Внутренние и внешние источники энергии Земли: механизмы тектоники плит, мантийной конвекции и климатических циклов

Земные системы представляют собой взаимосвязанные физические, химические и биологические компоненты, действующие на планете, включая геосферу (твердая Земля), гидросферу (вода), биосферу (жизнь) и атмосферу (газовая оболочка). Данные системы функционируют преимущественно за счет энергии, получаемой из двух основных источников: внутренней энергии, берущей начало в недрах Земли, и внешней энергии, поступающей от Солнца. Внешний источник — Солнце — обеспечивает лучистую энергию, нагревающую поверхность и атмосферу, тогда как внутренняя энергия образуется в результате радиоактивного распада изотопов и остаточной гравитационной энергии, возникшей при формировании планеты около 4,5 миллиардов лет назад. Тепловой поток измеряет передачу этой внутренней тепловой энергии наружу, стимулируя конвекцию в мантии и приводя в движение тектонические плиты — движение литосферных плит по поверхности планеты.

Тектоника плит проявляется в многочисленных поверхностных процессах, включая извержения вулканов, землетрясения, поднятие и эрозию горных систем. Солнечная энергия нагревает поверхность Земли и атмосферу, создавая атмосферную и океаническую конвекцию, которая порождает ветры, океанские течения и штормы. Эта внешняя передача энергии управляет климатическими процессами вблизи поверхности, где происходят взаимодействия с внутренними энергетическими факторами. Например, на формирование облаков влияют поднятые горные хребты, тогда как вращение Земли воздействует на характер движения атмосферы. Динамическое взаимодействие между системами, управляемыми внешними и внутренними источниками, доминирует в передаче энергии с поверхности, а такие физические объекты, как горы и вулканы (питаемые внутренней энергией), изменяют атмосферные и гидрологические процессы.

Геологические и биологические процессы в конечном счете получают энергию либо из внутренних, либо из внешних источников. Большинство геологических явлений, включая тектонику плит, сейсмическую активность, вулканизм и горообразование, являются результатом потери тепла из недр планеты. Эти внутренние процессы часто взаимодействуют с внешними механизмами, такими как осадки и системы водоотведения, которые разрушают горы, поднятые внутренними силами. Данное непрерывное взаимодействие между внутренней тепловой динамикой и внешней солнечной энергией формирует эволюционирующую поверхность Земли. Тепловой поток земной коры представляет собой количество тепловой энергии, выходящей из недр, измеряемое в микрокалориях на квадратный сантиметр в секунду (обычно около 1,5 единиц теплового потока). Большая часть этого потока возникает в результате радиоактивного распада урана, тория и калия в земной коре, что демонстрирует линейную зависимость от выработки тепла в гранитных породах, однако часть теплового потока поступает из более глубоких источников, расположенных под корой.

Земля подвержена экстремальным колебаниям температуры — от нескольких тысяч градусов Цельсия в ядре до условий, близких к замерзанию на поверхности. Внутреннее тепло было получено с помощью множества механизмов: аккреционное тепло от преобразования потенциальной гравитационной энергии во время столкновений с метеоритами; тепло, выделяющееся при образовании ядра, когда металлическое железо отделяется и погружается; радиогенное тепло от распадающихся радиоактивных изотопов; а также тепло от метеоритов и астероидов, некоторые из которых были исключительно крупными в ранней истории Земли. Тепло из этих источников постепенно мигрирует к поверхности посредством теплопроводности, конвекции и адвекции, что в совокупности составляет глубинную составляющую теплового потока в земной коре. Кондуктивный теплообмен включает передачу тепловой энергии из более теплых областей в более холодные, при этом тепловой поток пропорционален разнице температур, умноженной на теплопроводность — свойство материала. Большинство горных пород обладают низкой теплопроводностью (примерно одна сотая от теплопроводности медной проволоки), что делает теплопроводность неэффективным механизмом переноса тепла на большие расстояния.

Адвекция переносит тепло посредством движения материала, такого как перенос магмы, движение горячей воды через трещины и крупномасштабная циркуляция мантии, при которой нагретый плавучий материал поднимается, а более холодный и плотный опускается. Мантийная конвекция представляет собой доминирующий адвективный механизм теплопередачи, возникающий, когда силы плавучести преодолевают вязкость породы (сопротивление течению) и теплопроводящие потери. Число Рэлея количественно определяет баланс между этими силами, при котором конвекция происходит выше критического порога; ниже этого значения преобладает теплопроводность. Хорошо развитые конвекционные ячейки мантии эффективно переносят тепло из глубины на поверхность, выступая в качестве основной движущей силы тектоники плит. Теплопередача в мантии происходит преимущественно конвективно (адвективно), за исключением определенных зон: области D'' вблизи границы ядра и мантии, самой верхней мантии и литосферы (земной коры и самой верхней мантии), где преобладают теплопроводность и гидротермальная адвекция.

