Теорія пограничних шарів при тепловій конвекції - раздел Геология, Геодинаміка
Конвективні Рухи В Конденсованому Середовищі, Газі Та Плазмі ...
Конвективні рухи в конденсованому середовищі, газі та плазмі широко розповсюджені в природі, техніці та побуті. Конвекція є складним гідродинамічним явищем. Зародження науки про конвекцію пов’язане з іменами Бенара і Релея. В 1900 р. Бенар експериментально спостерігав виникнення регулярної просторово-періодичної структури конвективних комірок в шарі рідини, що підігрівається знизу. Релей в 1916 р. вперше розглянув задачу про конвективну нестійкість в горизонтальному шарі рідини з вільними границями, в якому є вертикальний нададіабатичний градієнт температури і визначив поріг конвективної нестійкості для моделі конвекції.
Конвекція виникає тоді, коли шар рідини або газу, розташований у полі тяжіння, не може вивільнитися від тепла, що в нього вводиться (із середини – внутрішній підігрів, або зовнішній – підвід тепла знизу або охолодження зверху) шляхом звичайного механізму теплопровідності. Рушійною силою, яка викликає конвективні рухи, є архімедова сила, або, як її називають зараз, сила плавучості. Остання обумовлена перегрівом або переохолодженням рідини, тобто ефектом термічного розширення або стискування шарів або частинок у полі сили тяжіння.
Важливо зрозуміти,що конвективні рухи виникають в результаті нестійкості перегрітого або переохолодженого шару рідини, яка знаходиться у полі тяжіння. За класичною геотермікою, адіабатичні температури розмежовують область дії молекулярного і конвективного механізмів теплопровідності. Критерієм конвективної стійкості є адіабатичний розподіл температур (інтегральний критерій стійкості, локальний критерій веде до рівності градієнту температури адіабатичного градієнту температури). Коли градієнт температури менший адіабатичного, система стійка, коли більший – нестійка.
В неідеальній рідині цей критерій недостатній. Тому необхідно у в’язкій рідині розглянути силу плавучості, яка б змогла здолати силу в’язкого опору (останню називають дисипативною силою, причина дисипації – перетворення механічної енергії в теплову). В цьому випадку градієнт температури повинен перевищувати адіабатичний градієнт на певну кінцеву величину з причини стабілізуючої дії теплопровідності та в’язкості. На противагу – будь-яке зміщення положення рівноваги призводить до виникнення відновлюючої сили, і система буде повертатися до початкового стану. При цьому розбурхнення затухатиме з часом за експоненціальним законом. Навпаки, коли критерій стійкості порушено, розбурхнення з часом експоненціально зросте. З цього виходить, що сила плавучості обумовлена температурною залежністю щільності і перевищенням температур над адіабатичними температурами. Тоді енергія в’язкої дисипації черпається за рахунок витрат механічної потужності, яка розвивається в процесі конвекції. Остання дорівнює роботі сили плавучості FD на шляху d за одиницю часу, тобто силу FD необхідно помножити на характерну швидкість u; Т2-Т1 – різниця нададіабатичних температур на нижній і верхній границях шару. Але через теплопровідність частинка, що конвектується, прогрівається або переохолоджується при своєму руху, втрачає частину своєї сили плавучості. Відповідно механічна потужність, яка витрачається на здолання сил стримання, менша.
Жарков розраховував критерій конвективної нестійкості з умов Буссе (1979), увівши критичне число Релея Raс (де Ra - число Релея). Тоді конвекція в шарі рідини в полі сили тяжіння виникає при Ra³Raс. Значення критичного числа Ra залежить від типу граничних умов.
Найважливішою зміною в картині конвективних течій при Ra³Raс є розвиток теплових пограншарів – гарячого в нижній границі і холодного у верхній границі шару. Усереднене по горизонталі розподілення температури при цьому стає дуже простим. Все падіння температури (Т2-Т1) відбувається в нижньому і верхньому теплових пограншарах. В тонких теплових пограншарах перенос тепла відбувається шляхом звичайного механізму теплопровідності. Туркотт та Оксбург (1967) розвинули теорію пограничного шару для теплової конвекції при великих числах Релея – Прандтля та застосували цю теорію до верхньої мантії.
