Блог о природе - Часть 4

Температура Земли

Обсуждение закрыто

graphicsmdcmercurythermh Температура Земли

Мы уже рассмотрели вопросы распределения источников тепла в коре и мантии (интенсивность источников около нуля), независимость от глубины теплопроводности вещества коры. Эти факторы приводят к линейному росту температуры с глубиной от 0?С до примерно 1000?С на границе Мохо. С учётом распределения температур в земной коре, рассмотрения теплопроводности в коре и мантии, переноса тепла мантийными конвекционными потоками можно перейти к рассмотрению распределения температур в мантии и ядре Земли. Нынешние данные о составе коры и мантии, о распределении источников тепла позволяют достаточно обоснованно ВЫЧИСЛИТЬ распределение температур в земной коре и мантии. Менее обоснованные суждения мы можем представить по поводу распределения температур в земном ядре.

В коре тепло передаётся кондуктивной теплопроводностью, поэтому тепловое сопротивление коры довольно велико. Температура в равниной материковой коре растёт с глубиной в темпе приблизительно 30?С / 1 км (при тепловом потоке ~0.1 Вт/м2 и теплопроводности ? ? 3ккал/(м*час*1?С).

(далее...)

Геоид

3

geoid300 Геоид

После рассмотрения тепловой конвекции в вязкой земной мантии и вызываемого этой конвекцией перманентного нарушения изостатического равновесия можно сказать несколько слов и о форме геоида – эквипотенциальной поверхности уровня моря.

Наши знания о форме Земли постепенно уточняются. Поначалу в представлении человека Земля была плоской. Затем стала совершенно круглой (идеальной сферой). Позже Ньютон показал, что земля сплюснута из-за своего быстрого вращения. По мере роста точности измерений оказалось, что форма Земли ещё сложнее. Её начали представлять ещё более сложным эллипсоидом. Но точные измерения показали, что поверхность не может быть представлена в аналитической форме. Поэтому для практических задач геодезии, астрономии, требующих высокой точности, отличия эквипотенциальной поверхности уровня моря от поверхности идеального эллипсоида начали приводить в виде таблиц, характеризующих отклонение реальной поверхности уровня моря – геоида – от идеальной поверхности эллипсоида.

На эквипотенциальной (равнопотенциальной) поверхности моря гравитационный потенциал всюду одинаков. Поэтому вода и не перетекает из точки в точку, как это было бы на наклонной поверхности, на которой гравитационный потенциал всюду различен (зависит от высоты). Поверхность неподвижной воды в поле сил тяжести мы называем горизонтальной. Направление силы тяжести мы называем вертикалью, оно всюду перпендикулярно горизонтальной поверхности, так что, если представить силу тяжести через составляющие, то её составляющая, параллельная горизонтальной поверхности воды, всегда равна нулю. Поэтому и нет самопроизвольного (только под действием сил тяжести) движения воды на горизонтальной поверхности. С направлением силы тяжести, действующей вертикально (по определению), совпадает линия отвеса (линия нити с подвешенным на ней грузиком). Поэтому выражение «линия отвеса не совпадает с вертикалью» вносит путаницу, оно не верно. Но линия отвеса, она же вертикальная линия, действительно, может не проходить через центр Земли.

Возникает вопрос: чем обусловлена наблюдаемая форма геоида?

Для ответа на этот вопрос просто запишем значение потенциала поля сил тяжести в какой-то точке. Потенциал определяется распределением масс во всём окружающем объёме, в окрестностях исследуемой точки:

U (R0) = ? * ? (?Mi/R0i) = ? * ? (?/R0v) dV.

Здесь U (R0) – гравитационный потенциал в точке R0,

? – гравитационная постоянная,

?Mi – масса физической точки, дающей вклад в потенциал U (R0),

R0i – расстояние между точкой R0 и i-ой физической точкой,

? – плотность непрерывного вещества,

R0v – расстояние между точкой R0 и элементарным объёмом dV, дающим вклад в потенциал. Суммирование (?) ведется по всем значимым точкам. Интегрирование (?) ведётся по всему значащему объёму.

Понятно, что если массы в нашей планете будут распределены не слишком симметрично, то и гравитационный потенциал будет не очень симметричен. Такую несимметричную поверхность равного потенциала (на уровне моря) мы и наблюдаем, точно измеряя (геодезическими методами) расстояние от уровня моря до центра Земли (до её центра масс). Чем же обусловлено отклонение распределения масс в недрах Земли от сферически симметричного?

(далее...)

Граница Мохоровичича

Обсуждение закрыто

84741646 Граница Мохоровичича

Мы живём на верхней поверхности твёрдой земной коры. Снизу кору ограничивает поверхность Мохоровичича. Она же граница, слой, зона, раздел Мохо. Располагается поверхность Мохо в разных географических точках на разных глубинах и не всегда чётко выражена.

Эта поверхность известна тем, что при переходе через неё меняется скорость распространения сейсмических волн. Ниже зоны Мохо (в мантии Земли) скорости распространения сейсмических волн больше, чем над нею, в коре. По изменению скорости волн и была обнаружена поверхность Мохо. Но, если изменяется скорость волн, то это изменение вызвано существенным изменением механических свойств среды, в которой они распространяются. Из механики известно, что скорости распространения продольных и поперечных волн Vp и Vs зависят от плотности среды и её жёсткости:

Vp = sqrt (E/?)

