Bevezets
A Fld hõeloszlsa s a fldi anyagok hõszlltsa alapvetõ jelentõsgû a fldtani folyamatok megrtsben. Minden fldtani folyamat lezajlshoz energira van szksg. Akr a fldrengsekrõl, akr a vulkanizmusrl, akr szerkezeti mozgsokrl beszlnk, minden esetben jelentõs mennyisgû energia mozog, amely valahonnan szrmazik. Mik a Fld energiaforrsai, hogyan alakul t a mechanikus energia hõenergiv s viszont?
A Fld felsznn a hõmrsklet kb. +50 s -50oC kztt vltozik. A vltozs rvid (napi), kzp (vszakos) s hossz peridus trendeket mutat. A Fld felsznt rintõ vltozsok kis mlysgben, 10-50 m kztt eltnnek, s a Fld hõhztartst e mlysgek alatt a Fld belsejbõl terjedõ hõram hatrozza meg.
A hõramls szorosan kapcsoldik a hõmrsklethez s ennek eloszlshoz. A fldtrtnet szintn szorosan kapcsoldik a hõ forrsainak eloszlshoz s intenzitshoz. A mltbeli hõtrtnetrõl kzvetlen adataink nincsenek, erre fldtani megfigyelsekbõl kvetkeztethetnk. A hõeloszlsra felllthat modellek s egyenletek jelentõs mrtkben spekulatvak.
Hõram, hõforrsok, hõszllts
A fldfelszn kzelben csaknem mindentt azt tapasztaljuk, hogy a hõmrsklet a Fld belseje fel nõ.
A geotermikus gradiens dT/dz (ahol z a mlysget jelenti), ltalban 8 s 40 K/km kztt vltoz a szrazulatokon, ennl kiss magasabb a mlytengeri ledkekben. Ez a hõ a Fld belsejbõl a klszn fel ramlik.
A hõram, q, fgg a geotermikus gradienstõl az Ohm-trvnyhez hasonl szablyszerûsg szerint:
q = - K grad T
ahol K a hõvezetõkpessg, a negatv elõjel a hõram irnyt jelli a melegebbtõl a hidegebb terlet fel. A hõramot Joule/cm2/sec dimenziben hatrozzuk meg.
A K vezetõkpessg fgg a kõzet tpustl, a hõmrsklettõl, a nyomstl, a porozitstl, a porzus kõzetek esetben a vztartalomtl. Szoksos rtke 4 s 10-3 cal cm-1 sec-1 deg-1. A mlytengeri ledkekben, amelyek prustere rossz hõvezetõkpessgû vzzel van teltve, a vezetõkpessg valamivel alacsonyabb.
gy szrazulatokon a hõram tipikus rtke kb. 1.5 microcal cm-2 sec-1, amely megfelel kb. K = 5 x 10-3 rtknek, dT/dz = 30o/km = 3 x 10-4 gradiens mellett. A Fld felsznre raml hõ becslt teljes mennyisge gy kb. 2,4 x 1020 cal/v, azaz 1028 ergs/v.
Napenergia
Br a fldi hõram ves becslt sszmennyisge nagynak tûnik, mgis elhanyagolhat ahhoz a hõmennyisghez kpest, amely a Napbl rkezik a Fld felsznre. Ez az tlagos beessi szg mellett 1,36 x 106 ergs cm-2 sec-1. Ezrt a Fld felsznnek hõhztartst a Napbl szrmaz hõ hatrozza meg. Nem lehet mltbeli klimavltozsokat kizrlag a belsõ hõram vltozsaira visszavezetni, amelyek a Napbl szrmaz energihoz kpest tl kicsik voltak ahhoz, hogy befolysol hatsak lehessenek.
Meg kell itt llni egy pillanatra, hogy megvizsgljuk, mi trtnik a Fld felsznre rkezõ hõenergival. Egy T abszolt hõmrskletû test egyenslyi llapotban E = s T4 energit bocst ki, ahol s a Stefan-Boltzmann lland, 5,67 x 10-5 erg cm-2 sec-1 deg-4. A sugrzs hullmhossza a Wien-trvnyt kveti. Eszerint az lesz a jellemzõ hullmhossz, amelynl a kibocstott energia 1/T. Alacsony hõmrskleteken a sugrzs a VFIR (szlsõ infravrs) tartomnyba esik, a hõmrsklet nvekedsvel a hullmhossz cskken, kezdetben az infravrs, majd a lthat fny tartomnyba kerl. (gy hatrozzk meg csillagszati sugrforrsok hõmrsklett). Krlbell 6oC az a hõmrsklet, amelynl egy fekete test kb. ugyanannyi hõt kezd sugrozni, mint amennyi a Naptl rkezik. A jellemzõ hullmhossz 10 mikron, a spektrum infravrs tartomnyba esik.
