Куртка конвекционная

Тепловая конвекция твердой, но текучей земной мантии

Поскольку мантия медленно движется, потрясения называются (так называемая конвекция ) твердой мантии . Мантийная конвекция - это особая форма конвекции .

сказка

Концепция мантийной конвекции развивалась с начала 20 века из идеи потоков магмы и смещения магматической массы под твердой земной корой, сначала для объяснения геологии складчатых горных хребтов, таких как Альпы, а затем и других крупных геотектонических форм, таких как глубоководные каналы и региональные, вулканические трещинные системы.

Источники энергии

Вероятный температурный профиль между земной корой (слева) и земным ядром (справа)

Мантийная конвекция - это механизм переноса тепла, при котором материал, который постоянно охлаждается на поверхности земли и, следовательно, более плотный материал опускается под действием силы тяжести в ядро Земли , которое составляет около 5400 ° C ( субдукция ). Чтобы компенсировать это, горячий и, следовательно, менее плотный материал выдувается от границы ядро-мантия к земной коре . При предполагаемой скорости 5 см в год продолжительность одного обращения по орбите составляет около 240 миллионов лет. Поскольку мантийная конвекция охлаждает ядро Земли за счет естественной конвекции , у нее должны быть источники тепла ниже твердой, но текучей мантии Земли, то есть поблизости или внутри ядра Земли:

  • небольшая часть может все еще происходить из первых дней формирования Земли , что в настоящее время вызывает споры: гравитационное сжатие , энергия удара астероидов и метеоритов, выделение потенциальной энергии при формировании ядра Земли и распад короткоживущих радиоактивных элементов.
  • большая часть, вероятно, 80%, возникла в результате распада долгоживущих радиоактивных элементов ( 235 U, 238 U, 232 Th и 40 K) в мантии Земли или, вероятно, все еще создается сегодня в результате распада калия 40 в ядре Земли.
  • Согласно предположениям, скрытая теплота или теплота кристаллизации также выделяется, когда жидкий материал кристаллизуется на поверхности твердого внутреннего ядра Земли. Поскольку это идет рука об руку с сокращением ядра Земли, по крайней мере, гравитационная энергия связи способствует конвективному переносу энергии к мантии Земли и, таким образом, также «движению» геодинамики .

Таким образом, мантийная конвекция - это тепловая конвекция, при которой нагрев происходит снизу через земное ядро, которое, таким образом, охлаждается. Нагрев через переносимый радиоактивный материал не имеет значения, поскольку он не может создавать разницу плотностей между восходящим и нисходящим массовыми потоками. С другой стороны, вязкость мантии Земли (на той же глубине) зависит от температуры, потому что чем более вязкая жидкость, тем сильнее конкуренция проводимости за счет теплового потока . В целом конвекция рубашки переносит тепловой поток 3,5 × 10 13 Вт (соответствует 35 ТВт ).

Мантийная конвекция, тектоника плит и геодинамо

Сдвиги происходят очень медленно, с вертикальной и горизонтальной скоростью потока несколько сантиметров в год, что косвенно можно сделать вывод из сейсмологии и спутниковой геодезии . Несмотря на высокие температуры, конвективная земная мантия не жидкая, а твердая и ведет себя вязко или вязко ( вязкость от 10 21 до 10 23 Па с).

Мантийная конвекция «проходит» на поверхность земли, поскольку дрейфующие литосферные плиты из твердых пород с их континентами и океанским дном являются частью конвективной системы. Наиболее очевидные поверхностные эффекты:

Последний создается медленно движущимися литосферными плитами - так называемая тектоника плит . Масса континентальной коры встраивается в литосферные плиты и движется вместе с ними со скоростью несколько сантиметров в год. Нельзя сказать, что мантийная конвекция приводит в движение дрейфующие плиты - или, наоборот, что движущиеся плиты «перемешивают» верхнюю мантию Земли - потому что тектоника плит является неотъемлемой частью мантийной конвекции. Похожая ситуация и с внешним ядром Земли, в котором также имеют место конвекции, которые, кажется, ориентированы на мантию Земли. Тектоника плит, конвекции в мантии Земли и геодинамо , которое в конечном итоге является результатом потрясений во внешнем ядре Земли, взаимосвязаны.

Принцип

Пример модели мантийной конвекции: области с восходящими высокими температурами показаны красным цветом, области с низкими температурами - синим.

Конвекция оболочки основана на тепловой конвекции : в вязкой жидкости, которая нагревается снизу и изнутри и охлаждается сверху, перепады температур приводят к тепловому расширению или сжатию. Как и в случае жидкости в системе отопления дома при разных температурах, возникающая разница в плотности также вызывает силы плавучести в этом вязком материале. Эти силы плавучести приводят к течениям, которым противодействуют силы вязкости. Кроме того, теплопроводность противодействует конвекции, поскольку она пытается уравнять температуру между горячим восходящим потоком и холодным выходящим потоком. Физические величины плавучести, вязкости и теплопроводности суммируются в так называемом числе Рэлея Ra , которое является мерой силы конвекции.