На гарячій нижній і холодній верхній границях формуються тонкі пограничні шари. Коли два гарячі шари, які належать суміжним коміркам, зустрічаються, вони відокремлюються від границі і утворюють гарячий висхідний потік. По досягненню гарячим потоком холодної верхньої границі він різко охолоджується, втрачає вертикальну компоненту швидкості і переходить у холодний пограншар, який розташований вздовж верхньої границі. Відповідно до цього суміжні холодні пограншари утворюють нисхідний холодний потік. Більшу частину комірки займає адіабатичне ядро, а в гарячому і холодному пограншарах перепад температури порядка DТ/2, де DТ= Т2-Т1 – різниця нададіабатичних температур на нижній і верхній границях шару. Це – одна з моделей. Необхідно звернути увагу на останні роботи вчених в цьому напрямку. Російські вчені В Трубіцин та В Риков створили двохмірну модель еволюції мантійної конвекції (рис. 2.6). В реальному випадку все набагато складніше. Але розглянуте питання є важливим для розуміння механізму утворення земної кори, в тому числі і розуміння динаміки тектогенезу.
Все темы данного раздела:
Вано-Франківськ
МВ 0
Наукові основи геодинаміки. Внутрішня будова та властивості Землі
Землю як планету, її походження в Сонячній системі вивчає наука космогонія. Розміри і форму Землі та особливості рельєфу – геодезія. Будову, склад та стан речовини, яка складає Земл
Поняття про науку “Геодинаміка”. Структура та зв’язок з іншими геологічними дисциплінами
Останнім десятиріччям геодинаміка відокремилась в окрему галузь знань про Землю. Це – наука про глибинні сили та процеси, які виникають внаслідок еволюції Землі як планети і які обу
Петрофізичні властивості земних надр
Земна куля в межах, які доступні для спостереження, складається, як відомо, з кількох оболонок – атмосфери, гідросфери та літосфери. Остання є самою верхньою кам’яною оболонкою Земл
Первинна речовина Землі
Одним з головних геологічних методів вивчення є метод безпосереднього спостереження та всебічного дослідження речовини, яка складає земну кору. Він базується на вивченні розрізів ша
Характеристика геосфер
Земна кора. Ця геосфера складає невелику частку від загальної маси Землі. За потужністю та складом виділяють три типи земної кори:
Континентальна кора характе
Фізичні властивості геосфер
Відсутність прямих даних про щільність речовини глибинних геосфер Землі обумовлює необхідність використання непрямих, наприклад, сейсмологічних даних.
Із загальних уявлень
Хімічний склад земних надр
Щодо питання первинної речовини Землі, то, згідно з космічною теорією, планети Сонячної системи, в тому числі і Земля, утворилися з газово-пилової хмари шляхом акреції речовини цієї
Диференціація речовини геосфер Землі
Які ж основні дані, що можуть бути використані при вивченні хімічного складу Землі в цілому? Їх небагато.
По – перше, хімічний склад земної кори. Але не слід забувати, що в
Питання для самоперевірки
1 Дайте визначення науки “Геодинаміка”?
2 Яку роль відіграє “Геодинаміка” серед інших наук геологічного циклу?
3 Які методи дослідження застосовує “Геодинаміка”?
4 Яку ро
Джерела теплового поля Землі
До групи поверхневих факторів теплового поля можна, по-перше, віднести випромінювання Сонця. Земля отримує дуже малу дозу випромінювання, лише одну двомільярдну його частину, що визначається порівн
Характеристика глибинного теплового поля
Особливої уваги заслуговує вивчення глибинних джерел теплового поля Землі. Справа в тому, що глибинне тепло нашої планети пов’язане з джерелами її внутрішньої енергії. Остання прояв
Проблема походження глибинного теплового поля Землі
Ця проблема досить складна сама по собі. Вона тісно пов’язана з іншими невирішеними до кінця проблемами – походження Землі, особливостей її внутрішньої будови, хімічного складу, тощ
Температура надр Землі
Вивчення фактичного розподілення температури Землі в значній мірі ускладнюється її варіаціями в доступній для вимірювання частині земної кори і загальною слабкістю вивчення мантії т
Питання для самоперевірки
1 Назвіть основні джерела теплової енергії геосфер Землі?