Az a tny, hogy a felszni tlagos hõmrsklet (10oC) csak kiss magasabb, mint a 6oC rtk, annak a jele, hogy a Fld gyakorlatilag a Naptl kapott teljes hõmennyisget visszasugrozza az ûrbe. Ezen egyszerû tny mgtti folyamatok sokkal bonyolultabbak. Nem az sszes, Napbl rkezõ sugrzs ri el a Fld felsznt. Bizonyos rszt az atmoszfra (pl UV sugrzs) elnyeli, ms rsze a felsznrõl visszaverõdik, illetve abszorbeldik. A fldrõl visszaverõdõ sugrzs infravrs tartomnyt a lgkri, felhõzetben lvõ vz s szndioxid jra abszorbelja, majd jra kisugrozza rszben a klsõ atmoszferikus vek, rszben ismtelten a Fld felszne fel (veghzhats).
Minden ms tnyezõ vltozatlansga esetn is vannak napszaki s vszakos besugrzs-vltozsok. Ennek kvetkeztben bizonyos idõszakokban a fldfelszn hõt nyel el (nappal, nyr), ms esetekben hõt sugroz ki (jszaka, tl). Ezek az ingadozsok a felszn kõzeteinek rossz hõvezetõkpessge miatt csak a felsznkzeli 1-2 mteres znt rintik. A klmavltozsokhoz kapcsold hosszabb peridus vltozsok hatsa mlyebbre is hatolhat.
Az sszes tnyezõt figyelembe vve gy tnik, hogy a Fld hõhztartsa egyenslyt tart a Napbl rkezõ sugrzssal. A Fld belsejbõl rkezõ hõ is tvozik az ûrbe. A fldi hõram mellett mg a vulkni tevkenysg, szeizmikus tevkenysg is szllt hõt a felsznre, mely kisugrzdik. Ennek sszegeknt a fldtani folyamatok a Fld energiatartalmnak cskkenst eredmnyezik.
A Fld hõkibocstsa
Nehz pontos becslst adni arra vonatkozan, hgy mekkora a Fldrõl tvoz hõmennyisg. A szrazulatokon mûkdõ vulknokbl vente kb 1 km3 lva anyaga ri el a felsznt, ennek tmege kb 3 x 1015gramm. 1 gramm lva lehûlse s kristlyosodsa a kezdeti kb 1000oC hõmrskletrõl kb. 1600 J/g energit szabadt fel. Az ebbõl szrmaz hõmennyisg kb 5 x 1018 J/v lehet. Ez 0,5 %-a a belsõ hõramnak. Ebben a becslsben nem szerepelnek a tenger alatti erupcik, amelyek legalbb akkora vagy nagyobb mennyisgû anyagot szolgltatnak, mint a szrazulatiak. De mg ezt figyelembe vve sem jelent a vulkni tevkenysg jelentõs hõvesztesget.
Bizonyos terleteken a vz krforgsa rvn jelentõs mennyisgõ hõ kerl a felszn kzelbe (gejzr, fumarola, hvforrs), s ez ipari energiaforrs lehet. A hõ az esetek tbbsgben valsznûleg sekly mlysgben lehûlõ szubvulkni testtõl szrmazik Ms esetekben (pl. a Pannon medence terletn) a kivkonyult fldkreg miatt nvekedik meg a geotermikus gradiens rtke. Az gy kibocstott hõ mennyisgt a Fld egszre vonatkoztatva megbecslni szinte lehetetlen, mert a gradiens kis tvolsgokon bell igen jelentõsen vltozik. Mivel viszont a geotermlis terletek a Fld felsznnek kevesebb, mint 1 szzalkt jelentik, az ezekbõl a forrsokbl a Fld egszre vonatkoztatott hõram vltozs mennyisge nem lehet jelentõs.
Igen nehz becslni a kiemelkedst okoz szerkezeti mozgsok sorn felszabadul energia mrtkt, mivel sem mechanizmusukat, sem sebessgket nem ismerjk kellõen. Joggal felttelezhetjk viszont, hogy a Fld felszne jelentõsen nem vltozott, azaz a kiemelkeds s lepusztuls egyenslyban van, gy a lepusztuls mrtkbõl s sebessgbõl a kiemelkedsre kvetkeztethetnk. A lepusztuls mrtke ltalban ezer venknt nhny cm, br helyenknt ennl nagyobb (a Himaljban pl 100 cm/ezer v), vagy kisebb, esetleg nulla (pl tengerszint krli terleteken). gy az vente termelõdõ ledkek teljes tmegt vve (szrazulati felszn x ledkvastagsg x sûrûsg), h magassgrl indulva (ami kevesebb mint 1 km tlagban), g gyorsuls hatsa alatt ez kb 1024 erg/v, ami ismt jelentktelen fldi hõram 1028 erg/v rtkhez kpest.
A fldrengsekbõl vente felszabadul energia mennyisge kb 1026 erg, azaz a fldi hõram 1 %-a. Kb. hasonl mrtkû lehet a nem-elasztikus deformcikbl szrmaz energia mrtke.
sszesgben azt llapthatjuk meg, hogy a Fld hõhztartst dntõen a fldi hõram szablyozza, ezrt ennek jobb megrtse vezethet el a fldi folyamatok mlyebb ismerethez.
A Fld hõtartalmnak forrsai
1. Lehûls az eredeti forr llapotbl
Akr a forr llapot, akr hideg llapot kiindulsi anyagbl szrmaztatjuk a Fldet, a felszabadul hõenergia, illetve gravitcis energia nagysga jelentõs lehetett. Ennek jelentõs rsze kisugrzdott, de bizonyos hnyada megmaradhatott.
