Учёные выделяют во внутреннем строении Земли три основные оболочки: , и . Они различаются по своей мощности, твёрдости и плотности, давлению и температуре.
Внутреннее строение Земли можно сравнить с яблоком (земная кора — кожура, мантия — мякоть, ядро — сердцевина).
— внутренняя оболочка Земли. Здесь вещество находится под высоким давлением и при температуре (+5000 °). Масса ядра составляет (30) массы нашей планеты, объём — (15) объёма Земли. Это связано с тем, что ядро состоит из плотного и тяжёлого вещества (возможно, железа).
Ядро располагается на глубине более (2900) км и имеет радиус около (3550) км (внутреннее ядро — (1300) км, внешнее — (2250) км).
Движение твёрдого ядра во жидком создаёт Земли. Оно спасает нашу планету от вредных для жизни космических лучей. С помощью магнитного поля можно определить стороны горизонта, так как стрелка компаса на него реагирует.
(от греч. «шерстяной плащ») — часть Земли, которая расположена между земной корой и ядром. Мантия составляет более (80) Земли, её масса — почти (70) массы нашей планеты. Толщина мантии — около (2900) км.
Давление и температура мантии (в среднем (+2000 °) — (+2500 °)) увеличивается с глубиной. Вещество мантии в основном находится в твёрдом состоянии. Но его плотность ниже плотности ядра.
— слой мантии, где вещество находится в расплавленном и пластичном состоянии. По этому слою движутся литосферные плиты.
В составе мантии преобладают кислород, кремний и магний.
Земная кора — твёрдая и самая тонкая наружная оболочка Земли: её наибольшая мощность ((8)–(40) км) в (90) раз меньше радиуса Земли. На долю земной коры приходится менее (1) массы земного шара и около (5) объёма.
В составе земной коры преобладают кислород, кремний, алюминий и железо.
Температура в земной коре, начиная с глубины (20)–(30) км, постепенно возрастает в среднем на на каждые (100) м.
Мантия Земли
Обновлено 21 Декабря, 2021
Планета Земля имеет сложное внутреннее строение. Человечество изучает его всеми возможными способами. На поверхности Земли расположена земная кора. Выделяют земную кору материкового и океанического типа. Она простирается вглубь до 15 км под океанами и до 70 км в горных районах. Внутри земного шара находится ядро. Между земной корой и ядром расположена мантия.
Что такое мантия Земли
Мантия представляет собой внутреннюю часть планеты. В переводе с греческого языка «мантия» обозначает «покрывало» или «плащ». В этом слое содержится большая часть всех веществ, находящихся внутри планеты. Она составляет 80 % от всего объёма Земли. Мантия простирается в диапазоне от 30 до 2900 км от поверхностных слоёв.
Важным источником информации о мантии считают метеориты. По мнению учёных, их состав близок к составу мантии.
Рис. 1. Метеорит.
Выделяют верхнюю и нижнюю мантию. Граница между ними располагается на глубине 673 км.
Температура веществ мантии достигает +2000–2500 градусов. Эта температура должна бы расплавить все вещества, но на этих глубинах очень высокое давление. Благодаря давлению вещества не расплавляются и не переходят в жидкое состояние.
Вещество мантии находится в особом состоянии, обладая свойствами твёрдого и жидкого тела. В таком состоянии вещества мантии являются пластичными, медленно перемещаются.
Рис. 2. Внутреннее строение Земли.
Состав мантии
Из чего состоит мантия Земли? Этот слой состоит из силикатов, которые насыщены железом, магнием и алюминием. Для того чтобы немного понять, что такое силикаты, достаточно вспомнить канцелярский клей. Это смесь силикатов калия и натрия.
Содержится в глубинах Земли и вода, в достаточно большом количестве. По экспериментальным подсчётам, воды содержится в 12 раз больше, чем в Мировом океане.
Если всю воду из земных недр выплеснуть наружу, она растечётся и повысит уровень Мирового океана на 800 метров.
Значение мантии
Для определения значения этого слоя планеты, достаточно вспомнить горообразовательные движения земной коры, извержения вулканов, землетрясения. Все перечисленные явления происходят в результате движения вещества верхней мантии.
Рис. 3. Извержение вулкана.
Вещества мантии смещаются, на земной поверхности чувствуются подземные толчки. Могут возникнуть разрывы и трещины в коре. Тогда давление резко падает, вещества мантии переходят из вязкого в жидкое состояние и изливаются на поверхность. Происходит извержение вулкана.
