Тепловая история Земли - Thermal history of the Earth - Wikipedia

В тепловая история Земли предполагает изучение истории охлаждения Земля внутри. Это подполе геофизика. (Тепловые истории также вычисляются^{[кем? ]} для внутреннего охлаждения других планетных и звездных тел.) Изучение тепловой эволюции недр Земли является неопределенным и противоречивым во всех аспектах, начиная с интерпретации петрологический наблюдения, используемые для определения температуры внутри, динамики жидкости, ответственной за теплопотери, свойств материала, определяющих эффективность теплопередачи.

Обзор

Наблюдения, которые можно использовать для определения температуры недр Земли, варьируются от самых старых пород на Земле до современных сейсмических изображений Земли. Внутреннее ядро размер. Древние вулканические породы могут быть связаны с глубиной и температурой плавления через их геохимический состав. Используя эту технику и некоторые геологические выводы об условиях, в которых сохраняется горная порода, можно сделать вывод о температуре мантии. В мантия сам по себе является полностью конвективным, так что температура в мантии в основном постоянна с глубиной за пределами верхнего и нижнего тепловых пограничных слоев. Это не совсем так, потому что температура в любом конвективном теле под давлением должна возрастать по адиабате, но адиабатический градиент температуры обычно намного меньше скачков температуры на границах. Поэтому мантию обычно ассоциируют с одиночным или потенциальная температура что относится к температуре средней мантии, экстраполированной вдоль адиабата на поверхность. Потенциальная температура мантии сегодня оценивается примерно в 1350 ° C. Имеется аналогичная потенциальная температура ядра, но поскольку нет образцов из ядра, его сегодняшняя температура зависит от экстраполяции температуры вдоль адиабаты от внутренней границы ядра, где железный солидус несколько ограничен.

Термодинамика

Простейшая математическая формулировка тепловой истории недр Земли включает изменение во времени температур средней мантии и среднего ядра. Чтобы вывести эти уравнения, сначала нужно написать энергетический баланс для мантии и ядра отдельно. Они есть,

${\displaystyle Q_{\text{surf}}=Q_{\text{sec,man}}+Q_{\text{rad}}+Q_{\text{cmb}}}$

для мантии и

${\displaystyle Q_{\text{cmb}}=Q_{\text{sec,core}}+Q_{\text{L}}+Q_{\text{G}}}$

для ядра. ${\displaystyle Q_{\text{surf}}}$ - поверхностный тепловой поток [Вт] на поверхности Земли (и мантии), ${\displaystyle Q_{\text{sec,man}}=M_{\text{man}}c_{\text{man}}dT_{\text{man}}/dt}$ - вековое остывающее тепло от мантии, а ${\displaystyle M_{\text{man}}}$, ${\displaystyle c_{\text{man}}}$, и ${\displaystyle T_{\text{man}}}$ - масса, теплоемкость и температура мантии. ${\displaystyle Q_{\text{rad}}}$ это радиогенное тепло производство в мантии и ${\displaystyle Q_{\text{cmb}}}$ - тепловой поток от границы ядра мантии. ${\displaystyle Q_{\text{sec,core}}=M_{\text{core}}c_{\text{core}}dT_{\text{core}}/dt}$ - длительное охлаждение активной зоны, а ${\displaystyle Q_{\text{L}}}$ и ${\displaystyle Q_{\text{G}}}$ - скрытый и гравитационный тепловой поток от внутренней границы ядра, возникающий при затвердевании железа.

Решение для ${\displaystyle dT_{\text{man}}/dt}$ и ${\displaystyle dT_{\text{core}}/dt}$ дает,

${\displaystyle {\frac {dT_{\text{man}}}{dt}}={\frac {3(-Q_{\text{surf}}-Q_{\text{cmb}})}{4\pi \rho _{\text{m}}c_{\text{m}}(R^{3}-R_{\text{c}}^{3})}}+{\frac {Q_{\text{rad}}}{V_{\text{m}}\rho _{\text{m}}c_{\text{m}}}}}$

и,

${\displaystyle {\frac {dT_{\text{core}}}{dt}}=Q_{\text{cmb}}\left[A_{\text{c}}(L+E_{G})\left({\frac {R_{i}}{R_{\text{c}}}}\right)^{2}\rho _{i}{\frac {dR_{i}}{dT_{\text{cmb}}\eta _{\text{c}}}}-{\frac {R_{\text{c}}^{3}-R_{i}^{3}}{3R_{\text{c}}^{3}}}\rho _{\text{c}}c_{\text{c}}\right]^{-1}}$

Термическая катастрофа

В 1862 году лорд Кельвин вычислил возраст Земли между 20 миллионами и 400 миллионами лет, если предположить, что Земля сформировалась как полностью расплавленный объект, и определить количество времени, которое потребуется для того, чтобы приповерхностные слои остыли до нынешней температуры. С униформизм требовалась гораздо более старая Земля, возникло противоречие. В конце концов, на Земле были обнаружены дополнительные источники тепла, что сделало возможным существование гораздо более старых возраст. Этот раздел посвящен аналогичному парадоксу в современной геологии, который называется тепловая катастрофа.

