Μεταφορά θερμότητας στον μανδύα και ρεολογία

Ωθούμενος από την εσωτερική θερμότητα, ο στερεός μανδύας έρπει και μεταφέρει θερμότητα για εκατομμύρια χρόνια, και ο τρόπος που παραμορφώνεται το πέτρωμα του μανδύα, η ρεολογία του, καθορίζει την ένταση, το στυλ και το πρότυπο αυτής της πλανητικής ροής.

Definition

Η μεταφορά θερμότητας στον μανδύα είναι η αργή ροή του στερεού μανδύα που οφείλεται στην άνωση και μεταφέρει την εσωτερική θερμότητα της Γης στην επιφάνεια· η ρεολογία είναι η περιγραφή του τρόπου με τον οποίο το πέτρωμα του μανδύα παραμορφώνεται υπό τάση, κυρίως μέσω θερμικά ενεργοποιημένης έρπουσας κίνησης, η οποία καθορίζει το ιξώδες που διέπει αυτή τη ροή.

Scope

Αυτό το θέμα καλύπτει τη θερμική μεταφορά στον μανδύα και τη ρεολογία που την ελέγχει: τις εξισώσεις που διέπουν την έρπουσα ροή που οφείλεται στην άνωση, τον αριθμό Rayleigh και την έναρξη και την ένταση της μεταφοράς, τον ρόλο της εσωτερικής και της βασικής θέρμανσης, και τα στυλ μεταφοράς από στρωματοποιημένη έως ολόκληρου του μανδύα. Εξετάζει τους μηχανισμούς παραμόρφωσης των ορυκτών του μανδύα, την έρπουσα διάχυση και την έρπουσα μετατόπιση, την ισχυρή εξάρτηση του ιξώδους από τη θερμοκρασία και την πίεση, και την επίδραση των μεταβάσεων φάσης στη ροή. Η έμφαση δίνεται στο πώς η ρεολογία του στερεού πετρώματος διέπει τη μεταφορά θερμότητας μέσω μεταφοράς.

Core questions

• Ποιες εξισώσεις διέπουν την έρπουσα ροή που οφείλεται στην άνωση στον μανδύα;
• Πώς ο αριθμός Rayleigh ελέγχει την έναρξη και την ένταση της μεταφοράς;
• Με ποιους μηχανισμούς έρπουσας κίνησης παραμορφώνεται το στερεό πέτρωμα του μανδύα;
• Πώς η θερμοκρασία, η πίεση και οι μεταβάσεις φάσης διαμορφώνουν το στυλ μεταφοράς;

Key concepts

• Έρπουσα ροή που οφείλεται στην άνωση (Stokes)
• Αριθμός Rayleigh και ένταση μεταφοράς
• Έρπουσα διάχυση και έρπουσα μετατόπιση
• Ιξώδες εξαρτώμενο από τη θερμοκρασία και την πίεση
• Εσωτερική θέρμανση και στυλ μεταφοράς

Key theories

Θερμική μεταφορά και ο αριθμός Rayleigh

Το αν ο μανδύας μεταφέρει θερμότητα, και πόσο έντονα, διέπεται από τον αριθμό Rayleigh που εξισορροπεί την άνωση έναντι του ιξώδους και της θερμικής διάχυσης· πάνω από μια κρίσιμη τιμή αρχίζει η μεταφορά, και ο υψηλός αριθμός Rayleigh του μανδύα υποδηλώνει έντονη, χρονικά εξαρτώμενη ροή.

Ρεολογία έρπουσας κίνησης στερεάς κατάστασης

Το πέτρωμα του μανδύα ρέει μέσω της θερμικά ενεργοποιημένης μετανάστευσης σημειακών ελαττωμάτων και μετατοπίσεων, δίνοντας ένα ισχυρά εξαρτώμενο από τη θερμοκρασία και την τάση αποτελεσματικό ιξώδες που ελέγχει τους ρυθμούς και τα πρότυπα της μεταφοράς και την αντοχή της λιθόσφαιρας.