Мантийная конвекция представляет собой основной механизм переноса внутренней энергии из глубин Земли в приповерхностные области. Данный термический процесс включает нагрев на глубине, вызывающий расширение материала и уменьшение его плотности, что приводит к движению вверх, тогда как более холодный материал опускается, заменяя его. Поднимающийся материал при охлаждении выделяет тепло, а опускающийся повторно нагревается, создавая эффективный цикл переноса тепла из глубины на поверхность. Конвекция в мантии действует наряду с теплопроводностью, излучением и адвекцией, хотя представляет собой основной механизм выделения тепла на Земле. Тектонический цикл плит объединяет множество механизмов теплопередачи: мантийная конвекция доставляет тепло к поверхности, генерируя магму, которая формирует океаническую кору на срединно-океанических хребтах. На этих хребтах находятся активные системы гидротермальной циркуляции, образующие дымоходы черного дыма и другие вентиляционные сооружения.

По мере удаления коры и литосферы от горных хребтов они охлаждаются и опускаются в соответствии с квадратным корнем из их возраста, погружаясь примерно на 2,5–4,0 километра ниже уровня моря. Таким образом, мантийная конвекция служит фундаментальным движущим механизмом тектоники плит, а движущиеся плиты представляют собой кондуктивно охлаждающийся пограничный слой для крупномасштабной мантийной конвекции. Тепло, передаваемое на поверхность конвекцией, происходит из нескольких источников: распад радиоактивных изотопов, таких как уран-235, торий-232 и калий-40; остаточное тепло от ранних короткоживущих изотопов, например йод-129; первичное тепло от аккреции Земли; энергия образования ядра; а также тепло от метеоритов и столкновений с астероидами. На заре истории Земли по крайней мере часть мантии была расплавленной, и с тех пор планета непрерывно охлаждалась за счет конвекции; оценки показывают, что в самый ранний архейский период температура мантии могла быть на несколько сотен градусов выше, чем в наши дни.

Скорость конвекции мантии зависит от текучести материала, измеряемой как вязкость — отношение напряжения сдвига к скорости деформации. Материалы с более высокой вязкостью сопротивляются течению сильнее, чем вещества с более низкой вязкостью. Современные оценки вязкости мантии колеблются от 10²⁰–10²¹ Па/с в верхней мантии до 10²¹–10²³ Па/с в нижней мантии, что позволяет осуществлять полный конвективный переворот примерно каждые 100 миллионов лет. Поскольку вязкость мантии уменьшается с повышением температуры, ранняя история Земли, вероятно, характеризовалась более быстрым конвективным переворотом, что делало конвекцию более эффективной и ускоряло тектонические процессы на плитах. Современные исследователи обсуждают особенности мантийной конвекции. Относительно неоднородная верхняя мантия простирается на глубину около 670 километров, что характеризуется заметным увеличением скорости сейсмических волн. Более однородная нижняя мантия простирается до области D'' на глубине около 2700 километров, переходя в жидкое внешнее ядро.

Одна научная школа предлагает конвекцию в масштабах всей мантии, при которой верхняя и нижняя мантия циркулируют как единое целое. Другая точка зрения поддерживает двухслойную конвекцию с отдельными системами циркуляции в верхней и нижней мантии. Гибридная модель, которую в настоящее время предпочитают большинство геофизиков, предполагает преимущественно двухслойную конвекцию, при которой субдуцирующие плиты проникают через 670-километровый разрыв сверху, а мантийные плюмы поднимаются из области D'' через разрыв снизу. Геометрия конвекционных ячеек мантии отражает распределение зон субдукции (областей нисходящего движения) и систем срединно-океанических хребтов (областей восходящего движения). Широкая зона восходящего движения под Атлантическим и Индийским океанами контрастирует с Циркум-Тихоокеанскими зонами нисходящего движения. Большой плюмоподобный «супервспад» под Тихим океаном, вероятно, подпитывает Восточно-Тихоокеанское поднятие.

