variationen
Kern-Mantel-Kopplung
Magnetohydrodynamik
Stratifizierung
Kern-Mantel-Grenze
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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