2 Дайте визначення теплового потоку?
3 Як змінюється температура за глибиною?
4 Назвіть методи дослідження тепло
Хімічний склад ядра
З чого складається ядро земної кулі? В світлі міркувань та цифр, викладених в попередніх лекціях, вирішення цього питання не було б дуже важким, але насправді є набагато складнішим ніж уявлялося.
Формування ядра
Перш за все питання про щільність. Ще у 1939 році В. Лодочніков, великий вчений Ленінградського гірничого інституту, подав цікаву думку про те, що щільність речовини, яка складає зе
Ббудова ядра
Ядро займає область від центру Землі до глибини 2900 км. Радіус границі, яка поділяє ядро і мантію 3470 км. Об’єм ядра складає 16% від об’єму Землі, маса – 31% від маси Землі. Основ
Магнітне поле Землі
В 1950 році було встановлено, що походження головного магнітного поля Землі пов’язане течією речовини у зовнішньому ядрі. Згідно з аналізом геомагнітного поля Землі можна сказати, щ
Питання для смоперевірки
1 Гіпотези утворення ядра Землі.
2 Будова ядра Землі.
3 В якому стані знаходяться речовина в ядрі Землі?
4 Який склад речовини ядра Землі?
5 Назвіть основні фізи
Таблиця 1.2 – Співставлення розрахункових і відомих значень характерних границь
Розрахунок
Відомі параметри
n
Н = А/ехр(n), км
Н, км
Характеристика
Таблиця 1.3 – Дані відомих геофізичних моделей Землі
Сфера
Шар
Інтервал глибин (км) за моделлю:
Гутенберга - Буллена
Джеффріса -Гутенберга
Склад та властивості мантії
Ключовою проблемою фізики мантії є проблема про фізичну природу шару “С” (при досить однорідному складі шарів “В” і “D”), який характеризується ненормально швидким зростанням швидко
Верхня мантія
Верхня мантія включає підкоркову частину літосфери та астеносферу (шар Гутенберга). Вона відокремлена від середньої мантії границею розподілу на глибині 410км. При переході через гр
Середня мантія
Середня мантія (шар Голицина) відокремлюється від нижньої на глибині 950-1000км. Нижче цієї границі швидкість сейсмохвиль плавно нарощується і для повздовжніх складає 9-11,4 км/с, д
Нижня мантія
Нижня мантія простежується до глибини 2900 км (границя Віхерта-Гутенберга). Тут різко зменшується швидкість повздовжніх хвиль з 12.6 до 8.1 км/с.
В основі границі нижньої м
Склад мантії та її властивості
Існує, як уже відзначалося вище, теорія “хондритової моделі” Землі. Хондрити мають ультраосновний склад. Вони вміщують в середньому 46% олівіну, 25% піроксену, 11% плагіоклазу, 12%
Проблеми повзучості та в’язкості
Важливим параметром фізичної моделі Землі є в’язкість. Питання існування течій в надрах Землі вимагає до вибору фізичних параметрів, які б визначали закони таких течій. В загальному сенсі ці параме
Характеристика тектоносфери
Літосфера та астеносфера – поняття, які відіграють велику роль у сучасній геофізиці та геології. Зовнішній жорсткий шар Землі називається літосферою, під нею розташований розм’якшен
Питання для самоперевірки
1 Будова мантії.
2 Властивості мантії.
3 Назвіть сучасні геодинамічні моделі будови мантії.
4 Який стан речовини мантії?
5 Який розподіл щільності, температур та
Тектонічні гіпотези в історії геології
Уява про механізм рухів і деформацій земної кори займала думки людей ще з античних часів, а, може, ще й раніше. Але взаємозв’язок тектонічних і магматичних процесів залишався не сві
Тектонічні рухи
Важливішим питанням геодинаміки є вивчення проявлень і механізмів тектонічної активності Землі. Які ж причини тектонічних рухів? Які джерела енергії спричиняють тектонічні процеси?