Вещества мантии могут внедряться в земную кору и застывать в ней. Так образуются глубинные магматические полезные ископаемые.
О значении мантии можно кратко рассказать в докладе на уроке географии в 6 классе.
Что мы узнали?
Мантия — внутренний слой Земли, находящийся между земной корой и ядром. Вещества мантии находятся под давлением и имеют высокую температуру. Представляют собой особое состояние. Могут перемещаться, что сказывается на состоянии земной коры.
Тест по теме
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Оценка доклада
А какая ваша оценка?
Анализируется влияние сжимаемости вещества и сферичности мантии на распределение температуры
в различных моделях мантийной конвекции. Приводится модель, дающая усредненное по
латерали распределение температуры по глубине в основной части мантии, согласующееся
с данными о термодинамических параметрах вещества мантии и значениями температуры
в реперных точках, связанных с фазовыми переходами.
температура в мантии, мантийная конвекция
ВВЕДЕНИЕ
В литературе по моделям мантийной конвекции имеются сотни статей, в которых по настоящее
время используются различающиеся между собой упрощающие приближения. При этом в большинстве
работ рассчитанное в этих моделях распределение температуры не только не обсуждается,
но часто даже не приводится и не сравнивается с возможным распределением для реальной
мантии. Эти распределения значительно различаются между собой, поскольку используемые
приближения сильно влияют на вычисленное распределение температуры с глубиной. В настоящей
работе анализируются приближения, связанные с пренебрежением сжимаемостью вещества
мантии и вязкой диссипацией, а также с отличием структуры конвекции в сферической
области от прямоугольной модели. Приводится численная модель мантийной конвекции,
дающая распределение температуры в основной части мантии Земли по глубине, которое
оптимально согласуется с имеющимися данными о термодинамических параметрах вещества
мантии и значениями температуры в реперных точках, определяемых при использовании
сейсмических данных.
РЕПЕРНЫЕ ТОЧКИ
Как могут различаться между собой рассчитанные разными авторами распределения температуры
в мантии, можно проиллюстрировать на простой характерной модели конвекции с постоянной
вязкостью при интенсивности, характеризуемой числом Рэлея Ra = 106. На рис. 1 приведены распределения температуры по глубине, получаемые при различных приближениях:
1 – декартова модель, приближение Буссинеска BA без внутренних источников тепла, 2
– декартова модель, расширенное приближение ЕBA без внутренних источников тепла, 3
– декартова модель, расширенное приближение ЕBA с учетом внутренних источников тепла
H = 6 × 10−12 Вткг–1, 4 – сфера, приближение ЕBA без внутренних источников тепла, 5 – сфера, приближение
ЕBA с внутренними источниками тепла H = 6 × 10−12 Вткг–1.
Рис.
Распределения температуры по глубине, рассчитываемые в моделях конвекции c постоянной
вязкостью при Ra = 106 в различных приближениях.
Как видно на рис. 1, распределения температуры в мантии, вычисляемые в различных приближениях, сильно
различаются. В простейшем приближении Буссинеска температура (кривая 1) в основной части мантии оказывается постоянной. В приближении EBA (кривая 2) эффекты сжимаемости вызывают нагрев нисходящих потоков и охлаждение восходящих конвективных
потоков, причем охлаждение последних превалирует над нагревом в силу того, что соответствующий
член уравнений конвекции пропорционален локальной температуре. При учете адиабатической
сжимаемости рассчитанная средняя по латерали температура растет с глубиной с адиабатическим
градиентом dT/dz = gαT/cp. Дополнительный учет внутренних источников тепла в мантии (кривая 3) смещает кривую температуры вправо, примерно на 300 K.
Учет сферичности мантии также меняет кривую распределения температуры. Распределение
температуры, рассчитанное для сферы в приближении ЕBA без внутренних источников тепла
(кривая 4), по сравнению с кривой для декартовой модели в том же приближении, оказывается смещенным
влево. Это свидетельствует, что эффект сферичности эквивалентен отрицательным фиктивным
внутренним источникам тепла. Данный факт объясняется тем, что плотность теплового
потока в сфере при постоянном суммарном потоке тепла благодаря геометрии уменьшается
с высотой так же, как при наличии отрицательных внутренних источников тепла.
Кривая температуры для сферы с реальными внутренними источниками тепла H = 6 × × 10‒12 Вткг–1 (кривая 5) оказывается очень близкой к кривой для декартовой модели, но без таких источников.
