Мантийная конвекция

Мантийная конвекция Землетрясения

Механизмы

Конвекция может произойти в жидкости во всех масштабах больше, чем несколько атомов. Существуют различные обстоятельства, в которых возникают силы, необходимые для естественной и принудительной конвекции, приводящие к различным типам конвекции, описанным ниже. В общем, конвекция возникает из-за силы тела действующие в жидкости, например сила тяжести.

Причины конвекции обычно описываются как «естественные» («свободные») или «принудительные», хотя существуют и другие механизмы (обсуждаемые ниже). Однако различие между естественной и принудительной конвекцией особенно важно для конвективный теплообмен.

Мантийная конвекция

Этот цвет Schlieren изображение показывает тепловая конвекция происходит из-за теплопроводности руки человека (в виде силуэта) в окружающую неподвижную атмосферу.

Естественная конвекция, или же свободная конвекция, возникает из-за разницы температур, которая влияет на плотность и, следовательно, относительную плавучесть жидкости. Более тяжелые (более плотные) компоненты будут падать, в то время как более легкие (менее плотные) компоненты поднимутся, что приведет к перемещению объема жидкости. Следовательно, естественная конвекция может происходить только в гравитационном поле. Типичный пример естественной конвекции — дым от огня. Его можно увидеть в кастрюле с кипящей водой, в которой горячая и менее плотная вода на нижнем слое поднимается вверх струйками, а более холодная и более плотная вода около вершины кастрюли также тонет.

Естественная конвекция будет более вероятной и более быстрой при большем разбросе плотности между двумя жидкостями, большем ускорении из-за силы тяжести, которая вызывает конвекцию, или большем расстоянии через конвекционную среду. Естественная конвекция будет менее вероятной и менее быстрой при более быстрой диффузии (тем самым рассеивая температурный градиент, вызывающий конвекцию) или более вязкой (липкой) жидкости.

Землетрясения:  Иран сейсмическая активность

Возникновение естественной конвекции можно определить по Число Рэлея (Ра).

Обратите внимание, что различия в плавучести внутри жидкости могут возникать по причинам, отличным от колебаний температуры, и в этом случае движение жидкости называется гравитационная конвекция (Смотри ниже). Однако все типы плавучей конвекции, включая естественную конвекцию, не возникают в микрогравитация среды. Все требуют наличия среды, в которой перегрузка (правильное ускорение ).

В принудительная конвекция, также называемый адвекция тепла, движение жидкости является результатом внешнего поверхностные силы например вентилятор или насос. Принудительная конвекция обычно используется для увеличения скорости теплообмена. Многие виды смешивание также используют принудительную конвекцию для распределения одного вещества внутри другого. Принудительная конвекция также возникает как побочный продукт других процессов, таких как действие гребного винта в жидкости или аэродинамический обогрев. Системы жидкостного радиатора, а также нагрев и охлаждение частей тела за счет кровообращения — другие известные примеры принудительной конвекции.

Принудительная конвекция может происходить естественным путем, например, когда высокая температура огня вызывает расширение воздуха и объемный воздушный поток этим способом. В условиях микрогравитации такой поток (который происходит во всех направлениях) наряду с диффузией является единственным средством, с помощью которого огонь может втягивать свежий кислород для поддержания себя. Ударная волна, переносящая тепло и массу взрыва, также является разновидностью принудительной конвекции.

Хотя принудительная конвекция от теплового расширения газа в невесомость не разжигает огонь так же, как естественную конвекцию в поле силы тяжести, некоторые виды искусственной принудительной конвекции намного эффективнее свободной конвекции, поскольку они не ограничены естественными механизмами. Например, конвекционные печи работает за счет принудительной конвекции, поскольку вентилятор, который быстро циркулирует горячий воздух, нагнетает тепло в пищу быстрее, чем это могло бы случиться при простом нагреве без вентилятора.

Гравитационная или плавучая конвекция

Переменная соленость в воде и переменное содержание воды в воздушных массах являются частыми причинами конвекции в океанах и атмосфере, которые не связаны с теплом или же связаны с дополнительными факторами плотности состава, кроме изменений плотности в результате теплового расширения (см. термохалинная циркуляция ). Точно так же переменный состав в недрах Земли, который еще не достиг максимальной стабильности и минимальной энергии (другими словами, с наиболее плотными частями в глубине), продолжает вызывать часть конвекции жидкой породы и расплавленного металла внутри Земли (см. Ниже) .

Гравитационная конвекция, как и естественная тепловая конвекция, также требует перегрузка среда, чтобы произойти.