Vs = sqrt (G/?)

E – модуль Юнга, G — модуль сдвига.

То есть, теория и практика механики говорят, что изменение скорости волн в зоне Мохо обусловлено или изменением плотности, или изменением модулей упругости и сдвига. Или и тем, и другим. Кроме того, из анализа тепловых потоков из земных глубин известно, что примерно на той же глубине (в зоне Мохо) существенно увеличивается эффективная теплопроводность земных недр. Ниже зоны Мохо температура растёт гораздо медленнее, чем в коре.

Чем обусловлены эти изменения механических и теплофизических свойств недр?

(далее...)

Мантийная конвекция

2

1258059852191 Мантийная конвекция

Как мы уже выяснили раньше, в очень вязкой мантии Земли с необходимостью существует тепловая конвекция, вызванная к жизни инверсией плотности вещества земной мантии, нагреваемого в нижней части мантии (на границе с земным ядром) и охлаждающегося при передаче полученного тепла наверх через твёрдую, сравнительно холодную кору с интенсивностью порядка 0.1 Вт/ м2 (для равнинной материковой коры). Конвекция обеспечивает гораздо более интенсивную передачу тепла из центральных областей Земли к её поверхности, чем за счёт кондуктивной теплопроводности.

Сразу же отметим, что при достаточно быстром подъёме мантийного вещества в восходящем участке конвекционного потока (со скоростью, большей скорости передачи тепла за счёт теплопроводности) из глубоких недр (где царит огромное давление порядка 100 тысяч МПА) к земной коре (где давление порядка 1000 МПА) происходит адиабатическое охлаждение поднимающихся масс мантийного вещества. Охлаждение идёт из-за затрат энергии на расширение элементарных объёмов при уменьшении давления (при невозможности поступления тепла за счёт кондуктивной теплопроводности в достаточном темпе). Это происходит подобно тому, как в земной атмосфере при подъёме поначалу горячего воздуха. Точно так же при погружении мантийного вещества в составе нисходящей ветви мантийного конвекционного потока его температура растёт в результате адиабатического сжатия.

Поэтому при подсчёте количества тепла, переносимого мантийным конвекционным потоком, нет особого смысла учитывать взаимно компенсирующиеся адиабатические охлаждение и нагрев. Для упрощения расчётов можно пользоваться условной адиабатической температурой, приведённой к температуре для одинакового давления, скажем такого, как на нижней поверхности земной коры (на глубине 50 км).

Как можно обнаружить мантийную конвекцию, происходящую глубоко в недоступных недрах Земли, находясь на поверхности земной коры? Какие соображения мы можем (или должны) использовать для обнаружения очень медленных движений, происходящих на глубинах в сотни километров под нами?

(далее...)

Тепло Земли

Обсуждение закрыто

26532128lava Тепло Земли

Рассмотрим общеизвестный факт, состоящий в том, что по мере погружения в глубокую шахту температура её стенок растёт с увеличением глубины со скоростью приблизительно 30?С на 1000 метров (где-то больше, где-то меньше). Эта скорость роста температуры с глубиной называется геотермическим градиентом (G). Геотермический градиент наблюдается и в скважинах, в том числе и в самых глубоких. Причём геотермический градиент практически не изменяется по мере увеличения глубины (при практически постоянной теплопроводности на всех глубинах, на которых проводились измерения, поскольку породы одни и те же). Эти факты были получены на Кольской сверхглубокой и на других научных скважинах. Это означает, что через земную кору из глубин Земли идёт поток тепла, причём величина этого потока на наблюдаемых глубинах практически не меняется, количество проходящего тепла на разных глубинах постоянно.

Это значит, что на пройденных глубинах нет существенных источников тепла. Тепло генерируется где-то глубже. Известные факты (касающиеся теплотворной способности вещества коры и мантии) свидетельствуют о том, что существенных источников тепла нет ни в земной коре, ни в земной мантии, занимающей всё пространство от нижней поверхности коры до ядра Земли. Существование ядра вытекает из наблюдаемой картины распространения сейсмических волн через недра Земли.

Кропотливая статистическая обработка геологических сведений о составе твёрдой земной коры, имеющей толщину от 3 км в зоне Срединно-Океанических Хребтов или поднятий (СОХ), до 80 км под мощными горными системами, показывает, что в земной коре нет сколько-нибудь заметных количеств теплотворных веществ (химически- или радиоактивных), способных в течение длительного времени генерировать заметную часть наблюдаемого теплового потока, идущего через земную кору. Точно так же нет сколько-нибудь существенных источников тепла и в мантийном веществе, которое становится доступным для наблюдения, будучи извергнутым из вулканов, а также выходя из мантии на поверхность морского дна в качестве новообразованной земной коры в зоне спрединга (в зоне СОХ). Отсюда вытекает, что источник тепла, проходящего через земную кору в окружающее пространство, находится ниже зоны Мохо (которая, по определению является нижней поверхностью твёрдой земной коры). Но если для скептиков эти справочные данные по содержанию теплотворных веществ в коре и мантии могут показаться неубедительными, то можно предложить более убедительные доводы в доказательство того, что источник большей части земного тепла находится много ниже зоны Мохо.

(далее...)