2. A Fld magjnak elklnlse
Az egyenletes anyageloszls Fld, illetve a jelenlegi llapot (nehz mag, knnyû kpeny) kztti gravitcisenergia-klnbsg jelentõs, 1038 erg. Ennek az energinak a felszabadulsa bekvetkezhetett a keletkezskor, vagy rviddel azt kvetõen, vagy ellenkezõleg, a mag nehz komponenseinek lass mlyre sllyedst felttelezve, fokozatosan.
Aply-dagly erõk okozta srldsi hõ
A Hold s a Nap gravitcis hatsa a Fldre jelentõs (a Nap hatsa a Holdnak kb. fele). Ez viszont a Fld forgsnak, illetve a Hold mozgsnak megfelelõen egy-egy felszni ponton az idõben lland vltozik. Az ekvipotencilis felsznek, pl. cenok s tengerek vzfelszne periodikusan deformldik, s ltrehozza az raply hatst. A Fld maga is deformldik, s a fldfelszn pontjai a Fld kzppontja fel, illetve attl tvolodva mozognak, kb 30 cm-es amplitudval. A fldfelszn ilyen deformcija lnyegben elasztikus, br az elaszticits tkletlensge (belsõ srlds) s az cen viznek viszkozitsa a Fld forgsi energijnak egy rszt hõv vltoztatja, s a Fld forgsa ennek megfelelõen lassul. A lassuls mrtke csillagszati mdszerekkel mrhetõ, s rtke 5 x 10-22 rad sec-2. Mivel a forgs kinetikus energija E = C w2/2 *ahol C a forgstengely inercia nyomatka), az energia kibocsts sebessge gy
melynek rtke 3 x 1019 erg/sec. Ezen energia egy kis rsze "eltolja" a Holdat a Fldtõl, a maradk rsze viszont hõkibocstss alakul. Ennek a hõkibocstsnak a helye nem ismert pontosan, de jelentõs rsze esetleg trtnhet olyan sekly tengerrszeken, ahol tengerramlatok kpesek a hõt elszlltani.
Ez a hõforrs a Fld letnek korai szakaszban a mainl jelentõsebb lehetett, amikor a Hold a Fldhz kzelebbi plyn keringett, s a Fld forgsa is gyorsabb volt.
Radioaktivits
Az elemek a radioaktv bomls sorn a rszecskket (pl. az U238) vagy elektronokat (pl. a Rb87) bocstanak ki. ezek a rszecskk a krnyezõ atomokkal tkznek, s morgsi energijuk hõv alakul. A boml nukleidok ltal kibocstott g sugrzs is rvid tvolsgon bell elnyelõdik. Az instabil radioaktv nukleidek bomlsi energija teht hõv alakul. Egy gramm U238 pldul 0,94 erg sec-1 energit, egy gramm K40 0,28 erg sec-1 hõt termel.
Egy kõzet sszettelt ismerve a hõtermelsi kpessge kiszmthat. A tipikus rtkeket az albbi tblzat adja meg.
Kõzet |
Hõtermels |
|
cal g-1 sec-1 |
grnit |
2,6 x 10-13 |
bazalt |
3,8 x 10-14 |
peridotit |
2,9 x 10-16 |
dunit |
6,0 x 10-17 |
kondrit meteorit |
1,2 x 10-15 |
vas meteorit |
1,0 x 10-18 |
Verhoogen et al 1970
A tblzatbl a Si tartalom s a radioaktivits sszefggse jl lthat. Az U s Th a K-hoz hasonlan a savany kõzetekben dsul.
Hõramls az cenokban s a kontinens lemezekben
Mivel a kontinentlis kreg jelentõs rszben grnitos sszettelû, s mivel a grnit a legjelentõsebb radioaktv hõtermelõ, kezdetben az volt a vlemny, hogy a kontinentlis kregrszekben hõram nagyobb, mint az ceni kregrszekben. Az 1950-es vekben elkezdett mrsek viszont azt mutattk, hogy a hõram mrtke a ktfle kregrszben krlbell azonos. Az elsõ magyarzat az volt, hogy a radioaktv anyagtartalom a ktfle kregben gyakorlatilag azonos, csak eloszlsa eltrõ. Az ceni hõram jelentõs rsznek a kpenybõl kell szrmaznia, mivel itt a kreg tl vkony. Azt ttelezhetjk fel, hogy a kpeny radioaktv anyagtartalma egyenletes volt, csupn a rszleges megolvads sorn belõle elklnlt s felszn fel raml savany magmban az eredeti radioaktvanyag-tartalom, azaz U, Th, K jelentõs rsze is feldsult, azaz egytt mozgott az un. SiAl elemekkel, amelyekben a kontinentlis kreg a kpenyhez kpest gazdagabb.
A hõramls a kontinensek s cenok terletn egyenetlen eloszls. A kvetkezõ tblzatbl lthat az adatok szrsnak nagy mrtke az sszes terleten.
