MultIHeaTS: 用于多层行星表面的快速稳定热传导求解器

提出一种用于求解 1D 各向异性介质中热方程的全隐式格式，作为高效的开源 Python 代码。该算法在不规则网格上使用有限差分方法，由于采用隐式格式，具有无条件稳定性。该热传导求解器通过与刚性解析解的验证，展示了其在处理刚性初始条件方面的鲁棒性。通过在行星表面场景中处理由黑体热辐射引起的非线性边界条件，展示了其针对各向异性情况的普遍适用性。MultIHeaTS 优越的稳定性使得其计算速度比 Spencer 的显式求解器快最高可达 100 倍，因而非常适合用于模拟大时间尺度上的过程。该求解器用于比较行星表面均匀材料和双层剂层剂量的热特征。结果表明，均匀材料无法再现双层剂层剂量中观察到的热特征，这凸显了多层求解器的必要性。为优化空间任务的科学回报，我们提出由三次局部时间观测组成的策略，足以识别双层介质，例如用于下一代对木星系统任务。求解器的第二个应用是估计欧罗巴近表面（前 10s m）在 100 万年模拟中的温度剂量，模拟期间考虑不同的轨道参数。通过深度的概率分布获得温度剂量。MultIHeaTS 作为多物理仿真模型的核心热传导求解器，详述于合伙人文章 C. Mergny & F. Schmidt 中。