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Mantelkonvektion ist Konvektionsstrom im FestFelsen in dem Mantel. Konvektion tritt in die Boden an zwei Stellen: im Mantel und im äußerer Kern. Die Konvektion von Feststoffen im Erdmantel ist ein Antriebsmechanismus von Plattentektonik in dem Lithosphäre.
Prinzip
Mantelkonvektion tritt auf langen ("geologischen") Zeitskalen auf. Typische Durchflussmengen liegen bei wenigen Millimetern bis wenigen Zentimetern pro Jahr. Es ist im Erdmantel der Hauptweg, auf dem die Erde ihre innere Wärme verliert. Mantelfelsen ist einem nach oben gerichteten Wärmestrom von der Erdkern. Denn Felsen unter dem drücken und Temperaturen die im Mantel herrschen Plastikverformt kann es im mantel sein, anders als die Kruste, Fluss von festem Gestein stattfinden.
Mantelkonvektion und Plattentektonik
Von oben wird die Mantelkonvektion zusätzlich durch die Plattentektonik angetrieben. Platten wer im mantel subduzieren im Subduktionszonen eine Erkältung bilden Anomalie im Mantel. Da kaltes Material schwerer ist, sinkt es weiter auf eine geringere Dichte als das umgebende Material. Verwenden von seismische Tomographie wird subduziert Lithosphäre in vielen Fällen bis tief in den Mantel hinein verfolgt werden.
Darüber hinaus kühlt das unter der Kruste fließende Mantelmaterial ab, indem es Wärme an die Lithosphäre abgibt, sie schwerer macht und in den tieferen Mantel zurücksinken lässt.
Der steigende warme Strom verursacht das Wachstum von Ozeanische Kruste Biene Mittelozeanische Rücken (ozeanische Ausbreitung) und Schwankungen im Wärmestrom (geothermische Energie) in der Lithosphäre.
So gesehen ist die Lithosphäre mit ihren tektonischen Platten und dem Schweben Kontinente als Teil des konvektiven Systems betrachtet werden.
Energiequelle
Mantelkonvektion ist ein Mechanismus des Wärmeflusses, bei dem Wärme vom heißen Erdinneren zum Erdoberfläche transportiert wird. Die Temperatur im innerer Kern der Erde ist über 5000°C. Auf der Kern-Mantel-Grenze es sind immer noch 3000 °C. Es gibt zwei Quellen für diese Wärme:
- Die zu Beginn der Geschichte der Erde erzeugte Wärme. Dieser wurde veröffentlicht als Ergebnis von Gravitationskompression als die Erde erschaffen wurde, durch die Energie des Aufpralls Asteroiden und Meteoriten, die Freisetzung von potenzielle Energie durch Differenzierung innerhalb der Erde (insbesondere im Ursprung der Erdkern) und der zerfallen von kurzlebig radioaktive Isotope.
- Aus dem noch andauernden Zerfall langlebiger radioaktiver Isotope (z.B Uran-235 und -238, Thorium und Kalium-40) im Mantel. Der Wärmestrom durch den Mantel kommt nicht nur von unten (wie bei der klassischen Rayleigh-Bernard-Konvektion), sondern wird auch im Mantel selbst wieder aufgefüllt.
Insgesamt gibt die Erde aufgrund der Mantelkonvektion eine Energie von 3,5 × 10 pro Zeiteinheit ab13Watt aus.
Mechanismus
sehen Konvektion für den Hauptartikel zu diesem Thema.Mantelkonvektion ist eine Form der thermischen Konvektion: in a zähflüssigFlüssigkeit, die von unten (und von innen) beheizt und von oben gekühlt geformt werden Dichteunterschiede die einen vertikalen Materialfluss ermöglichen. Aufgrund des plastischen und viskosen Verhaltens (die Viskosität in der Schale liegt zwischen 1021 und 1023pa×so) von Rock bei drücken und Temperaturen im Mantel vorherrschend, kann der Mantel als Flüssigkeit angesehen werden. Verursacht durch die Dichteunterschiede Auftriebskräfte, denen die viskosen Kräfte des Materials entgegenwirken. Ebenfalls Leitung im Material wirkt dem Konvektionsstrom entgegen, da dieser die Wärmedifferenz ausgleicht. Ein Maß für den Konvektionsgrad, bei dem all diese Faktoren berücksichtigt werden, ist der Rayleigh-Zahl.
Außerdem sind enorme Massen in Bewegung: Der Erdmantel enthält zwei Drittel der Gesamtmasse der Erde.