Питання для самоперевірки
1 Які геотектонічні гіпотези Ви знаєте?
2 Сучасна геотектонічна модель Землі.
3 Що стало головними положеннями при створенні теорії тектоніки плит?
4 Дайт
Границі літосфери
Земна кора разом з твердою частиною шару Гутенберга утворює єдиний жорсткий шар, який лежить на астеносфері, який називають літосферою. По суті, літосфера є своєрідною
Класифікація плит
Згідно з концепцією тектоніки плит, жорсткий поверхневий шар літосфери зазнає сильних деформацій і тільки вздовж відносно вузьких лінійних рухомих поясів. Ці рухомі пояси, які склад
Гіпотеза спредінгу і субдукції
Важливою ідеєю на шляху до тектоніки плит була гіпотеза спредінга – розсування океанічного дна вбоки від серединно-океанічних хребтів, які охоплюють усю земну кулю (Хесс, 1960 р.; Д
Основні положення концепції спредінгу ложа океанів
Основні положення цієї концепції зводяться до такого:
1. Земна кора і сама верхня частина мантії – це є пружна і відносно крихка верхня оболонка Землі – літосфера, яка підс
Повний геодинамічний цикл розвитку літосфери
Повний геодинамічний цикл розвитку літосфери того чи іншого регіону земної кулі складається з двох етапів: океаногенезу і континентогенезу (рис. 2.19 а, б).
Перший етап под
Геодинамічні процеси, пов’язані з океаногенезом
Океаногенез характеризується дробленням і деструкцією раніше існуючої кори, переважно континентального типу, за рахунок процесів рифтогенезу і формування нової кори океанічного типу
Геодинамічні процеси, пов’язані з континентогенезом
Континентогенез характеризується зміщенням і нарощуванням товщини континентальної кори.
Епіокеанічна стадія відзначається формуванням і зростом гірськоскладчастих споруд (орогенна ф
Землетруси
В зонах підвищеної тектонічної активності напружений стан земної кори розвантажується у формі землетрусів. Під землетрусом прийнято розуміти коливання земної кори, які викликані рух
Розповсюдження землетрусів
Землетруси на земній кулі розповсюджені нерівномірно, основна їх маса концентрується в особливих зонах, які називаються сейсмічними поясами. Найбільш крупний з них Тихоокеанський се
Внутрішня структура і механізм дії вулканів
Сукупність всіх геологічних процесів, силою яких є магма, як відомо, називається магматизмом.
Магма (гр. – месиво, бруд) являє собою природний, найчастіше силікатний, вогня
Природа геодинамічних процесів та методи вивчення
Для платформних областей характерними є (порівняно з геосинклінальними областями) менші швидкості вертикальних і горизонтальних рухів, відсутність або слабка активність сучасних зем
Повзучість та її динаміка
Процес повзучості – це є поступове зміщення грунтів на схилах без розриву суцільності деформуючого геологічного тіла, яке відбувається під дією сили тяжіння і супутніх зовнішніх факторів: пе
Процеси зсуву та їх різновиди
Зсув, або зсувний процес – це є процес зміщення частини гірських порід (грунтів) під впливом перш за все сили тяжіння на більш низький гіпсометричний рівень при збереж
Гіпотези утворення Землі
Перерахуємо кілька сучасних успіхів геофізики. Палеомагнітні дослідження створили тверду основу для теорії континентального дрейфу, хоча ще зовсім недавно ця теорія була предметом п
Основні геотектонічні гіпотези
Геологічні та геофізичні дані свідчать про наявність суттєвих, принципових відмінностей в особливостях будови і розвитку земної кори (і літосфери в цілому) різних ділянок нашої план
Глибинні процеси землі та їх поверхневі прояви
Наприкінці 60-х років в основному склався теоретичний фундамент для розуміння явищ і процесів, пов’язаних з континентальним дрейфом. Останньою і найважливішою гіпотезою, яку висунул
Тектоніка плит
Згідно з теорією тектоніки плит, зовнішня оболонка Землі розділена на ряд жорстких плит, які рухаються одна відносно до іншої. Швидкості їх відносного руху за порядком величини скла
Тектоніка плюмів
Протягом двох десятиліть в геофізиці широко обговорюється питання: чи охоплює конвекція всю мантію, чи мантійний матеріал циркулює у верхньому і нижньому її шарах окремо, ніколи не
Роль континентів у динаміці Землі
Довгий час поширеною була думка, що рух плит визначається головним чином тепловою конвекцією в мантії. При цьому вважалося, що континенти пасивно дрейфують під дією в’язких течій і
Вертикальні рухи всередині континентів
Висхідні потоки речовини мантії сильно розтягують континентальну літосферу, але часом не в змозі розірвати її. В даному випадку над висхідним мантійним плюмом утворюються впадини, я
Питання для самоперевірки
1 Назвіть основні теорії та гіпотези утворення і еволюції Землі.