Мантийные плюмы, происходящие из глубин мантии, подчеркивают эту широкую картину конвекции в верхней мантии, а их хвосты искажаются верхнемантийными потоками. Структура мантийной конвекции и внутренней передачи энергии в течение геологического времени остается не до конца изученной. Такие периоды, как меловой, по-видимому, характеризовались более интенсивной мантийной конвекцией и поверхностным вулканизмом. Измененные скорости или стили конвекции, возможно, способствовали более эффективному отводу тепла с ранней Земли. Компьютерные модели имитируют периоды конвекции с преобладанием шлейфа, чередующиеся с плоскими опрокидывающимися ячейками, аналогичными современным моделям. Некоторые модели предполагают циклическое поведение, когда плиты накапливаются на 670-километровом разрыве, а затем быстро погружаются в нижнюю мантию, вызывая крупномасштабные опрокидывания. Для реконструкции истории конвекции необходимы дальнейшие исследования, объединяющие сохранившиеся данные о конвекции в мантии внутри деформированных континентов.

Внешние источники энергии и их изменения: Солнце и орбитальные вариации. Солнце является основным источником внешней энергии для Земли, испуская излучение, которое остается почти постоянным в масштабах человеческого времени, но меняется в течение примерно 1500-летних циклов. Однако изменения параметров орбиты Земли вокруг Солнца приводят к более значительным и систематическим изменениям поступающей солнечной радиации. Эти орбитальные изменения влияют на множество систем Земли, вызывая оледенения, глобальное потепление, а также изменения в климате и характере осадконакопления. Лучистая солнечная энергия питает атмосферную и океаническую конвекцию, а это означает, что любые колебания поступающей радиации напрямую влияют на поведение этих систем. Астрономические эффекты изменяют поступающую солнечную радиацию из-за незначительных изменений траектории движения Земли по орбите и наклона оси. Считается, что эти изменения способствуют продвижению и отступлению ледяных щитов в Северном и Южном полушариях за последние несколько миллионов лет.

Только за последние 2 миллиона лет ледяные щиты продвигались и отступали примерно 20 раз. Климатические данные, полученные из ледяных кернов Гренландии, и изотопные исследования глубоководных отложений, озер и пещер указывают на постепенное накопление льда в течение примерно 100 000 лет, за которым следует быстрое таяние в течение десятилетий и тысячелетий. Эти закономерности являются результатом совокупного взаимодействия множества астрономических явлений. Некоторые изменения орбиты изменяют поступающее солнечное излучение. Эксцентриситет — форма эллиптической орбиты Земли — циклически меняется с периодом в 100 000 лет, попеременно приближая Землю к Солнцу или удаляя от него в течение летнего и зимнего сезонов. Данный 100 000-летний цикл точно соответствует закономерностям продвижения и отступления ледников за последние 2 миллиона лет, что позволяет предположить, что он является основной движущей силой изменений в течение нынешнего ледникового периода.

В настоящее время угол наклона земной оси относительно плоскости орбиты составляет приблизительно 23,5 градуса, изменяясь от 21,5 до 24,5 градусов в течение 41 000-летнего цикла. Больший наклон приводит к увеличению сезонных колебаний температуры, что влияет на климатические условия в разных полушариях. Аксиальная прецессия описывает колебательное движение оси вращения Земли, похожее на вращение волчка. Это явление — прецессия равноденствий — изменяет направление наклона относительно Солнца, сохраняя при этом постоянную величину наклона, в результате чего разные полушария в разное время года оказываются ближе к Солнцу. В настоящее время Земля находится ближе всего к Солнцу зимой в Северном полушарии. Прецессия происходит по двойному циклу с периодичностью 23 000 и 19 000 лет. Эти астрономические факторы взаимодействуют в разных временных масштабах по сложной схеме, известной как циклы Миланковича (названные в честь сербского ученого Милутина Миланковича, впервые проанализировавшего их в 1920-х годах). Понимание этих циклов позволяет прогнозировать климатические траектории — независимо от того, вступает ли Земля в фазу потепления или похолодания — и помогает планировать изменения уровня моря, опустынивание, оледенение, наводнения и засухи.

Процессы в атмосфере и океанах под воздействием внешней энергии. Атмосфера состоит из смеси газов, удерживаемых силой тяжести, и разделена на слои, главным образом, в зависимости от вертикальных температурных градиентов. Температура в тропосфере — в самых нижних 11 километрах — постепенно снижается с высотой (примерно на 6,5°C на километр), поскольку солнечная радиация нагревает поверхность, которая впоследствии нагревает нижние слои атмосферы. Внешняя солнечная энергия управляет всеми атмосферными процессами. Движение атмосферы возникает из-за разницы в солнечном нагреве: экватор получает больше тепла на единицу площади, чем полюса. Нагретый воздух расширяется и поднимается вверх, распространяется наружу, охлаждается, опускается и возвращается к экватору. Эта схема циркуляции образует ячейки Хэдли — воздушные пояса, опоясывающие Землю, которые смешивают воздух между экваториальными и среднеширотными регионами.

