تکامل حرارتی زمین
زمین از زمان شکلگیری داغ خود، با انتقال حرارت داخلی خنک شده است؛ یک تاریخچه حرارتی طولانی که کند شدن تکتونیک صفحهای، رشد هسته داخلی و طول عمر میدان مغناطیسی را کنترل میکند.
Definition
تکامل حرارتی زمین، تغییر سکولار در دما و محتوای حرارتی فضای داخلی آن در طول زمان زمینشناسی است که توسط رقابت بین تولید گرمای داخلی و اتلاف گرمای همرفتی تعیین میشود و تاریخچه همرفت گوشته، خنک شدن هسته و میدان مغناطیسی را کنترل میکند.
Scope
این موضوع به تاریخچه حرارتی بلندمدت زمین میپردازد: تعادل بین گرمای تولید شده توسط رادیواکتیویته و منابع اولیه و گرمای از دست رفته در سطح، مدلهای پارامتری شده از چگونگی تکامل دمای گوشته و شدت همرفتی، و خنک شدن هسته که رشد هسته داخلی و ژئودینامو را هدایت میکند. این موضوع به محدودیتهایی میپردازد که اتلاف گرمای همرفتی به گرانروی گوشته و در نتیجه دما بستگی دارد، کوپلینگ حرارتی گوشته و هسته، و پیامدهای آن برای تاریخچه تکتونیکی و مغناطیسی سیاره. تأکید بر این است که چگونه گرمای داخلی زمین در طول میلیاردها سال تغییر کرده است.
Core questions
- چگونه تعادل تولید و اتلاف گرما در طول تاریخ زمین تغییر کرده است؟
- چگونه گرانروی وابسته به دما، خنک شدن گوشته را تنظیم میکند؟
- چگونه خنک شدن هسته، رشد هسته داخلی و ژئودینامو را هدایت میکند؟
- تکامل حرارتی چه پیامدهایی برای تاریخچه تکتونیک صفحهای دارد؟
Key concepts
- خنک شدن سکولار و تعادل گرمایی زمین
- مدلهای همرفتی پارامتری شده
- گرانروی وابسته به دما و خودتنظیمی
- خنک شدن هسته و رشد هسته داخلی
- تاریخچه حرارتی تکتونیک صفحهای
Key theories
- خنک شدن همرفتی پارامتری شده
- از آنجا که اتلاف گرمای همرفتی با دمای گوشته از طریق وابستگی گرانروی به دما افزایش مییابد، گوشته خودتنظیم میشود: یک گوشته اولیه داغتر با شدت بیشتری همرفت میکرد و سریعتر خنک میشد، بنابراین مدلها شار گرما را در برابر عدد رایلی پارامتری میکنند تا تاریخچه خنک شدن سیاره را ردیابی کنند.
- خنک شدن هسته و ژئودینامو
- همانطور که گوشته گرما را از هسته استخراج میکند، هسته خنک میشود و هسته داخلی متبلور میشود و انرژی نهان و گرانشی را آزاد میکند که به تأمین انرژی ژئودینامو کمک میکند؛ زمان هستهزایی هسته داخلی یک محدودیت کلیدی برای تاریخچه طولانی میدان است.
Mechanisms
زمین از زمان برافزایش و تشکیل هسته داغ بود و از آن زمان تاکنون گرما را سریعتر از آنچه رادیواکتیویته تأمین میکند، از دست داده است، بنابراین به آرامی در حال خنک شدن است؛ از آنجا که گرانروی گوشته با افزایش دما کاهش مییابد، گوشته داغتر با شدت بیشتری همرفت میکند و سریعتر خنک میشود، که بازخورد منفی را فراهم میکند که خنک شدن را هموار میکند، در حالی که گرمای گرفته شده از هسته دمای آن را کاهش میدهد، هسته داخلی را منجمد میکند و همرفتی را که میدان مغناطیسی را هدایت میکند، حفظ میکند.
Clinical relevance
تکامل حرارتی، بودجه انرژی زمین را به تاریخچه و آینده تکتونیک صفحهای، آتشفشانخیزی و میدان مغناطیسی پیوند میدهد، مقایسههایی با تاریخچههای متفاوت زهره و مریخ را چارچوببندی میکند و بر قابلیت سکونت طولانیمدت سیاره تأثیر میگذارد.
History
محاسبه خنکسازی کلوین، سن بسیار پایینی را برای زمین قبل از اینکه رادیواکتیویته به عنوان منبع گرمای داخلی شناخته شود، ارائه داد؛ مدلهای همرفتی پارامتری شده مدرن از اواخر قرن بیستم، همراه با محدودیتهایی در رشد هسته داخلی و انرژی هسته، تصویر کنونی یک سیاره خودتنظیمکننده و به آرامی خنکشونده را تثبیت کردند.
Debates
- سن هسته داخلی و بودجه حرارتی هسته
- برآوردهای بازنگری شده از رسانایی حرارتی بالای هسته، اتلاف گرمای سریع و یک هسته داخلی از نظر زمینشناسی جوان را نشان میدهد، که این سؤال را مطرح میکند که چگونه ژئودینامو قبل از هستهزایی هسته داخلی تأمین انرژی میشد و پیشنهاداتی مانند اقیانوس ماگمایی پایه یا منابع انرژی ترکیبی جایگزین را برانگیخته است.
Key figures
- William Thomson (Lord Kelvin)
- Geoffrey Davies
- Stéphane Labrosse
Related topics
Seminal works
- schubert2001
- jaupart2011
- labrosse2007
Frequently asked questions
- آیا زمین در حال خنک شدن است؟
- بله، در طول میلیاردها سال، زمین به آرامی گرمای بیشتری را از آنچه رادیواکتیویته آن تولید میکند، از دست میدهد، بنابراین فضای داخلی آن به تدریج در حال خنک شدن است؛ این خنک شدن باعث انجماد هسته داخلی میشود و در آینده بسیار دور، همرفتی را که تکتونیک صفحهای و میدان مغناطیسی را تأمین میکند، تضعیف خواهد کرد.
- خنک شدن زمین چگونه با میدان مغناطیسی آن مرتبط است؟
- خنک شدن هسته باعث تبلور هسته داخلی میشود و گرما و عناصر سبک را آزاد میکند که هسته بیرونی مایع را به هم میزند؛ این همرفت همان چیزی است که ژئودینامو را حفظ میکند، بنابراین تکامل حرارتی سیاره به شدت با قدرت و بقای میدان مغناطیسی مرتبط است.