Fldtani formkhoz kapcsold hõramlsrtkek |
|
|
Fldtani forma |
Mrsek szma |
Kzprtk
mcal cm-2 sec-1
|
|
|
Szrazulat |
Pajzs |
26
|
0,92
|
0,17
|
|
|
Mezo-kainozos orogn terletek
|
19
|
1,92
|
0,49
|
|
|
Kainozos vulkni terletek (geotermlis terletek nlkl)
|
11
|
2,16
|
0,46
|
|
cen |
Medenck |
273
|
1,28
|
0,53
|
|
|
Htsgok
|
338
|
1,82
|
1,56
|
|
|
rkok
|
21
|
0,99
|
0,61
|
|
Verhoogen et al. 1970.
Lthat, hogy a hõram mrtke s szrsa fgg a fldtani helyzettõl is. A pajzsterletek nagyrszt grnitbl ll, stabil terletek, szemben a fiatalabb orogn vekkel, amelyek jelentõsebb termlis zavarokhoz kapcsoldnak.
Hõvezets a Fldi szerkezetekben
Nincs bizonytkunk arra, hogy a Fld hõmennyisge lland lenne. Valsznû az is, hogy a nagyobb mlysgekbõl szrmaz hõ felsznre jutshoz idõ kell, s ezrt a jelenlegi felszni hõeloszls nem tkrzi a jelenlegi fldi hõramot.
Hõvezetsi egyenlet
Vegynk egy olyan kzeget, amelyben a hõforrsok intenzitsnak (e) (joule cm-3 sec-1) eloszlsa egyenletes. A fenti brn egy nknyesen felvett S fellet egy V trfogat kzeget foglal magba. Ha a fellet brmely pontjban a hõram rtke q, akkor a felletrl tvoz teljes hõmennyisg mrtkt megkapjuk az albbi sszefggs szerint:
ahol qn a hõramvektornak a dS felletelemre merõleges komponense. Az energia megmaradsnak elve alapjn a Q hõmennyisgnek azonosnak kell lennie a felleten bell egysgnyi idõ alatt termelõdõ hõenergia sszegvel s a lehûls sorn felszabadul hõvel.
Ha dT/dt a hõmrsklet vltozs idõbeli mrtke, akkor az ennek megfelel hõtartalomvltozs, azaz a felszabadul hõ a fajhõ (c) definicija alapjn c dT/dt egysgnyi tmegre vonatkoztatva, illetve trfogatra vonatkoztatva r c (dT/dt), ezrt
Az sszefggsben a msodik tag negatv elõjele arra utal, hogy hõ csak akkor szabadul fel, ha a test lehûl, azaz hõmrsklete az idõvel cskken.
Az egyenlet bal oldala helyettesthetõ:
Mivel viszont a q = - K grad T, ezrt div q = - KÑ2T, ha felttelezzk, hogy a hõvezetõkpessg a test egszben egyenletes.
Behelyettestve s rendezve
Az egyenletnek igaznak kell lennie brmely S felletre s V trfogatra, gy az integrl rtke mindentt 0 s
illetve
ahol h = K/rc, s termlis diffuzivitsnak nevezzk.
A hõvezets idõbeli lasssga mg kis mretû hõmrskletzavarok esetben is jelentõs idõbeli ksst okoz. A kvetkezõ brn egy kis, kb 1 km tmrõj intruzv test hõtrtnett lthatjuk a magms mûkds megszntt kvetõen. A szmtott grbk alapjn a testtõl mrt fix tvolsgban a hõmrsklet vltozst az idõben kvethetjk. A test szlhez kzel, 100 mternyire a hõmrsklet a maximumot 100 v mlva, 600 m tvolsgban mintegy 10,000 v mlva ri el. Ugyancsak 10,000 v mlva a lakkolit a kezdeti hõmrskletnek mintegy 20 %-t mutatja. A ksõbbiek sorn ltni fogjuk, hogy hõmrskletklnbsgek konvekcit hoznak ltre. Ilyen konvekci lp fel intruzv testek krnyezetben a talaj- s rtegvzrendszerben. Ez a mechanizmus a hidrotermlis rendszerek, s ezen keresztl az rcesedsek ltrejttnek s fennmaradsnak energiaforrsa.
Sugrzsi hõszllits
A hõ a szilrd anyagokban tulajdonkppen az az energia, amely az atomi rszecskk rcspontok krli vibrcijaknt jelenik meg, amelynek frekvencija a ktsertl, amplitudja pedig a hõmrsklettl fgg. Ha egy szilrd test egyik vgt melegtjk, az atomok vibrcija loklisan nvekedik, s ez atomrl atomra terjed, a rugalmas hullmterjedshez hasonlan. A hõvezetkpessg a hõmrsklet nvekedsvel prhuzamosan cskken, nyomsra nem rzkeny.