2 Які гіпотези та відкриття вчених стали основою для створення теорії тектоніки плит?
3 Які геолог
Механізм дії зсувів
Геодинаміка зсувного процесу перш за все визначається структурно-тектонічними умовами і літолого-петрографічними характеристиками геологічних тіл, які деформуються. Тому існує різниця між зсувами у
Механізм дії завалів та осипів
Завали, або завальний процес – це обрушення частини гірських порід масиву з короткочасним їх відривом при падінні від нерухомої основи. Вони часто відбуваються разом із зсувами.
Карстові і суфозійні процеси
Карстові і суфозійні процеси пов’язані з діяльністю підземних вод. Вони проявляються у розчинності грунтів або у вигляді цементаціних зв’язків між їх частками, в механічному переміщ
Питання для самоперевірки
1 Які особливості ендогенних геодинамічних процесів?
2 Що розуміють під терміном процес повзучості?
3 Як поділяються зсувні процеси по місцю прояву?
4 Поясніть механізм д
Перелік Використаних джерел
1 Куровець М.І., Гунька Н.Н. Основи геології/ Підручник для вузів. - Львів, 1997.– 694с.
2 Гунька Н.Н., Куровець М.І. Загальна геологія/ Підручник для вузів. - Івано-Франкі
Сейсмологічна модель Землі
Сильний землетрус породжує об'ємні хвилі, які пронизують тіло планети, як би освітлюючи його зсередини. Подібно променю світла сейсмічний промінь підкоряється законам оптичної оптик
Таблиця А.2 - Хімічний склад Землі
Хімічний
елемент
Вміст у вагових відсотках
Хімічний
елемент
Вміст у вагових відсотках
За
Сейсмічна модель будови Землі
Широко відома модель внутрішньої будови Землі (розподіл її на ядро, мантію і земну кору) розроблена сейсмологами Г. Джеффрисом і Б. Гутенбергом ще в першій половині XX століття. Вир
Методи геодинамічних досліджень
Геотермічна розвідка (терморозвідка) об’єднує фізичні методи дослідження природного теплового поля Землі з метою вивчення ландшафтів, термічного режиму земної кори і верхньої мантії
Теплового поля Землі
Джерелами теплового поля Землі є процеси, що протікають в її надрах, і теплова енергія Сонця. До внутрішніх джерел тепло відносить радіогенне тепло, яке створюється завдяки розпаду
В земній корі
Нижче за нейтральний шар температура порід підвищується в середньому на 30 0С при зануренні на кожні 100 м. Це пояснюється наявністю регіонального теплового потоку від дж
Локальний тепловий потік
Джерела локальних теплових потоків, що викликають аномалії температур, різноманітні: наявність багаторічно мерзлих порід, тобто могутніх (до сотень метрів) товщ з негативними темпер
Регіональні термічні дослідження
Сутність регіональних термічних досліджень зводиться до високоточного (погрішність не більше 0,01 0С) неодноразовому вимірюванню температур або їх приростів в глибоких св
Новости и инфо для студентов