Для тепловой конвекции с параметрами, близкими к современной Земле, случайным образом
оказалось, что величина фиктивных отрицательных источников, обусловленных сферической
геометрией, по модулю приблизительно равна величине реальных положительных внутренних
источников тепла мантии, обусловленным радиоактивным распадом и вековым остыванием
мантии.
Отметим, что эффекты сжимаемости и сферичности существенно влияют на распределение
температуры только для моделей конвекции во всей мантии. Иногда для упрощения расчетов
рассматривают конвективные модели, рассматривающие отдельно верхнюю мантию. В этом
случае эффектами сферичности и сжимаемости можно пренебречь. Но поскольку в реальной
Земле конвекция охватывает всю мантию, то для моделей верхнемантийной конвекции граничные
условия на нижней границе необходимо брать из моделей всей мантии.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
В ОСНОВНОЙ ОБЛАСТИ МАНТИИ ЗЕМЛИ
С УЧЕТОМ СЖИМАЕМОСТИ, ПЕРЕМЕННОЙ ВЯЗКОСТИ
И СФЕРИЧНОСТИ
Зависимость от глубины коэффициента теплового расширения и вязкости мантии.
Рассчитанные профили температуры в декартовой модели конвекции. Кривая 1 (толстая линия) – температура, усредненная по латерали по всей области, со значениями
на глубинах 50, 100, 300, 500, 1000, 1500, 2000 и 2500 км, кривая 2 – температура вдоль интенсивного нисходящего мантийного потока, кривая 3 – вдоль восходящего потока.
Как видно на рис. 3, рассчитанный температурный профиль мантии очень хорошо согласуется с реперными точками,
полученными из экспериментальных данных. Рассчитанная кривая 1 усреднена не только по латерали, но и по времени. Амплитуда колебаний средних значений
температуры во времени из-за нестационарности конвекции при числе Рэлея Ra = 2 × 107 составляет от 50 K в верхней мантии до 100 K вблизи нижнего погранслоя. Кривые 2 и 3 рис. 3 показывают рассчитанные зависимости температуры от глубины вдоль осевых линий нисходящих
и восходящих конвективных потоков. Конвекция в мантии нестационарна, и конвективные
потоки имеют разную интенсивность. Кривые 2 и 3 были рассчитаны для наиболее интенсивных (протяженных вдоль всей мантии) потоков.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Показано, что для декартовой модели мантии, с использованными в работе параметрами,
численное решение уравнений тепловой конвекции дает распределение температуры по глубине,
которое в основной области мантии оптимально согласуется со значениями температуры
в реперных точках по данным о фазовых переходах, с измеренным тепловым потоком Земли,
а также с адиабатическим градиентом, определенным по лабораторным данным о термодинамических
параметрах вещества мантии.
- Li Y., Deschamps F., Tackley P.J. // Earth Planet. Sci. Letters. 2015. V. 432. P. 1–12.
- Katsura T., Yoneda A., Yamazaki D., Yoshino T., Ito E. // Phys. Earth Planet. Inter. 2010. V. 183. P. 212–218.
- Faccenda M., Dal Zilio L. // Lithos. 2017. V. 268–271. P. 198–224.
- Schubert G., Turcotte D.L., Olson P. Mantle Convection in the Earth and Planets. Cambridge: University Press, 2004. 940
p. - Tosi N., Yuen D. // Earth Planet. Sci. Letters. 2011. V. 312. P. 348–359.
- Yoshida M. // Phys. Earth Planet. Inter. 2017. V. 268. P. 11–17.
- Moresi L.N., Gurnis M. // Earth Planet. Sci. Lett. 1996. V. 138. P. 15–28.
- Zhong S. // Geophys. Res. 2006. V. 1. B04409. https://doi.org/10.1029/2005JB003972
- Трубицын В.П., Трубицын А.П. // Физика Земли. 2015. № 6. С. 3–15.
- Трубицын В.П., Трубицын А.П. // Физика Земли. 2014. № 6. С. 138–147.
- Nakagawa T., Tackley P. // Geophys. Res. Lett. 2011. V. 38. L04309. https://doi.org/10.1029/2010GL046494
- Трубицын А.П., Трубицын В.П. // Геофизические процессы и биосфера. 2020. Т. 19. № 2. С. 83–91. https://doi.org/10.21455/gpb2020.2-6
- Deschamps F., Trampert J. // Earth and Planet. Sci. Lett. // 2004. V. 222. P. 161‒175.
- Трубицын А.П. // Геофизические процессы и биосфера. 2019. Т. 18. № 1. С. 5–12. https://doi.org/10.21455/GPB2019.1-1
Дополнительные материалы отсутствуют.