Mantelkonvektionsstudie
Jede thermische Konvektion kann untersucht werden durch Modellieren, wo Annahmen über die Masse- und Temperaturverteilung im Fluid und lösen die mathematischen Gleichungen. Das Bild rechts zeigt a Model einer geraden horizontalen Schicht mit einer Rayleigh-Zahl von 106 und konstanter Viskosität von unten beheizt. Im Modell erscheint die untere Schicht deutlich wärmer (rote Farbe), pilzförmige warme Strömungen schießen nach oben (Diapirismus). Gleichzeitig fließen tropfenförmige Strukturen von der kalten Spitze herab.
Neben direkten Beobachtungen von Plattenbewegungen an der Erdoberfläche, Seismologie im Mantel "angeschaut" werden. Warme Teile des Mantels haben etwas kleinere seismische Geschwindigkeiten als kältere, so dass die Temperaturunterschiede im Mantel dreidimensional abgebildet werden können. Dies geschieht mit seismische Tomographie. unten Island man sieht zum Beispiel unten eine warme Aufwärtsströmung Japan eine Erkältung nach unten. Aus den tomographischen Modellen folgen Dichteverteilungen, mit denen die Vektorfeld der Strömung im Mantel. Das Bild oben in diesem Artikel zeigt ein solches tomographisches Modell mit einem Vektorfeld.
Eine weitere Methode, mit der Mantelströme untersucht werden können, ist die Gravimetrie, studiere es Schwerkraftfeld von der Erde. Dichteunterschiede im Mantel führen zu sehr kleinen Unterschieden in der Schwere. Im westlichen Teil des Pazifik ist die Schwerkraft etwas stärker, zum Beispiel weil es eine lange Subduktionszone entlang derer kaltes und dichteres Material in den Mantel sinkt.
Konvektion und Phasenübergänge
Das im Grunde einfache Muster von aufsteigendem warmem Material und sinkendem kaltem Material wird in noch nicht eindeutig feststellbarem Maße gestört durch Phasenübergänge im Erdmantel. Der wichtigste befindet sich in einer Tiefe von etwa 660 Kilometer. Dieser Übergang bildet die Trennung zwischen den über- und Grundierung. Hier geht's Kristallstruktur des Minerals Olivin, der Hauptkommentar von Mantelfelsen, ungefähr von der Spinell- zum Perowskit-Struktur (nach unten). Da die Atome in dieser letzteren Struktur dichter zusammengepackt sind, wird das Mineral und damit das Mantelgestein höher Dichte.
Der Druck, bei dem dies geschieht, hängt von der Temperatur ab: Bei höheren Temperaturen ist für den Übergang ein niedrigerer Druck erforderlich. Für eine warm aufsteigende Mantelwolke bedeutet dies, dass der Phasenübergang in der Wolke weniger tief ist als im umgebenden Mantelgestein, wodurch der durch die höhere Temperatur verursachte Dichteunterschied zwischen der Wolke und dem Mantel verringert oder sogar beseitigt wird. Auf diese Weise kann eine aufsteigende Mantelfahne verlangsamt oder sogar gestoppt werden. Ein ähnlicher Effekt tritt in umgekehrter Richtung auf und verursacht eine Subduktion Platten "liegen" manchmal über Entfernungen von Tausenden von Kilometern auf dem Phasenübergang, bevor sie tiefer in den Mantel einsinken. Bis zum Aufkommen der seismischen Tomographie, die uns gewissermaßen in die Erde blicken lässt, gab es eine hitzige Debatte darüber, ob der Perowskit-Phasenübergang überhaupt Material passieren ließ oder ob es in der Erde eine völlig unabhängige Konvektion gab .obere und untere Jacke. Inzwischen hat sich herausgestellt, dass die Wahrheit wohl irgendwo in der Mitte liegt.
runden 410 Kilometer Tiefe ist ein weiterer wichtiger Phasenübergang. Hier geht Olivin in die Spinellstruktur über. Dieser Übergang findet bei höheren Temperaturen bei höherem Druck statt, so dass Mantelplumes und sinkende Platten beschleunigt statt gestoppt werden können. Der Bereich zwischen den beiden genannten Phasenübergängen heißt Schalenübergangszone erwähnt.
Es wird manchmal angenommen, dass in der frühen Erdgeschichte der Wärmefluss größer war und daher die Konvektion intensiver war als heute. Eine solche heftigere Konvektion mag im unteren und oberen Mantel getrennt verlaufen sein, während wir uns heute in einer Übergangsphase zu einem System befinden, in dem der gesamte Mantel als Ganzes konvekt.