Вызванная вибрацией конвекция возникает в порошках и гранулированных материалах в контейнерах, подверженных вибрации, где ось вибрации параллельна силе тяжести. Когда контейнер ускоряется вверх, дно контейнера выталкивает все содержимое вверх. Напротив, когда контейнер ускоряется вниз, стороны контейнера толкают соседний материал вниз за счет трения, но материал, более удаленный от сторон, подвергается меньшему воздействию. Конечный результат — медленная циркуляция частиц вниз по бокам и вверх в середине.

Если контейнер содержит частицы разного размера, движущиеся вниз области по бокам часто уже, чем самые большие частицы. Таким образом, более крупные частицы имеют тенденцию попадать в верхнюю часть такой смеси. Это одно из возможных объяснений Эффект бразильского ореха.

Твердотельная конвекция во льду

Термомагнитная конвекция может возникнуть, когда внешнее магнитное поле наложено на феррожидкость с разными магнитная восприимчивость. При наличии градиента температуры это приводит к неоднородной силе магнитного тела, что приводит к движению жидкости. Феррожидкость — это жидкость, которая сильно намагничивается в присутствии магнитное поле.

Эта форма теплопередачи может быть полезна в случаях, когда обычная конвекция не может обеспечить адекватную теплопередачу, например, в миниатюрных микромасштабных устройствах или в условиях пониженной гравитации.

Капиллярное действие это явление, при котором жидкость самопроизвольно поднимается в узком пространстве, таком как тонкая трубка, или в пористых материалах. Этот эффект может заставить жидкости течь против силы тяжести. Это происходит из-за межмолекулярных сил притяжения между жидкостью и твердыми окружающими поверхностями; Если диаметр трубки достаточно мал, то сочетание поверхностного натяжения и сил адгезии между жидкостью и контейнером способствует подъему жидкости.

В Эффект Марангони представляет собой конвекцию жидкости вдоль границы раздела между разнородными веществами из-за изменений поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение может изменяться из-за неоднородного состава веществ или температурной зависимости сил поверхностного натяжения. В последнем случае эффект известен как термокапиллярная конвекция.

Хорошо известным явлением, демонстрирующим этот тип конвекции, является «слезы вина «.

Типы конвекции

Разрез Земли с указанием расположения верхней (3) и нижней (5) мантии

Мантийная конвекция

Мантийная конвекция

Примеры и приложения

Конвекция происходит в больших масштабах в атмосферы, океаны, планетарный мантии, и он обеспечивает механизм теплопередачи для значительной части внешних недр нашего Солнца и всех звезд. Движение жидкости во время конвекции может быть незаметно медленным или очевидным и быстрым, как в ураган. В астрономических масштабах считается, что конвекция газа и пыли происходит в аккреционных дисках черные дыры со скоростью, близкой к скорости света.

Мантийная конвекция

А радиатор обеспечивает большую площадь поверхности для эффективного отвода тепла.

Тепло передается посредством конвекции во многих примерах естественных потоков жидкости, таких как ветер, океанические течения и движения в мантии Земли. Конвекция также используется в инженерной практике домов, производственных процессах, охлаждении оборудования и т. Д.

Конвекционные ячейки в гравитационном поле

А конвекционная ячейка, также известный как Ячейка Бенара, является характерной картиной течения жидкости во многих конвекционных системах. Поднимающееся тело жидкости обычно теряет тепло, потому что сталкивается с более холодной поверхностью. В жидкости это происходит потому, что она обменивается теплом с более холодной жидкостью посредством прямого обмена. В примере с атмосферой Земли это происходит потому, что она излучает тепло. Из-за этой потери тепла жидкость становится плотнее, чем жидкость под ней, которая все еще поднимается. Поскольку он не может спуститься через поднимающуюся жидкость, он перемещается в одну сторону. На некотором расстоянии его направленная вниз сила преодолевает восходящую силу под ним, и жидкость начинает спускаться. По мере опускания он снова нагревается, и цикл повторяется.

Мантийная конвекция

Идеализированное изображение глобальной циркуляции на Земле

Атмосферная циркуляция представляет собой крупномасштабное движение воздуха и средство, с помощью которого тепловая энергия распределяется по поверхности Земли вместе с гораздо более медленной (отстающей) системой циркуляции океана. Крупномасштабная структура атмосферной циркуляции меняется от года к году, но основная климатологическая структура остается довольно постоянной.

