[论文解读] Potassium influence on Earth's mantle convection and Borexino data

I. S. Karpikov|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2026

High-pressure geophysics and materials被引用 0

一句话总结

该论文通过建立含40K内部加热的二维地幔对流模型，比较与 Borexino 数据的含40K地球模型，探讨地幔中大规模钾-40 含量的可行性。

ABSTRACT

High flux of geoantineutrinos $^{40}$K and geoneutrinos $^{40}$K ($^{40}$K-geo-($\barν + ν$)) can be obtained from reanalysis of the Borexino Phase III data. Large amounts of $^{40}$K should produce a significant heat flow that should affect Earth's internal processes. We present the results of the modeling of mantle convection taking into account the excess heat from $^{40}$K.

研究动机与目标

• 通过将地球内部热量与地幔对流及潜在高40K含量联系起来来推动研究。
• 量化40K放射性热如何在可行的流变学条件下影响地幔动力学。
• 评估 Borexino Géoneutrino 数据分析与高40K地球模型的一致性。
• 提供定性对流模拟以测试显著地幔钾的可行性。
• 概述未来工作以改进温度与压力下黏度和扩散率的依赖性。

提出的方法

• 在二维球形环结构中使用 Boussinesq近似求解质量、动量、能量的无量纲控制方程。
• 采用无量纲化，尺度为 x=X/D, t=t'κ0/D^2, T=T'/ΔT, v=VD/κ0, P=P' D^2/(κ0 η0)。
• 假设 η 与 κ 取值为1以进行定性评价，并设 T0=ΔT、v0=0 作为初始条件。
• 在 r=0 与 r=D 处设置无滑移速度边界，在边界上固定温度，T|r=0=0.12ΔT 和 T|r=D=1.12ΔT。
• 对四种情形进行建模，Ra=10^5 或 Ra=10^6，内部加热场景为：Hnow=5×10^-12 与 Hnow=15×10^-12 W/kg。
• 引入随时间变化的内部加热 H(t)=H0 exp(-t/t40K)，其中 H0=Hnow·exp(tmax/t40K)，tmax=4.5 Gyr，t40K=1.8 Gyr。

实验结果

研究问题

• RQ1 在可行的黏度对比条件下，地幔中大量40K含量是否可以与观测到的地幔对流模式相容？
• RQ2 在二维对流模型中，40K衍生的内部加热对地幔温度与流场有何影响？
• RQ3 Borexino的 Géoneutrino 分析在将地幔对流约束结合时，是否支持 substantial 的钾-40 预算？
• RQ4 在地质时间尺度上，哪些参数区间（Ra、H）使冷却与放射性加热相竞争？

主要发现

• 高黏度情形（Ra=10^5）会强烈加热，且在所模拟的时间尺度内可能无法冷却到如今的条件。
• 低黏度情形（Ra=10^6）因热能转化为地幔流动的动能而更快冷却。
• 在高黏度情形下，40K 的热量可能使地幔温度高于核心温度；在低黏度情形下则有更多时间进行冷却。
• Borexino 的分析提示存在 substantial 的40K 含量；本研究在某些地幔参数下定性地证明了这样一个富钾地球是可能的。