Magasabb hõmrskleten szmos elektromosan szigetelõ anyag hõvezetõkpesge a hõmrsklet fggvnyben gyorsan nõ, s a hõszllts mdja sugrzs. Egy T hõmrskletû test a hõmrsklettel arnyos mrtkû elektromgneses energit sugroz ki. Alacsony hõmrskleten ennek hullmhossza nagyon nagy, s a spektrumnak olyan tartomnyba esik, amelynl a szilrd anyagok legtbb rsze opak. Ekkor a test melegebb rsze ltal kisugrzott energia nem utazhat nagyobb tvolsgokra anlkl, hogy ne reabszorbeldna, s ezrt a hõszllits korltozott. Wien trvnye szerint a lm = 0,29/T, ahol T az abszolt hõmrsklet. gy T = 2000 K hõmrskleten lm = 14,500 , s az energia nagy rsze a NIR illetve lthat spektrum tartomnyban sugrzdik, s itt tbb nemfmes anyag, szilikt transzparens. A sugrzs ezrt nagyobb utat tehet meg abszorpci nlkl, s a hszllits sebessge jelentsen megnõ, mert a sugrzs a fny sebessgvel halad a szilrd anyagban, s ez sokkal nagyobb, mint az elasztikus hullmok lehetsges terjedsi sebessge. Nagy mlysgekben, ahol a hõmrsklet megfelelõen magas, az olvadsponthoz kzeli, a sugrzsos hõszllts lecskkentheti a termikus gradienst a korbbi 0,3-0,2-szeresre.
Konvekci
A konvekci olyan tmegmozgs, amely gravitci hatsra, hõmrskletklnbsg miatt ltrejvõ srûsgeltrs miatt jn ltre. Kpzelj el egy olyan fluidomot, amelynek klnbz rszein a hõmrsklet eltrõ, s ezrt klnbz a sûrûsg is. Itt gravitcis energia szabadul fel annak rvn, hogy a kisebb sûrûsgû rszek felfel, a nagyobb sûrûsgû rszek lefel ramlanak.
Konvekci rvn szlltdik pldul az atmoszfrban az Egyenlitõ szlessgre rkezõ naphõ a magasabb szlessgek fel. Valsznûleg konvekci hozza ltre a Fld magjban az elektromos ramot, melyhez a Fldi mgneses tr kapcsoldik. A felttelezsek szerint konvekci az a md, amelynek rvn a hõ mechanikai munkv alakul, s kreglemezeket mozgat, hegysgeket hoz ltre.
Paradoxnak tûnhet konvekcirl beszlni a kpeny esetben, ami a szeizmikus hullmokat igen merev testknt tovbbtja. A kpenyt a legjobb esetben is igen nagy viszkozits folyadkanyagnak tekinthetjk. Nem ismert azon, hogy hogyan viselkedik ez az anyag igen hossz idõn t hat stresszre. Az viszont biztonsggal felttelezhetõ, hogy az ilyen nagy viszkozits anyagban ltrejvõ igen kis sebessgû ramlssal olyan mennyisgû hõ szlltdhat, amely a vezetssel szlltott hõvel azonos nagysgrendû.
A konvekcit is magba foglal hõterjedsi egyenlet
A hõmrskletvltozs a sebessg x,y,z koordinta tengely irnyba esõ sszetevõk, valamint az idõ t vltozshoz kapcsold differencilhnyadosok sszegeknt kapjuk:
Osztva mindkt oldalt dt-vel, s behelyettestve a sebessg komponenseket, kapjuk az 5-8 egyenletbõl rvidtve:
Eszerint az sszefggs szerint a hõmrskletvltozsnak van egy fix s egy konvekcis sebessgtõl fggõ komponense. Az elsõ tag kpviseli a mozg rendszerhez kpest egy fix ponton mrhetõ egymsutni idõpontokhoz tartoz hõmrskleteket, mg a msodik tag a mozg fluidum egy elemhez kapcsolhat hõmrskletvltozsokat.
Az sszefggseket most visszavettjk a korbbi hõram-bra S felletre. Amennyiben a fellet rgztett, s a folyadk ki s beramlik rajta, egy ujabb tagot kell hozzadni az hõvezetsi egyenlet jobboldalhoz, hogy a folyadk ltal az S felletrõl ki-beszlltott hõt is megadhassuk. Az sszefggst gy egyszerûbb megfogalmazni, ha felttelezzk, hogy az S fellet mozog egy meghatrozott s nem vltoz trfogat folyadkon bell. Ekkor az egyenletek sszekapcsolsval, s a konvekcit jelzõ tag levonsval kapjuk az albbi sszefggst:
Ebbõl az sszefggsbõl az elsõ tag a diffuzv komponens, a msodik tag a tmegre vonatkoztatott fajhõ, a harmadik a konvekcibl szrmaz tag.
Milyen gyorsnak kell lennie a kpenyramlsnak ahhoz, hogy a konvekcis tag a fenti sszefggsben jelentõs legyen? Vegyk az egyszerû esetet a tkletes gmbszimmetria esetn:
s
Hasonltsuk most ssze az utols elõtti egyenlet elsõ s msodik tagjt. Azt mondhatjuk, hogy a konvekci akkor jelentõs, ha azonos nagysgrendû, mint
Ez utbbi kvetelmny egyszerûen azt jelenti, hogy
azaz a kpenyhez tartoz fldsugrt vve durvn 1,5 x 10-3 cm/v.
