Термическая эволюция Земли

С момента своего горячего формирования Земля охлаждалась за счет конвективного отвода внутреннего тепла, что представляет собой длительную термическую историю, определяющую замедление тектоники плит, рост внутреннего ядра и продолжительность существования магнитного поля.

Definition

Термическая эволюция Земли — это вековое изменение температуры и теплосодержания ее недр в течение геологического времени, определяемое конкуренцией между внутренней генерацией тепла и конвективной потерей тепла, что контролирует историю конвекции мантии, охлаждения ядра и магнитного поля.

Scope

Эта тема охватывает долгосрочную термическую историю Земли: баланс между теплом, генерируемым радиоактивностью и первичными источниками, и теплом, теряемым на поверхности; параметризованные модели эволюции температуры мантии и интенсивности конвекции; а также охлаждение ядра, которое стимулирует рост внутреннего ядра и геодинамо. Рассматривается ограничение, согласно которому конвективная потеря тепла зависит от вязкости мантии и, следовательно, от температуры, термическая связь мантии и ядра, а также последствия для тектонической и магнитной истории планеты. Основное внимание уделяется тому, как внутреннее тепло Земли изменялось на протяжении миллиардов лет.

Core questions

• Как изменился баланс генерации и потери тепла за историю Земли?
• Как зависящая от температуры вязкость регулирует охлаждение мантии?
• Как охлаждение ядра стимулирует рост внутреннего ядра и геодинамо?
• Что термическая эволюция подразумевает для истории тектоники плит?

Key concepts

• Вековое охлаждение и тепловой баланс Земли
• Параметризованные модели конвекции
• Температурно-зависимая вязкость и саморегуляция
• Охлаждение ядра и рост внутреннего ядра
• Термическая история тектоники плит

Key theories

Параметризованное конвективное охлаждение

Поскольку конвективная потеря тепла увеличивается с температурой мантии из-за температурной зависимости вязкости, мантия саморегулируется: более горячая ранняя мантия конвектировала и охлаждалась быстрее, поэтому модели параметризуют тепловой поток относительно числа Рэлея для отслеживания истории охлаждения планеты.

Охлаждение ядра и геодинамо

По мере того как мантия отводит тепло от ядра, ядро охлаждается и внутреннее ядро кристаллизуется, высвобождая скрытую и гравитационную энергию, которая способствует питанию геодинамо; время нуклеации внутреннего ядра является ключевым ограничением для длительной истории поля.

Mechanisms

Земля изначально была горячей после аккреции и формирования ядра и с тех пор теряет тепло быстрее, чем его поставляет радиоактивность, поэтому она медленно остывает; поскольку вязкость мантии падает с ростом температуры, более горячая мантия конвектирует более интенсивно и охлаждается быстрее, обеспечивая отрицательную обратную связь, которая сглаживает охлаждение, в то время как тепло, отводимое от ядра, снижает его температуру, замораживает внутреннее ядро и поддерживает конвекцию, которая приводит в действие магнитное поле.

Clinical relevance

Термическая эволюция связывает энергетический бюджет Земли с историей и будущим тектоники плит, вулканизма и магнитного поля, позволяет проводить сравнения с расходящимися историями Венеры и Марса и влияет на долгосрочную обитаемость планеты.

History

Расчет охлаждения Кельвина дал, как известно, заниженный возраст Земли до того, как стало известно о поступлении внутреннего тепла за счет радиоактивности; современные параметризованные модели конвекции конца XX века, наряду с ограничениями на рост внутреннего ядра и энергетику ядра, сформировали современное представление о саморегулирующейся, медленно остывающей планете.

Debates

Возраст внутреннего ядра и тепловой бюджет ядра

Пересмотренные оценки высокой теплопроводности ядра подразумевают быструю потерю тепла и геологически молодое внутреннее ядро, что поднимает вопрос о том, как геодинамо питалось до нуклеации внутреннего ядра, и стимулирует предложения, такие как базальный магматический океан или альтернативные источники химической энергии.

Key figures

• William Thomson (Lord Kelvin)
• Geoffrey Davies
• Stéphane Labrosse

Seminal works

• schubert2001
• jaupart2011
• labrosse2007

Frequently asked questions

Остывает ли Земля?

Да, на протяжении миллиардов лет Земля медленно теряет больше тепла, чем производит ее радиоактивность, поэтому ее недра постепенно остывают; это охлаждение приводит к замерзанию внутреннего ядра и в очень отдаленном будущем ослабит конвекцию, которая приводит в действие тектонику плит и магнитное поле.

Как охлаждение Земли связано с ее магнитным полем?

Охлаждение ядра позволяет внутреннему ядру кристаллизоваться, высвобождая тепло и легкие элементы, которые перемешивают жидкое внешнее ядро; эта конвекция поддерживает геодинамо, поэтому термическая эволюция планеты тесно связана с силой и выживанием магнитного поля.