Широтная циркуляция возникает из-за того, что падающая солнечная радиация на единицу площади наиболее высока на тепловой экватор, и убывает как широта возрастает, достигая минимумов на полюсах. Он состоит из двух первичных конвективных ячеек: Ячейка Хэдли и Полярный вихрь, с Ячейка Хэдли испытывает более сильную конвекцию из-за выделения скрытая теплота энергия конденсация из водяной пар на больших высотах во время образования облаков.

С другой стороны, продольная циркуляция возникает из-за того, что океан имеет более высокую удельную теплоемкость, чем суша (а также теплопроводность, позволяя теплу проникать дальше под поверхность) и, таким образом, поглощает и выделяет больше тепла, но температура меняется меньше. чем земля. Это приносит морской бриз, охлаждаемый водой, днем ​​на берег и переносит бриз с суши, охлаждаемый при контакте с землей, в море ночью. Продольная циркуляция состоит из двух ячеек, Кровообращение и Эль-Ниньо / Южное колебание.

Как производится Foehn

Мантийная конвекция

Этапы грозовой жизни.

Мантийная конвекция

Поверхность Земли делится на ряд тектонический пластины, которые постоянно создаются и потребляются на противоположных границах пластин. Творчество (нарастание ) происходит при добавлении мантии к растущим краям пластины. Этот горячий добавленный материал охлаждается за счет передачи и конвекции тепла. На потребляющих краях пластины материал термически сжался, чтобы стать плотным, и он тонет под собственным весом в процессе субдукции в океаническом желобе. Этот субдуцированный материал опускается на некоторую глубину в недрах Земли, где ему запрещено погружаться дальше. Субдуцированная океаническая кора вызывает вулканизм.

В Эффект стека или же эффект дымохода представляет собой движение воздуха в здания, дымоходы, дымовые трубы или другие контейнеры и из них за счет плавучести. Плавучесть возникает из-за разницы в плотности воздуха внутри помещения и снаружи в результате разницы температуры и влажности. Чем больше разница температур и высота конструкции, тем больше выталкивающая сила и, следовательно, эффект суммирования. Эффект стека способствует естественной вентиляции и инфильтрации. Немного градирни действуют по этому принципу; аналогично солнечная восходящая башня Предлагаемое устройство для выработки электроэнергии на основе стекового эффекта.

Мантийная конвекция

Иллюстрация структуры солнце и красный гигант звездой, показывая их конвективные зоны. Это зернистые зоны во внешних слоях этих звезд.

Мантийная конвекция

Гранулы — вершины или верхние видимые размеры конвективных ячеек, видимых на фотосфере Солнца. Они вызваны конвекцией в верхней фотосфере Солнца. Северная Америка наложена для обозначения масштаба.

Зона конвекции звезды — это диапазон радиусов, в котором энергия переносится в основном за счет конвекции.

Гранулы на фотосфера Солнца — это видимые вершины конвективных ячеек в фотосфере, вызванные конвекцией плазма в фотосфере. Поднимающаяся часть гранул расположена в центре, где плазма более горячая. Внешний край гранул более темный из-за более холодной нисходящей плазмы. Типичная гранула имеет диаметр порядка 1000 километров, и каждая гранула длится от 8 до 20 минут, прежде чем рассеется. Ниже фотосферы находится слой гораздо более крупных «супергранул» диаметром до 30 000 километров с продолжительностью жизни до 24 часов.

Предлагаемое расположение мантийного плюма

Мантийная конвекция

Мантийная конвекция в других небесных телах

Подобный процесс медленной конвекции, вероятно, происходит (или происходил) внутри других планет (например, Венера, Марс ) и некоторые спутники (например, Ио, Европа, Энцелад).

Альтернативные гипотезы

Параллельно с моделью мантийного плюма были рассмотрены два альтернативных объяснения наблюдаемых явлений: гипотеза плит и гипотеза удара.

Мантийная конвекция

Иллюстрация конкурирующих моделей переработка земной коры и судьба субдуцированных плит. Гипотеза плюма предполагает глубокую субдукцию (справа), в то время как гипотеза плиты фокусируется на неглубокой субдукции (слева).

Гипотеза плит предполагает, что «аномальный» вулканизм является результатом растяжения литосферы, которое позволяет расплаву пассивно подниматься из нижней астеносферы. Таким образом, это концептуальная инверсия гипотезы плюма, поскольку гипотеза плит приписывает вулканизм мелким приповерхностным процессам, связанным с тектоникой плит, а не активным процессам, возникающим на границе ядра и мантии.