Ilyen sebessgû konvekci esetben, mg abban az esetben is, ha a hõmrsklet gradiens mindssze tizedfoknyi kilomterenknt, a konvekcis tag nagyobb, mint a hõgenercis tag, amennyiben a hõtermelsi egytthatt a kpeny ultrabzitos komponensnek megfelelõen vesszk. A felsznen megfigyelhetõ s a kontinens lemezeket is mozgat deformcis sebessg cm/v nagysgrendû.
A Fld mretbõl szrmaz geofizikai hats
Az elõzõ bekezds utols egyenletbõl kiolvashat, hogy a Fld mretnek jelentõs szerepe van a fldi folyamatokban. Akr a mgneses tr esetben, a konvekcis ramls is csak azrt lehet jelentõs szerepû a Fld hõhztartsnak alaktsban, mert a vezetses hõszlltst a nagy Fldsugr jelentktelenn teszi.
Ms oldalrl megvilgtva, tegyk fel, hogy a kpeny plasztikus anyagknt akkor viselkedik, amennyiben a feszltsg egy Xo rtket meghalad. A dT egy kis sûrûsgklnbsget okoz. A felhajt erõben a trfogat jelentõs tnyezõ, s a trfogat a hõmrsklet klnbsg miatt vltozik. Mivel a feszltsg terletegysgre esõ erõ, s a trfogattal azaz az L lineris dimenzij terlet kbvel arnyosan nõ. A terlet viszont a lineris dimenzinak csupn a ngyzetvel nõ, gy a feszltsg az L-lel arnyosan nõ. Ha az L elg nagy, akkor a feszltsg akkor is meghaladhatja a folyspontot, ha a sûrûsgklnbsg s a hõmrskletklnbsg igen kicsi. Ha az L nagysgrendje l08 cm, akkor 10-4 g cm-3sûrûsgklnbsg mr 10 bar feszltsget tud ltrehozni. Ilyen sûrûsgklnbsget pedig mr 1oC hõmrskletanomlia ki tud termelni.
Konvekcis instabilits - az adiabatikus gradiens
Egy olyan tartlyban mozg fluidum, amelynek egyik szlt melegtik, a msikat hûtik, nem lehet egyenslyban, a kt szl kztti hõmrskletklnbsgek sûrûsgklnbsghez vezetnek. Ez azt okozza, hogy a folyadk melegebb rsze felfel emelkedik, a felsznen sztterjed, kzben lehl, s a msik vgen lesllyed. Ha a hõtermelõds folyamatos, akkor a cirkulci is folyamatos lesz.
A kp kiss bonyolultabb, ha a hõmrsklet gradiens fggõleges. Ekkor az als rteg melegedik fel elõszr, a felhajt erõvel felfel emelkedik, a hideg s sûrûbb folyadk pedig lesllyed. A fldi gravitcis trben a sûrûsg lefel nõ, felfel egyre kisebb sûrûsgû a kzeg.
A rendszer stabil akkor, ha a hõmrsklet vltozs nem jr a krnyezet fel hõcservel, azaz a lehls adiabatikus. Akkor nem jr hõcservel a felfel trtnõ ramls, ha csak az adiabatikus llapotnak megfelelõen alakul a hõmrskletklnbsg. Ha viszont a folyadk hõmrsklete nagyobb, mint a krnyezet hõmrsklete, a hozztartoz kisebb sûrûsg miatt a felhajt erõ tovbb hajtja felfel, azaz a rendszer instabil lesz.
A konvekcis rendszer teht attl lesz stabil vagy instabil, hogy a helyi hõmrskletgradiens kisebb vagy nagyobb-e, mint az adiabatikus gradiens. Ez a gradiens a kpenyre vonatkozan nagy valsznûsggel kisebb, mint egytized fok kilomterenknt, s ez azt mutatja, hogy a kpeny jelentõs rsze stabil.
Raleigh-fle szm
Raleigh tallta gy, hogy egy alulrl melegtett folyadkrtegben akkor indul konvekcis ramls, ha az n. Raleigh-szm, egy dimenzi nlkli paramter, rtke egy adott hatrt, rendszerint az 1500-at meghaladja. Ez a szm gyakorlatilag egy arnyossgi tnyezõ, amely a gravitcival, a hõtgulsi egytthatval, a hõmrsklet gradienssel, valamint a folyadkrteg vastagsgnak negyedik hatvnyval prhuzamosan, a termlis diffuzivitssal s a kinematikus viszkozitssal fordtottan arnyos.
Itt megint lnyegesek a rendszer mretei: ha a d elg nagy, akkor a Skandinvia emelkedsbõl szmthatval azonos kpenyviszkozits s kis 0,1 deg/km hõmrskletklnbsg mr kpes a konvekci fenntartsra.
A konvekcis mozgs mdja
A konvekci lokalizlt lefel s felfel mozg gak kztti vzszintes ramlsokbl tevõdik ssze. Ha a hõforrs a folyadkon bell van, a cellk vzszintes rtelemben megnyltt vlnak, a horizontlis mozgs jelentõs lesz.
Egy adott mretû stressz esetben a konvekci sebessge a viszkozitssal fordtottan arnyos. Nagy Raleigh szm esetben turbulencia lphet fel, s igen nagy sebessg, sûrûsg s hõmrsklet klnbsgek alakulhatnak ki a vzszintes felleteken. A mozgs szaggatott is lehet. A mozgs teht a reolgiai tulajdonsgoktl fgg.
