Какие пути передачи тепла Вы знаете? Перечислите и охарактеризуйте их

Отсутствие условий для обеспечения конвекционного кругооборота вещества и энергии в подастеносферной мантии Земли заставляет искать какие-то другие способы передачи внутренней активности планеты к ее верхним оболочкам.

Известно, что в природе существуют три способа переноса тепла – теплопроводность, тепловая конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность свойственна твердым и жестким (вязким) телам, тепловая конвекция – всем газам, жидкостям и маловязким твердым телам (такие тела, называемые «телами Бингама», свойственны астеносфере Земли), а тепловое излучение – «выделение лучистой энергии сильно нагретыми телами». Последнее эффективно только при высоких температурах.

Вероятно, в разрезе планеты существуют необходимые условия для реализации всех трех способов передачи тепла, однако каждый уровень этого разреза характеризуется, очевидно, только ему свойственным способом переноса тепла в зависимости от физического состояния слагающего этот уровень вещества и, конечно же, от количества тепла. В частности, теплопроводность, как способ «передачи тепла путем обмена кинетической энергией между молекулами», характерна, очевидно, литосфере Земли, состоящей из твердых и жестких пород. Теплопроводность – процесс распространения теплоты от более нагретых элементов тела (горной породы) к менее нагретым элементам из-за стремления этого тела к выравниванию температур. Общеизвестно, что при теплопроводности тепловая энергия молекул передается без перемещения вещества. «По современным данным, в результате теплопроводности Земля ежегодно теряет порядка 1,9·10²⁰ калории тепла» [5, с.63].

Тепловая конвекция свойственна, как это было показано в предыдущей лекции, астеносферному уровню разреза планеты, вещество которого находится в частично расплавленном состоянии и поэтому ему присуща сравнительно малая вязкость. Что касается теплового излучения, то данный способ передачи тепла не исключается, вероятно, для глубоких уровней разреза планеты, в частности уровню жидкого внешнего ядра. Что касается уровня подастеносферной мантии, то для разреза этой геосферы, по-видимому, свойственен конвективный теплообмен.

Какие силы действуют на литосферные плиты в сочленении океан–континент согласно представлениям С.Уеды и Е.Е.Артюшкова, какие из этих сил способствуют успешному протеканию процессов спрединга и субдукции, а какие противодействуют?

Е.В.Артюшков заявляет, что «океаническая литосфера в действительности легче нормальной астено­сферы», что исключает погружение этой литосферы в астеносферу из-за нарушения изостатического равновесия.

Как видно из приведенного ниже рисунка, на пододвигающуюся океаническую и нависающую континентальную плиты литосферы действуют силы разной природы и разных направлений. В результате сравнительного изучения скорос­тей спрединга 12 крупных литосферных плит с учетом природы каждой из 8 действующих на литосферные плиты сил С.Уеда пришел к заклю­чению о том, что наиболее значительными по мощности и поэтому наи­более дееспособными являются силы тяги опускающейся (субдуцирующей) пластины (F_SP) и континентального сцепления (F_CD). При этом выяснилось, что если F_SP способствует успешному протека­нию субдукции, то F_CD является наиболее значительной силой, пре­пятствующей мобильности литосферных плит как таковых. Оказалось, что остальные шесть сил вследствие их малой мощности не играют су­щественной роли в обеспечении мобильности литосферных плит.

Рисунок. Возможные силы, действующие на литосферные плиты (по С Уеде [293]). F_DF – сцепления океанической плиты с астеносферой; F_CD – континентального сцепле­ния; F_RP – сжатия океанического хребта; F_8Р – натяжения субдуцирующей плиты; F_SR – противодействующая погружению плиты; F_CR – сопротивления столкновения плит; F_TF – сопротивления трансформных разломов; F_SU – всасывания (Эльзассера).