Тепловую катастрофу Земли можно продемонстрировать, решив приведенные выше уравнения эволюции мантии с ${\displaystyle Q_{\text{cmb}}=0}$. Катастрофа определяется как когда средняя температура мантии ${\displaystyle T_{\text{man}}}$ превышает солидус мантии, так что тает вся мантия. Используя предпочтительный с геохимической точки зрения коэффициент Юри ${\displaystyle Ur=1/3}$ и геодинамически предпочтительный показатель охлаждения ${\displaystyle {\text{beta}}=1/3}$ температура мантии достигает солидуса мантии (т. е. катастрофы) через 1-2 млрд лет. Этот результат явно неприемлем, поскольку геологические свидетельства существования твердой мантии существуют еще в 4 млрд лет (и, возможно, позже). Следовательно, проблема термической катастрофы - главный парадокс в тепловой истории Земли.

Новый основной парадокс

"Новый основной парадокс" ^[1] утверждает, что новый пересмотр в сторону увеличения эмпирически измеренной теплопроводности железа ^[2][3][4] Условия давления и температуры ядра Земли подразумевают, что динамо-машина в настоящее время термически стратифицирована, движимая исключительно композиционной конвекцией, связанной с затвердеванием внутреннего ядра. Однако широко распространенные палеомагнитные свидетельства геодинамо ^[5] старше вероятного возраста внутреннего ядра (~ 1 млрд лет) создает парадокс в отношении того, что приводило в действие геодинамо до зарождения внутреннего ядра. Недавно было высказано предположение, что более высокая скорость охлаждения ядра и более низкая скорость охлаждения мантии могут частично разрешить парадокс.^[6][7][8] Однако парадокс остается неразрешенным.

Недавно были предложены два дополнительных ограничения. Численное моделирование свойств материала чугуна при высоких температурах и давлении ^[9] заявляют, что верхний предел теплопроводности составляет 105 Вт / м / К. Этот пересмотр в сторону понижения проводимости частично снимает проблемы нового парадокса ядра за счет снижения адиабатического теплового потока ядра, необходимого для поддержания термоконвективности ядра. Однако позже это исследование было отозвано авторами.^[10] которые заявили, что их расчеты были ошибочными в два раза из-за пренебрежения вырождением спина. Это уменьшило бы электрон-электронное сопротивление вдвое, поддерживая более ранние оценки высокой проводимости железа.

Также недавние геохимические эксперименты ^[11] привели к предположению, что радиогенное тепло в активной зоне больше, чем считалось ранее. Этот пересмотр, если он верен, также уменьшит проблемы с тепловым балансом ядра, предоставив дополнительный источник энергии назад во времени.

Смотрите также

• Магнитное поле Земли
• земной шар
• Внутреннее ядро ​​Земли

дальнейшее чтение

• Бёлер, Рейнхард (1996). «ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ МАНТИИ И ЯДЕРЫ ЗЕМЛИ: Тепловая структура Земли». Ежегодный обзор наук о Земле и планетах. 24 (1): 15–40. Bibcode:1996AREPS..24 ... 15B. Дои:10.1146 / annurev.earth.24.1.15.
• Дэвис, Джеффри Ф. (2001). Динамическая земля: плиты, плюмы и мантийная конвекция (Ред. Ред.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780521599337.
• Фаулер, C.M.R. (2006). «7. Жара». Твердая земля: введение в глобальную геофизику (2-е изд.). Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. С. 269–325. ISBN  9780521893077.
• Джейкобс, Дж. (1992). «4. Тепловая история Земли». Глубокая недра земли (1-е изд.). Лондон: Чепмен и Холл. ISBN  9780412365706.
• Маккензи, Дэн; Вайс, Найджел (1975). «Размышления о тепловой и тектонической истории Земли». Геофизический журнал Королевского астрономического общества. 42 (1): 131–174. Дои:10.1111 / j.1365-246X.1975.tb05855.x.
• Поллак, Генри Н .; Хертер, Сюзанна Дж .; Джонсон, Джеффри Р. (1993). «Тепловой поток из недр Земли: Анализ глобального набора данных». Обзоры геофизики. 31 (3): 267. Bibcode:1993RvGeo..31..267P. Дои:10.1029 / 93RG01249.
• Sharpe, H.N .; Пельтье, В. Р. (1978). «Параметризованная мантийная конвекция и термическая история Земли». Письма о геофизических исследованиях. 5 (9): 737–740. Bibcode:1978GeoRL ... 5..737S. Дои:10.1029 / GL005i009p00737.
• Уильямс, Квентин (6 октября 1997 г.). «Почему ядро ​​Земли такое горячее? И как ученые измеряют его температуру?». Спросите у экспертов. Scientific American. Получено 6 апреля 2013.