A kpeny teljes anyagnak egyszeri krforgsa a cm/v nagysgrend mozgs alapjn mintegy 108 v. A konvekci valsznûleg szlsõsgesen egyenlõtlen eloszls a felsõ kpenyben, ahol a viszkozits valsznûleg 1022 nagysgrendû.
Konvekci s hõram az ceni kregben
Az cenokban mrt hõram tlaga krlbell megegyezik a kontinensekvel, ezen bell viszont erõsen eltr az rkokban illetve a htsgokon mrt rtkektõl (1,60-0,99-1,82 mcal cm-2 sec-1): Nagyon nagy rtkek jelentkeztek az Atlanti Htsg s a Kelet-Pacifikus htsg vonalban. Ezeket ma sztsodrd kreglemezhatrokknt ismerjk. A szttolds a kreglemezben repedseket hoz ltre, ezt magma tlti ki, s igy hoz ltre j fldkrget, mely lassan oldalirnyban tvolod mozgst vgez a hõcentrumtl.
A hõmrskletklnbsgek egyttal sûrûsgklnbsget is okoznak, ez a gravitcis kpben is jelentkezik.
A Fld hõeloszlsa
A Fld hõeloszlsra vonatkoz adatok elgg kis szmak s bizonytalan rtkûek.
Szeizmikus adatok alapjn a kpenyben a hõmrskletnvekeds elg nagy ahhoz, hogy a nyoms nvekedsnek hatst ellenslyozza, de nem elg nagy ahhoz, hogy a sûrûsg s a Vp sebessg cskkenjen.
Kpeny
Mivel a felsõ kpenyben az S hullmok terjednek, llapota bizonyosan szilrd, azaz hõmrsklete nem haladhatja meg tulzottan a helyi nyoms mellett rvnyes olvadspontot (csak bizonyos helyeken, pl vulkni centrumoknl, s bizonoy idõszakokban, vulkni aktivits sorn). Emiatt valszinûtlen, hogy a hõmrsklet 100 km mlysgben az 1300oC-t, 200 km mlysgben a 1600oC-t meghaladja.
Klsõ mag
A kpeny anyaga szilrd, a klsõ mag anyaga folyadk halmazllapotknt viselkedik. A hatrfelleten kb 1,4 Mbar nyoms uralkodik, ilyen nyoms mellett ksrleti hõmrskleti adatok nicnsenek. Termodinamikai alapon arra lehet kvetkeztetni, hogy a mag hatrn a hõmrsklet 2500-5000oC kztt lehet.
Belsõ mag
Szilrd halmazllapot, a hatrfelleten a hõmrsklet valszinûleg azonos a 3,2 Mbar uralkod nyomsnak megfelelõ olvadspontval. A tiszta vasra vonatkoztatott extrapolcik ezen a nyomson 2500-6000oC kztti hõmrskletet adnak, a tnyleges hõmrsklet ennl alacsonyabb.
A Fld hõtrtnete
A hõtrtnet szorosan kapcsoldik a szerkezetfejlõdshez. A mlt rekonstrukcija nagyobb pontossggal nem lehetsges.
Egy biztos fldtani adat az, hogy nem ismernk 3,5 Md vnl idõsebb kõzetet, mg viszont a Fld kora 4,5 Md vre tehetõ. Az elsõ 1 Md vben szilrd fldkreg nem ltezett. A prekambiumi formcik egyes specilis metamorfitjai - pl. cordierit granulitok - alacsony nyoms - azaz sekly mlysghez tartoz - magas hõmrskletekre utalnak, arra mutatva, hogy esetleg a hõram korbban nagyobb volt, mint most.
A hideg keletkezsi modell szerint a Fld hideg porrszecskkbõl sûrûsdõ kezdeti tmege felttelezhetõen 1000oC alatti hõmrskletû volt. A radioaktiv hõkpzõds, valamint az raply erõkbõl szrmaz surldsi hõ elegendõ lehetett ahoz, hogy a belsõ hõmrsklet mintegy 500 milli v alatt a vas olvadspontjig emelkedjen. Kb. 4,5 Md ve trtnhetett ez, s a kezdetben egyenletes eloszls vas ekkor sllyedt le, s hozta ltre a Fld magjt. Az ekkor felszabadul gravitcis energia elegendõ volt ahhoz, hogy a kpeny anyagban rszleges megolvadst okozzon. Az alacsony hõmrsklet megolvadt rsz foglalta magba s szllitotta a felszn kzelbe az eredeti K s U-ot, kirtve az als kpeny ezen elemtartalmt. A szilrd fldkreg ltrejtte ezt kvetõen, a radioaktivits tovbbi cskkense utn, kb. 3,5 Md ve vlt lehetsgess.
A hõ hatsa az svnyokra - hõtguls
A hõtguls eredete a kristly rcspontjainak vibrcijnak abban a sajtossgban rejlik, hogy a vibrci amplitudja a hõmrsklet nvekedsvel prhuzamosan nvekszik. Alapllapotban T = 0 K fokon a hõtguls zr. Anizotrp anyagokban a szimmetriatengelyeknek megfelelõen eltrõek a lineris hõtgulsi egytthatk.