Mechanisms

Η θερμότητα από τη ραδιενεργό διάσπαση και από τον πυρήνα θερμαίνει τον βαθύ μανδύα, μειώνοντας την πυκνότητά του και καθιστώντας τον άνωση· επειδή το πέτρωμα του μανδύα παραμορφώνεται μέσω έρπουσας κίνησης στερεάς κατάστασης, ανεβαίνει σε θερμά πλουμίδια και βυθίζεται σε ψυχρές καθοδικές ροές, μεταφέροντας θερμότητα πολύ πιο αποτελεσματικά από την αγωγιμότητα, ενώ η ισχυρή εξάρτηση του ιξώδους από τη θερμοκρασία και οι επιδράσεις των μεταβάσεων φάσης των ορυκτών ρυθμίζουν αν η ροή εκτείνεται σε ολόκληρο τον μανδύα ή είναι εν μέρει στρωματοποιημένη.

Clinical relevance

Η μεταφορά θερμότητας στον μανδύα είναι η κινητήρια δύναμη της τεκτονικής των πλακών και η πηγή του ενδοπλακικού ηφαιστειότητας και της δυναμικής τοπογραφίας· η κατανόησή της περιορίζει τη θερμική ιστορία της Γης και συνδέει την επιφανειακή τεκτονική με το βαθύ εσωτερικό που απεικονίζεται από τη σεισμολογία.

History

Ο Holmes πρότεινε τη μεταφορά θερμότητας στον μανδύα ως την κινητήρια δύναμη της μετατόπισης των ηπείρων τη δεκαετία του 1930· η ποσοτική επεξεργασία ακολούθησε την τεκτονική των πλακών, με τη μελέτη των McKenzie, Roberts και Weiss το 1974 να πρωτοπορεί στην αριθμητική μοντελοποίηση της μεταφοράς θερμότητας στον μανδύα, και οι εργαστηριακές μελέτες παραμόρφωσης πετρωμάτων να καθορίζουν τους νόμους έρπουσας κίνησης που καθορίζουν τη ρεολογία του μανδύα.

Debates

Στρωματοποιημένη έναντι μεταφοράς ολόκληρου του μανδύα

Οι γεωφυσικοί συζητούσαν επί μακρόν αν ο ανώτερος και ο κατώτερος μανδύας μεταφέρουν θερμότητα ως ξεχωριστά στρώματα, όπως υποδηλώνουν ορισμένες γεωχημικές δεξαμενές, ή ως ένα ενιαίο σύστημα ολόκληρου του μανδύα, υποστηριζόμενο από σεισμικές εικόνες πλακών που διεισδύουν στον κατώτερο μανδύα· οι τρέχουσες απόψεις ευνοούν σε μεγάλο βαθμό τη ροή ολόκληρου του μανδύα με επιπλοκές κοντά στη ζώνη μετάβασης.

Key figures

• Arthur Holmes
• Dan McKenzie
• Shun-ichiro Karato
• Gerald Schubert

Seminal works

• schubert2001
• mckenzie1974
• karato2008

Frequently asked questions

Πόσο γρήγορα μεταφέρει θερμότητα ο μανδύας;

Εξαιρετικά αργά με τα καθημερινά πρότυπα, με ταχύτητες ροής λίγων εκατοστών ανά έτος, συγκρίσιμες με τον ρυθμό κίνησης των πλακών και με το πόσο γρήγορα μεγαλώνουν τα νύχια· η μεταφορά είναι σημαντική μόνο επειδή λειτουργεί για εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια χρόνια.

Τι είναι ο αριθμός Rayleigh;

Είναι ένα αδιάστατο μέτρο του πόσο έντονα ένα ρευστό τείνει να μεταφέρει θερμότητα, συγκρίνοντας την άνωση που οδηγεί τη ροή έναντι του ιξώδους και της θερμικής διάχυσης που την αντιστέκονται· ο πολύ υψηλός αριθμός Rayleigh του μανδύα σημαίνει ότι μεταφέρει θερμότητα έντονα παρά το ότι είναι στερεό πέτρωμα.