Мантія Землі — це не тверда порода: в геологічних масштабах часу вона тече як надзвичайно в'язка рідина. Тепло від залізного ядра нагріває мантію знизу, тоді як холодна кора лежить зверху. Різниця температур запускає конвекцію Релея-Бенара: гаряча речовина стає менш щільною та піднімається; холодна — опускається. Результатом є повільно циркулюючі конвективні комірки, що переносять тепло на поверхню та штовхають тектонічні плити в сторони.
Модель розв'язує 2D рівняння Буссінеска у формулюванні завихреність-функція струму методом скінченних різниць на сітці 256 × 128. Безрозмірне число Релея Ra характеризує відношення підйомних сил до в'язкого загасання. Нижче Ra ≈ 10³ перенесення суто кондуктивне; при більших Ra з'являються конвективні комірки; вище 10⁵ течія стає нестаціонарною і складною.
Мантія здійснює повний конвективний оборот за десятки мільйонів років: один цикл займає приблизно 100 мільйонів років. Але у цій симуляції ви можете спостерігати ту саму фізику за секунди. Ланцюг Гавайських островів утворився, коли Тихоокеанська плита дрейфувала над мантійним плюмом зі швидкістю близько 9 см на рік — приблизно з такою ж швидкістю ростуть ваші нігті.
Ця симуляція моделює двовимірну конвекцію Релея-Бенара — той самий рух, керований плавучістю, що перемішує кам'яну мантію Землі. Шар рідини нагрівається знизу і охолоджується згори; гаряча речовина розширюється, стає менш щільною і піднімається, а потім охолоджується біля поверхні, ущільнюється і опускається. Це безперервне перевертання утворює конвективні комірки — комірки, що обертаються, які ви бачите на екрані, — і керується балансом між тепловою плавучістю та в'язким опором, який відображає число Релея.
У реальній Землі це повільне повзання твердої породи протягом мільйонів років керує тектонікою плит, дрейфом континентів, спредингом океанічного дна та формуванням гір і вулканічних гарячих точок. Конвективні комірки в мантії рухаються лише на кілька сантиметрів на рік, але за геологічний час вони переробляють усю внутрішню речовину планети та формують поверхню, на якій ми живемо.
Що таке мантійна конвекція?
Мантійна конвекція — це повільне перемішування твердої, але пластичної мантії Землі, викликане теплом від ядра та радіоактивним розпадом. Гаряча порода піднімається, охолоджується біля поверхні і опускається, утворюючи великі циркуляційні комірки, що рухають тектонічні плити.
Що таке конвекція Релея-Бенара?
Конвекція Релея-Бенара — це класична картина, що виникає, коли шар рідини нагрівається знизу і охолоджується згори. Коли нагрівання стає достатньо сильним, рідина самовільно організується у регулярні комірки, що піднімаються й опускаються.
Що таке число Релея?
Число Релея — це безрозмірне співвідношення, що порівнює підйомні сили, які запускають течію, з в'язкими та тепловими силами, що їй протидіють. Вище критичного значення починається конвекція; більші значення дають сильнішу, турбулентнішу циркуляцію.
Як мантійна конвекція керує тектонікою плит?
Горизонтальна течія у верхній частині конвективних комірок тягне за собою жорсткі плити над нею, розсуваючи їх на серединно-океанічних хребтах і зіштовхуючи в зонах субдукції. Це і є рушій дрейфу континентів та землетрусів.
Течія мантії та плити, які вона несе, рухаються лише на кілька сантиметрів на рік — приблизно з такою ж швидкістю, з якою ростуть нігті. Симуляція стискає мільйони років руху у секунди.
Мантія переважно складається з твердої породи, але в геологічних масштабах часу поводиться як надзвичайно в'язка рідина, повільно повзучи і деформуючись. Саме ця твердотіла течія й уможливлює конвекцію.
Мантійний плюм — це вузька колона незвично гарячої речовини, що піднімається з глибини мантії. Там, де вона досягає поверхні, утворюється вулканічна гаряча точка — така, що створила ланцюг Гавайських островів.
Суперництво між плавучим підйомом і в'язким опором обирає переважний розмір комірки, тож течія самоорганізується у більш-менш регулярний ряд валів, а не хаотичний рух, особливо за помірних чисел Релея.
Тепло надходить від гарячого залізного ядра та від радіоактивного розпаду елементів усередині самої мантії. Це нагрівання знизу і зсередини створює різницю температур, яка живить конвекцію.
Протягом сотень мільйонів років зміна конвективних потоків збирає і розриває суперконтиненти. Ті самі течії, змодельовані тут, неодноразово збирали континенти разом і розривали їх знову.