Расширение литосферы связано с процессами, связанными с тектоникой плит. Эти процессы хорошо изучены на срединно-океанических хребтах, где происходит большая часть вулканизма Земли. Реже признается, что сами плиты деформируются изнутри и могут допускать вулканизм в тех регионах, где деформация является растяжимой. Хорошо известными примерами являются Провинция бассейнов и хребтов на западе США, Восточноафриканский рифт долина, и Рейн Грабен. Согласно этой гипотезе, переменные объемы магмы объясняются вариациями химического состава (большие объемы вулканизма, соответствующие более легко расплавленному материалу мантии), а не разницей температур.

  • Континентальный распад;
  • Плодородие срединно-океанических хребтов;
  • Усиленный вулканизм на стыках границ плит;
  • Мелкомасштабная сублитосферная конвекция;
  • Океаническое внутриплитное расширение;
  • Отрыв и отрыв плиты;
  • Неглубокая мантийная конвекция;
  • Резкие боковые изменения напряжения на структурных нарушениях;
  • Континентальное внутриплитное расширение;
  • Катастрофическое истончение литосферы;
  • Пондирование и осушение подлитосферного расплава.

Нижняя мантия и ядро

Наиболее заметный термальный контраст, существующий в глубокой (1000 км) мантии, находится на границе ядро-мантия на высоте 2900 км. Первоначально предполагалось, что мантийные плюмы поднимаются из этого слоя, потому что «горячие точки», которые, как предполагается, являются их поверхностным выражением, считались неподвижными относительно друг друга. Для этого требовалось, чтобы шлейфы исходили из-под мелкой астеносферы, которая, как считается, быстро течет в ответ на движение вышележащих тектонических плит. Нет другого известного крупного теплового пограничного слоя в глубинах Земли, поэтому граница ядро-мантия была единственным кандидатом.

Основание мантии известно как Слой D ″, сейсмологическое подразделение Земли. По-видимому, он по составу отличается от вышележащей мантии и может содержать частичный расплав.

  • Клетки Бенара
  • Конвекционные печи
  • Уравнение Черчилля – Бернштейна
  • Комбинированная принудительная и естественная конвекция
  • Двойная диффузионная конвекция
  • Динамика жидкостей
  • Теплопередача
  • Радиационные свойства
  • Тепловая труба
  • Рост пьедестала с лазерным нагревом
  • Число Нуссельта
  • Термомагнитная конвекция
  • Вихревая трубка

Математические модели конвекции

Математически конвекцию можно описать как уравнение конвекции-диффузии, также известный как общее скалярное уравнение переноса.

Количественная оценка естественной конвекции и принудительной конвекции

В случаях смешанной конвекции (естественной и вынужденной, возникающих вместе) часто требуется знать, какая часть конвекции обусловлена ​​внешними ограничениями, такими как скорость жидкости в насосе, а какая — естественной конвекцией, возникающей в системе. .

Относительные величины Число Грасгофа и площадь Число Рейнольдса определить, какая форма конвекции преобладает. Если , принудительной конвекцией можно пренебречь, а если , естественной конвекцией можно пренебречь. Если отношение, известное как Число Ричардсона, составляет примерно единицу, то необходимо учитывать как принудительную, так и естественную конвекцию.

Ползать в мантии

Предлагаются два в значительной степени независимых конвективных процесса:

  • широкий конвективный поток, связанный с тектоникой плит, вызванный в основном опусканием холодных плит литосфера обратно в мантию астеносфера
  • мантийный шлейф, вызванный теплообменом через границу ядро-мантия, переносящий тепло вверх узким восходящим столбом, и постулируется, что он не зависит от движений плит.

Химия, тепловой поток и плавление

Разрез Земли с указанием расположения верхней (3) и нижней (5) мантии, D ″-слой (6), а также внешний (7) и внутренний (9) сердечник

Обработка океанической коры, литосферы и отложений через зону субдукции отделяет водорастворимые микроэлементы (например, K, Rb, Th) от неподвижных микроэлементов (например, Ti, Nb, Ta), концентрируя неподвижные элементы в океаническая плита (водорастворимые элементы добавляются к коре островодужных вулканов). Сейсмическая томография показывает, что подчиненный океанические плиты опускаются до дна зона перехода мантии на глубине 650 км. Субдукция на большие глубины менее определена, но есть свидетельства того, что они могут опускаться на средние и нижние глубины мантии на глубине около 1500 км.

Постулируется, что плюмы поднимаются через мантию и начинают частично таять при достижении небольших глубин в астеносфере. декомпрессионная плавка. Это создаст большие объемы магмы. Гипотеза плюма предполагает, что этот расплав поднимается на поверхность и извергается, образуя «горячие точки».

Оцените статью
Землетрясения