29. Чем можно объяснить «сквозьмантийные каналы», обнаруженные топографическими исследованиями?

Целенаправленные топографические исследования последних десятилетий показали, что в разрезе подастеносферной мантии имеются какие-то «прорезающие нижнюю мантию насквозь неоднородности», представленные своеобразными сквозьмантийными каналами.

О современном состоянии нашей планеты имеются три гипотезы – гипотезы расширяющейся Земли, сжимающейся Земли и пульсирующей Земли. Доводы в пользу гипотезы расширяющейся Земли превалируют перед двумя другими. По нашему мнению, расширение планеты во времени происходит на двух уровнях разреза Земли – на ядерном и астеносферно-литосферном уровнях.

Начнем со второго (верхнего) уровня расширения планеты, соответствующего астеносферному и литосферному слоям Земли.

Астеносферный слой Земли оказывается приобретением планеты, образованный за счет конвективных течений вверх энергии и вещества, «высвобожденных» в результате дегидридизации внутреннего первичного гидридного ядра и накопившийся под «своеобразной покрышкой», представленной жесткой литосферой.

Обособление этого слоя в качестве самостоятельной сферы Земли с течением геологического времени должно сопровождаться некоторым увеличением планеты, поскольку плотность вещества астеносферы намного меньше, чем плотность вещества «своих прародителей» – подастеносферной мантии и ядер Земли (жидкого внешнего ядра и твердого внутреннего ядра).

Что касается первого (нижнего) уровня расширения планеты, то суть этого процесса связана с разуплотнением исходного более плотного вещества и обособлением разуплотненных веществ в качестве самостоятельной сферы планеты. Это приводит к образованию жидкого чисто металлического внешнего ядра с плотностью вещества порядка 9,5 г/см³ за счет дегидридизации металлов твердого первично гидридного ядра (плотность – до 13,5 г/см³). Очевидно, что этот процесс сопровождается увеличением суммар­ного объема двух ядер сегодняшней планеты по сравнению с объемом первичного чисто гидридного ядра, поскольку удаление водо­рода из ядер не в состоянии компенсировать увеличение объема внеш­него ядра за счет «раскрепощения» металлов от гидридной связи, обла­дающего большими потенциальными возможностями для расширения. Такое увеличение объема суммарного ядра планеты непременно должно привести к «растрескиванию» плотно прилегающей к нему твердой подастеносферной мантии и образованию в ее разрезе радиально направленных зон и каналов повышенной теплопроводности. Таким образом, именно гидридная модель изначального ядра Земли и его дальнейшее расширение, на наш взгляд, не исключают существование в подастеносферной мантии сквозных каналов, связывающих ядро с астеносферой.

30. Напишите уравнение Рэлея. Какие свойства жидкости (в нашем случае, астеносферы) способствуют лучшему протеканию тепловой конвекции?

Природа конвекционного течения открыта в начале XX столе­тия французским ученым Бенаром. Смысл этого физического явле­ния предельно прост: любая жидкость при повышении температу­ры расширяется, становится легче и начинает подниматься вверх: остыв на поверхности, она становится снова тяжелее (плотнее) и опускается вниз. Эти движения жидкости, по существу, и есть конвекционное течение. Поскольку разность плотности противопо­ложных частей жидкости создается благодаря разности темпера­тур, данный тип конвекции называется тепловой конвекцией.

Теоретический анализ и обоснование физической сущности опытов Бенара осуществлены Рэлеем в 1916 г. Он установил, что не всякое количество тепла, поступающее в жидкость, вызывает конвекцию. Пока это тепло может передаваться через жидкость путем обычной теплопроводности, конвекция не протекает; как только тепло начинает поступать в слишком больших количествах и обычная теплопроводность не обеспечивает передачу всего коли­чества тепла через жидкость, у ее дна накапливается определенное количество высокотемпературных разуплотненных частиц этой жидкости, которые, поднимаясь вверх, создают конвекционное течение.

Рэлей обосновал конкретное условие протекания тепловой конвекции. По его представлению, конвекция начинает действовать только тогда, когда некоторая безразмерная функция достигает критической величины, равной примерно тысяче. Эта функция, как известно, называется числом Рэлея и выражается следующим уравнением:

R = α · β · g · h ⁴ / k · η,

где: R – число Рэлея; α – температурный коэффициент объемного расширения, т. е. приращение объема жидкости при повышении температуры на один градус; β –температурный градиент, т. е. скорость возрас­тания температуры с глубиной; g – ускорение силы тяжести; h – глубина (толщина) слоя жидкости, в которой протекает кон­векция; k – коэффициент температуропроводности; η – вязкость жидкости.

Как можно заметить из приведенной формулы, значение числа Рэлея в решающей степени зависит в основном от двух показа­телей – толщины слоя (h) и вязкости жидкости (η).

В ранней истории планеты астеносферный слой Земли имел толщину несравнимо меньшую, чем сейчас. Этот вывод предвещает большие перспективы в понимании особенностей исторической эволюции Земли как геологического объекта, поскольку толщина астеносферы, в которой протекает конвекционное течение, явля­ется самым главным показателем. В формуле Рэлея значение толщины жидко­сти (в нашем случае астеносферы), возведенное в четвертую степень (h), находится в числителе дроби уравнения. Это значит, что от уменьшения или увеличения толщины слоя в решающей степени зависит мощность конвекционных потоков; более того, при сравнительно низком значении h, число Рэлея может оказаться ниже своего критического значения (это критическое значение равняется примерно тысяче) и в таком слу­чае конвекционного течения не будет вообще.