A hõtgulsi egytthat ltalban pozitv, azaz a hõmrsklet nvekedse tgulst eredmnyez. Nhny anyagnl, mint pl. a vz 0 s 4oC kztt, negatv. Bizonyos svnyoknl - pl. kalcit - a hõtgulsi egytthat egyik irnyban negatv, azaz ebben az irnyban az emelkedõ hõmrsklet hatsra a kristlyok mrete cskken. Ha a nyoms nõ, az egytthat rtke cskken.
A legtbb svny hõtgulsi egytthatja 1-5 x 10-5 deg-1, azaz 100 fokonknt kisebb, mint 0,1-0,5 %.
A felszni hõmrsklet rvid peridus, napszakos, vszakos vltozsa s ezzel kapcsolatosan a kõzetek klnbzõ svnyos elegyrszeinek az azonos hõmrskletvltozsra eltrõ hõtgulsa, illetve a fagy a legfontosabb tnyezõk a fizikai mlls, aprzds elõidzsben.
A hõmrskletgradiens mrse
A geotermikus gradienst a leggyakoribb esetekben mlyfursokban, klnbzõ mlysgekben pontszerûen vagy folyamatosan mrt hõmrsklet alapjn hatrozzk meg mlyfurs-geofizikai eszkzkkel. A hõmrsklet mrsek sorn tekintettel kell lenni a mlyfurs geometrijra, a lyukba beraml fluidumok mennyisgre, ramlsi sebessgre, hõmrskletre, beramlsnak helyre. A Krpt-medencben a geotermikus gradiens rtkek mrsnek jelentõs gazdasgi fontossga van, a geotermlis energia hasznostsi lehetõsge, illetve a kõolaj-fldgz kutatsi lehetõsgek rtkelse szempontjbl.
Paleo-hõmrõk
Br a fldtrtneti idõben visszafel haladva a kzvetlen hõmrsklet mrs lehetõsge megszûnik, nagyon sok olyan fldtani jelleg van, amely megõrizte az egykori fldtani krnyezeti hõmrskletet, illetve a keletkezsi folyamat valamelyik szakasznak jellemzõ hõmrsklett. Ezek a fldtani jellegek lehetnek kõzettaniak, svnytaniak, biolgiaiak. Megfelelõen szlelve s rtkelve ezeket, kvetkeztethetnk az egykori hõmrskletre, annak szlsõ rtkeire, illetve sokszor a hõhats idõtartamnak hosszra is.
A legegyszerûbb paleo-hõmrõk azok, amelyek valamely fizikai-kmiai tulajdonsguk rvn kzvetlenl jeleznek a keletkezsk, illetve ltezsk sorn a krnyezetben valamely meghatrozhat folyamathoz tartoz hõmrskletet.
svnytani paleo-hõmrõk
Az svnyok egyik kzismert tulajdonsga a polimorfia, azaz ugyanahhoz a kmiai sszettelhez tartoz tbbfajta kristlyforma. ezek ltrejtte nyoms s hõmrsklet fggvnye. A kisrleti illetve tapasztalati adatok alapjn ismerjk azokat a hõmrskleti hatrokat, amelyek (a nyoms fggvnyben) bizonyos hõmrsklet alatt, illetve felett stabilak.
Az egyik ilyen ismert paleohõmrõ az SiO2. Ennek legalacsonyabb hõmrskletû vltozata a kovaglbõl kristlyosod opl, kalcedon. Magasabb hõmrskleten bta-kvarc, 575oC felett alfa-kvarc kristlyosodik. Tovbbi magasabb keletkezsi hõmrskletû vltozatok a tridimit, krisztobalit. Hasonl paleo-hõmrõ a kalcit-aragonit, pirit-markazit svnypr.
Kõzettani paleo-hõmrõk
A magms kõzetek olvadspontja kmiai sszettelk fggvnyben vltoz. Legalacsonyabb olvadspontak savany, azaz magas SiO2 tartalm kõzetek. A legalacsonyabb olvadspontja atmoszfrikus nyomson a grnitos sszettelû keverkeknek van: 550oC. Legmagasabb olvadspontja a bzisos, bazaltos sszettelû kõzeteknek van: 1100oC. Ezek fltt a hõmrskletek fltt folyadk halmazllapot stabil, azaz a lva formjban mozg olvadkok hõmrsklete ennl magasabb volt.
Biolgiai paleo-hõmrõk
A tengeri, ceni krnyezet lõvilgnak faj sszettele, diverzitsa jelentõs mrtkben a tengervz hõmrsklettõl fgg. A recens tengerekhez kapcsold megfigyelsek alapjn az egykori ledkgyjtõk krnyezetre pontos hõmrskleti kvetkeztetsek tehetõk. Jellegzetes faunatrsulsa van a tropikus s a borelis ceni krnyezeteknek, a tengeralatti hõforrs-centrumoknak.
A klnfle puhatestek vzban mrhetõ O16/O18 izotparny a tengervz beplskori hõmrsklett jelzi.
|