В выводах С. Уеды [24] обращают на себя внимание два момента. Во-первых, спрединг – одно из самых важных и центральных положе­ний концепции ТЛП – оказывается практиче­ски без движущей силы. Во-вторых, в обеспечении мобильности лито­сферных плит тепловая конвекция в астеносфере никак не играет, как этого следовало бы ожидать, ведущую роль. Однако он не исключает ту или иную роль конвекционных течений в обеспечении мобильности литосферных плит, поскольку все рассмотренные им силы, в конечном счете, являются производными конвекционных потоков в астеносфере. Исходя из этого, С.Уеда делает вывод о том, что в системе конвек­ционных потоков астеносферы литосферные плиты являются не «пассив­ными пассажирами», а полноценными составными частями этой систе­мы.

По мнению Е. В. Артюшкова, в обеспечении мобильности литосферных плит в латеральном и нисходяще-наклонном направлениях ведущая роль принадлежит не конвекции в астеносфере, а определенным силам, вырабатываемым самими литосфериыми плита­ми или рождаемым непосредственно под ними. При этом он особо под­черкивает роль трех механизмов в выработке этих сил: а) силы погружения (субдуцирования) в астеносферу литосферных плит; б) силу гравитационного сползания с океанического хребта; в) силу растекания неоднородностей из-за разности мощностей литосферных блоков.

Наибольшее напряжение будет испытывать линия спаивания океанической и континентальной литосфер, так как в этой области воз­никнут направленные противоположно спредингу силы – растекания неоднородностей мощности литосферы (в) в понимании Е. И. Артюш­кова, и континентального сцепления (F_CD) б понимании С. Уеды [24] (см. рисунок). При этом заметим, что природа противодей­ствующей спредингу силы связана со стремлением более толстой континентальной литосферы противостоять отталкивающей силе спрединга (F_СПР) и растечься на напирающую на нее более тонкую океа­ническую литосферу. Что же касается силы F_CD, то ее появление продиктовано, вероятно, не только более вязким состоя­нием астеносферы под континентами, чем под океанами, но и обратной реакцией континентальной литосферы на действие силы спрединга, старающейся перемещать ее в горизонтальном направлении.

Какими особенностями характеризуется палео- и мезопротерозойский этап развития планеты (промежуток времени – 2,5-1,0 млрд. лет тому назад)?

Формирование и обособление астеносферного слоя под толщей поступательно утолщающейся литосферы, вероятно, началось только в конце архея, когда литосфера была значительно утолщена посредством нескольких генераций зеленокаменных поясов и все больше препятствовала остыванию мантии как путем постепенно теряющего свою интенсивность вулканизма зеленокаменных поясов, так и путем обычной теплопроводности. Накопившееся таким образом под перврзданной литосферой избыточное тепло впоследствии будет наращивать толщину астеносферного слоя до тех пор, пока число Рэлея не достигнет своего критического значения и не обеспечит условие конвекционного кругооборота в ее пределах. Но это начнется только где-то к началу неопротерозое. А пока, т. е. в промежутке времени между 2,5 и 1 млрд. лет назад, развитие планеты будет осуществляться путем образования протогеосинклиналей и континентальных рифтов неполного эволюционного ряда, тем не менее способствующих обогащению коры мантийным веществом посредством рифтогенного вулканизма. Заметим, что образование внутриконтипентальных рифтов протерозоя, по существу, также является следствием постоянного расширения Земли за счет разуплотнения вещества мантии и поступательного наращивания им толщины коры.

отметим, что в тепловой истории пла­неты, вероятно, имели место все три способа переноса тепла: тепловое излу­чение, теплопроводность и тепловая конвекция. Каждый из этих способов, очевидно, сыграл только ему отведенную роль в геологическом развитии планеты. В частности, эоархейский (раннеархейский) период характеризуется господством теплового излучения, палеоархейско–мезопротерозойский – господством конвективного течения тепла и теплопроводности с подготовкой условий для будущих конвекционных кругооборотов, а неопротерозойско–кайнозойский – полным господством конвекции, интенсивность проявления которой со временем постоянно возрастает