Огромные массы находятся в движении, потому что мантия составляет более двух третей общей массы Земли . Кстати, то же самое и с магнитным полем : поток вещества в ядре Земли медленный, но большие массы все же вызывают электрические токи в несколько миллионов ампер.

Теоретически любую тепловую конвекцию можно изучить, сделав предположения о распределении массы и температуры и решив соответствующие математические уравнения на компьютере. В качестве примера на рисунке показан конвективный слой с Ra = 10 ^ 6 постоянной вязкости, нагреваемый снизу. Вы можете видеть, что на нижней стороне вязкого слоя есть горячий тепловой пограничный слой (красный), из которого поднимаются так называемые горячие плюмы ( мантийный плюм ). Холодные капли или шлейфы опускаются из холодного теплового пограничного слоя наверху (темно-синий).

Многослойная или полная конвекция рубашки

На глубине 660 км проходит фазовая граница ( разрыв 660 км ), отделяющая верхнюю мантию (глубина 30–410 км) и так называемую переходную зону мантии (глубина 410–660 км) от нижней мантии (глубина 660–2900 км). . Этот предел является препятствием для конвекции оболочки. Предполагается, что в ранней истории земной мантии конвекция была более сильной, чем сегодня, и, возможно, имела место отдельно в верхней и нижней мантии, в то время как сегодня мы находимся в своего рода переходной фазе к полномантийной конвекции: восходящие и падающие токи замедляются фазовой границей и накапливаются там. частично открываются, но затем в основном проникают в них. Об этом говорят находки ксенокристаллов с глубины не менее 660 км.

Мантийная конвекция, рассчитанная по данным сейсмической томографии. Горячие области показаны красным, прохладные - синим. Стрелки указывают скорости конвекционного потока, рассчитанные на основе этого.

Подтверждение картины течения конвекции рубашки

Помимо прямого наблюдения за поверхностными эффектами (тектоника плит), сейсмология косвенно позволяет идентифицировать ветви конвекции горячего восходящего и холодного опускания: горячие области характеризуются слегка пониженной сейсмической скоростью, холодные области - немного более высокими сейсмическими скоростями. Так называемая сейсмическая томография может использоваться для определения таких зон в мантии Земли (например, горячая, то есть поднимающаяся область под Исландией, холодная, то есть опускающаяся область под Японией). Распределения плотности, полученные из таких моделей томографии, затем можно использовать в уравнениях гидродинамики, и поля потока затем могут быть рассчитаны непосредственно из них. На иллюстрации показан такой пример.

Другая возможность косвенно наблюдать мантийную конвекцию - это гравитационное поле или геоид . Описанные выше вариации плотности приводят к очень небольшим, но измеримым изменениям в гравитационном поле Земли. Например, в западной части Тихого океана на большой площади наблюдается немного более сильное гравитационное поле, что объясняется более высокой плотностью холодного конвективного оттока ( зона субдукции ).

Индивидуальные доказательства

  1. Перейти ↑ Ricard, Y. (2009). «2. Физика мантийной конвекции». У Дэвида Берковичи и Джеральда Шуберта (ред.). Трактат по геофизике: динамика мантии. 7. Elsevier Science. ISBN 9780444535801 .
  2. ↑ Джеральд Шуберт; Дональд Лоусон Теркотт; Питер Олсон (2001) Мантийная конвекция на Земле и планетах. Издательство Кембриджского университета. стр. 16 и сл. ISBN 978-0-521-79836-5 .
  3. ↑ Тепловая конвекция со свободно движущейся верхней границей (PDF; 717 kB)
  4. ^ Тепловой поток из недр Земли: Анализ глобального набора данных
  5. ↑ Джон С. Льюис: Последствия присутствия серы в ядре Земли , Earth and Planetary Science Letters, том 11, выпуски 1–5, май - август 1971 г., страницы 130–134, ISSN  0012-821X , doi : 10.1016 / 0012-821X (71) 90154-3 . ( http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0012821X71901543 )
  6. ↑ http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-13445-2011-05-19.html
  7. ↑ Торсвик, Тронд Х .; Smethurst, Mark A .; Берк, Кевин; Штейнбергер, Бернхард (2006). «Большие магматические провинции, образованные на окраинах крупных низкоскоростных провинций в глубокой мантии». Международный геофизический журнал. 167 (3): 1447-1460. Bibcode: 2006GeoJI.167.1447T
  8. ↑ http://eprints.gla.ac.uk/125/1/Harris,J_1997pdf.pdf

Смотри тоже

веб ссылки