Рекомендации

1. Олсон, П. (24 октября 2013 г.). «Новый основной парадокс». Наука. 342 (6157): 431–432. Bibcode:2013Наука ... 342..431O. Дои:10.1126 / science.1243477. PMID  24159035. S2CID  21839488.
2. de Koker, N .; Steinle-Neumann, G .; Влчек, В. (28 февраля 2012 г.). «Удельное электрическое сопротивление и теплопроводность жидких сплавов Fe при высоких P и T, а также тепловой поток в ядре Земли». Труды Национальной академии наук. 109 (11): 4070–4073. Bibcode:2012PNAS..109.4070D. Дои:10.1073 / pnas.1111841109. ЧВК  3306690. PMID  22375035.
3. Поццо, Моника; Дэвис, Крис; Габбинс, Дэвид; Альфе, Дарио (11 апреля 2012 г.). «Тепловая и электрическая проводимость железа в условиях ядра Земли». Природа. 485 (7398): 355–358. arXiv:1203.4970. Bibcode:2012Натура.485..355П. Дои:10.1038 / природа11031. PMID  22495307. S2CID  4389191.
4. Гоми, Хитоши; Охта, Кенджи; Хиросе, Кей; Лабросс, Стефан; Каракас, Разван; Verstraete, Matthieu J .; Хернлунд, Джон В. (ноябрь 2013 г.). «Высокая проводимость железа и тепловая эволюция ядра Земли». Физика Земли и планетных недр. 224: 88–103. Bibcode:2013ПЭПИ..224 ... 88Г. Дои:10.1016 / j.pepi.2013.07.010.
5. Tarduno, J. A .; Cottrell, R.D .; Watkeys, M. K .; Hofmann, A .; Doubrovine, P. V .; Mamajek, E.E .; Liu, D .; Sibeck, D. G .; Neukirch, L.P .; Усуи, Ю. (4 марта 2010 г.). «Геодинамо, солнечный ветер и магнитопауза от 3,4 до 3,45 миллиардов лет назад». Наука. 327 (5970): 1238–1240. Bibcode:2010Sci ... 327.1238T. Дои:10.1126 / science.1183445. PMID  20203044. S2CID  23162882.
6. Driscoll, P .; Берковичи, Д. (ноябрь 2014 г.). «О тепловой и магнитной истории Земли и Венеры: влияние плавления, радиоактивности и проводимости». Физика Земли и планетных недр. 236: 36–51. Bibcode:2014PEPI..236 ... 36D. Дои:10.1016 / j.pepi.2014.08.004.
7. Лабросс, Стефан (февраль 2015 г.). «Тепловая эволюция сердечника с высокой теплопроводностью». Физика Земли и планетных недр. 247: 36–55. Bibcode:2015ПЭПИ..247 ... 36л. Дои:10.1016 / j.pepi.2015.02.002.
8. Дэвис, Кристофер Дж. (Апрель 2015 г.). «История охлаждения ядра Земли с высокой теплопроводностью» (PDF). Физика Земли и планетных недр. 247: 65–79. Bibcode:2015ПЕПИ..247 ... 65Д. Дои:10.1016 / j.pepi.2015.03.007.
9. Чжан, Пэн; Cohen, R.E .; Хауле, К. (28 января 2015 г.). «Влияние электронных корреляций на транспортные свойства железа в условиях ядра Земли». Природа. 517 (7536): 605–607. Bibcode:2015Натура.517..605Z. Дои:10.1038 / природа14090. PMID  25631449. S2CID  4465631.
10. Чжан, Пэн; Cohen, R.E .; Хауле, К. (4 августа 2016 г.). «Примечание к ретракции: влияние электронных корреляций на транспортные свойства железа в условиях ядра Земли». Природа. 536 (7614): 112. Bibcode:2016Натура.536..112Z. Дои:10.1038 / природа17648. PMID  27074505.
11. Уолерс, Анке; Вуд, Бернард Дж. (15 апреля 2015 г.). "Ртуть-подобный компонент ранней Земли дает уран в ядре и высокой мантии 142Nd". Природа. 520 (7547): 337–340. Bibcode:2015Натура. 520..337Вт. Дои:10.1038 / природа14350. ЧВК  4413371. PMID  25877203.