Воздух поднимается вдоль экватора, оставляя влагу при прохождении через тропические регионы. Двигаясь к полюсу на больших высотах, воздух охлаждается и высыхает, опускаясь на 15–30 градусах широты, где он либо возвращается к экватору, либо движется к полюсам. Положение ячеек Хэдли ежегодно меняется в зависимости от сезонного движения Солнца. Системы высокого давления формируются в регионах с нисходящим воздухом, характеризующихся стабильным, ясным небом и интенсивным испарением из-за чрезвычайной сухости. Дополнительные пояса глобальной циркуляции формируются по мере охлаждения воздуха на полюсах и его распространения к экватору. Холодные полярные фронты формируются там, где полярные воздушные массы встречаются с более теплым тропическим воздухом, циркулирующим из ячеек Хэдли. Сильные западные ветры развиваются в поясах между полярными фронтами и ячейками Хэдли.

Полярное струйное течение, расположенное в верхних слоях тропосферы, контролирует положение полярного фронта и силу западного ветра, частично фиксируясь в Северном полушарии Тибетским плато и Скалистыми горами. Волны Россби — впадины и изгибы на пути струйного течения — частично определяют расположение систем высокого и низкого давления, демонстрируя сезонную стабильность с предсказуемыми летними и зимними циклонами. Значительные сезонные или более длительные изменения характера волн Россби могут перенаправлять штормовые системы, вызывая локальные засухи или наводнения. Изменения в глобальной циркуляции могут также привести к распространению холодного и сухого воздуха в регионах, что потенциально способно вызвать длительную засуху и опустынивание, длящиеся недели, месяцы или годы, — явления, которые могут объяснить сильные засухи, затрагивающие Азию, Африку, Северную Америку и другие регионы.

Циркуляционные ячейки, подобные ячейкам Хэдли, перемешивают воздух в средних и высоких широтах, а также между полярными и высокоширотными регионами. Вращение Земли изменяет эти схемы циркуляции за счет эффекта Кориолиса, который отклоняет движущиеся тела вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии. Эти совокупные эффекты создают привычные ветры, включая пассаты, восточные и западные ветры, а также затяжные дожди. Как и атмосфера, океан находится в постоянном движении, приводимом в движение внешней солнечной энергией. Океанские течения следуют по регулярным траекториям, которые определяются характером ветра и термохалинными силами в океанских бассейнах. Эффект Кориолиса проявляется примерно под углом 45 градусов к преобладающим направлениям ветра — вправо в Северном полушарии и влево в Южном полушарии.

Глубоководные течения в основном обусловлены термохалинной циркуляцией — движением воды, вызванным различиями в температуре и солености. Колебания температуры отражают различия в солнечной радиации, поступающей через Мировой океан. Бассейны Атлантического и Тихого океанов имеют циркуляцию по часовой стрелке в Северном полушарии и против часовой стрелки в Южном полушарии, при этом наиболее сильные течения наблюдаются в среднеширотных секторах. В Индийском океане наблюдаются в целом сходные, но более сложные сезонные колебания, обусловленные влиянием муссонов. Антарктида окружена глубоководными районами, где Основное Антарктическое Циркумполярное течение протекает между 40 и 60 градусами южной широты со скоростью 0,5–1,5 метра в секунду, а основные циркуляции происходят на шельфовом леднике Росса и вблизи Антарктического полуострова.

Северный Ледовитый океан покрыт большим количеством льда, и существует только один крупный путь входа и выхода из него — пролив Фрама к востоку от Гренландии. В арктической циркуляции преобладает медленный трансполярный дрейф (1–4 сантиметра в секунду) от Сибири к проливу Фрама и вызванный термохалинным течением круговорот Бофорта, который накапливает лед вдоль побережья Гренландии и Канады. Эти арктические процессы приводят к появлению многочисленных айсбергов на морских путях в Северной Атлантике и переносу холодных глубоководных вод вокруг Гренландии в Североатлантический бассейн. Таким образом, взаимодействие внутренних (геотермальных) и внешних (солнечных) энергетических источников определяет динамику всех земных оболочек — от глубинной мантийной конвекции до поверхностных климатических процессов и океанических течений.

ДАЛЬНЕЙШЕЕ ЧТЕНИЕ: Хейс, Джеймс Д., Джон Имбри и Николас Дж. Шеклтон. «Колебания земной орбиты: стимулятор ледниковых периодов». Science 194 (1976): 2,212–2,232.
Шуберт, Джеральд, Дональд Л. Теркотт и Питер Олсон. Мантийная конвекция в атмосфере. Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 2001.
Макдэниел, Дональд Л. и Джеральд Шуберт. Геодинамика. 2-е изд. Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 2002.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.