О мантийной конвекции. Владимиру Юровицкому (В.Ю.). Шумилов Владимир Николаевич (Ш.В.). Попытаюсь разъяснить изложенное в статье (Главные движущие силы землетрясений, дрейфа континентов и горообразования. ), имея в виду Ваши вопросы и возражения. В.Ю.: Наиболее основателен пункт В. Но не раскрыт механизм мантийных конвекционных потоков. А в этом-то и есть главное. Мы полагаем, что действительно, впрочем, это и очевидно, что движение литосферных плит происходит за счет горизонтальных мантийных течений. Но каков источник их возникновения. Ш.В.: Любая конвекция (будь то грозовое облако, движение воздуха в комнате, обогреваемой батареей отопления, нагревание воды в кастрюле на плите, или потоки в вязком мантийном веществе) происходит следующим образом: Конвекция имеет место в поле силы тяжести. Она есть следствие действия сил Архимеда, когда более легкое вещество вытесняется вверх более тяжелым (например, воздушный шар в атмосфере, заполненный легким газом водородом или более легким, чем окружающий, теплым воздухом вытесняется вверх). Конвекция может иметь место как при уменьшении плотности (удельного веса) конвектирующего вещества в нижней части зоны конвекции (нагрев атмосферного воздуха от горячей земной поверхности, нагрев комнатного воздуха при контакте с батареей отопления, нагрев воды при контакте с дном кастрюли), так и при увеличении плотности (удельного веса) рабочего вещества в верхней части зоны конвекции. Конвекцию за счет охлаждения вещества в верхней части конвекционного слоя можно видеть и в атмосфере Солнца, и в комнате с охлаждающим кондиционером под потолком (без вентилятора, принудительно перемешивающего воздух), и в прозрачном стакане с теплой водой, в которой плавает кусочек льда. А вообще при конвекции всегда есть перенос тепла снизу вверх, против сил тяжести. Этот перенос тепла является следствием переноса масс переменной плотности (в зависимости от температуры) по замкнутому кругу с преодолением сил трения. Но движущей силой конвекции является не разность температур сама по себе, а разность плотностей (удельных весов) одного и того же вещества при различных температурах (чем теплее жидкость или газ, тем они легче). По существу, закон Архимеда (и его следствие конвекция) есть проявление стремления системы к более вероятному состоянию к минимуму механической потенциальной энергии (более тяжелое внизу меньше энергия). О конфигурации конвекционных потоков: Поскольку движется вязкая жидкость или газ, в которых сила трения стремится уменьшить разность скоростей в соседствующих точках, слоях, объемах до нуля (сила вязкого трения пропорциональна скорости относительного смещения), то и скорости относительных смещений в соседних точках стремятся к нулю. Так что потоки самосогласуются. И большие различия (градиенты) скоростей возможны лишь на границах с какими-то внешними препятствиями. Скорости же вещества на границах соседствующих потоков совпадают. Так что на основании локальных данных и не различишь, когда из одного потока переместишься в соседний. В нашем случае внешним препятствием является твердая земная кора, плавающая на верхней поверхности мантийного потока, а также нижняя граница конвекционного слоя. Между этими границами (препятствиями) мантия стремится двигаться почти как одно большое твердое тело (из-за уменьшения скоростей сдвигов силами трения). Вернее, как несколько огромных шестерен, находящихся в зацеплении (двигающихся согласованно, синхронно). Сегодня эти шестерни вращаются со скоростью порядка одного оборота за сотни миллионов лет. Внизу эти потоки-шестерни нагреваются, становятся легче (в единице объема). Дойдя до нижней поверхности земной коры, отдают ей за счет теплопроводности принесенное тепло (есть поток тепла через кору снизу вверх!). Охладившиеся потяжелевшие массы (в единице объема) опускаются за следующей порцией тепла. А противотоки в узком приповерхностном слое мантии невозможны: в тонком слое нет достаточной движущей силы перепада давлений, достаточного для преодоления сил трения (если нет внешнего источника такой разности давлений, как, например, в жерле вулкана). А теперь рассмотрим возникновение и развитие конвекции более детально на каком-то одном простом примере. Пусть это будет кастрюля с водой на горячей плите. Поначалу холодная неподвижная вода нагревается только за счет своей теплопроводности, получая тепло непосредственно от дна кастрюли. Вся толща воды холодная, и только тонкий слой у дна теплый. Но в силу различных неоднородностей (возможно, ничтожных сначала) где-то слой теплой воды стал несколько толще (или при одинаковой толщине слоя вода стала чуть теплее). Так что одинаковые расположенные на одном уровне объемы воды стали разными по весу. Тогда более тяжелый объем станет вытеснять более легкий вверх (система стремится к минимуму Еп). Более легкий объем слегка приподнимется, а его место займет вода из ближайших окрестностей, в том числе из тонкого нагретого придонного слоя рядом. То есть место приподнявшейся теплой воды будет занято слегка более теплой (чем окружающая) водой (не холодной водой, а смесью уже нагретой и холодной воды). Так что сохранятся и даже усилятся условия для дальнейшего вытеснения вверх столбика более теплой воды (столбик более теплой воды стал несколько выше). И в этом месте начнет устойчиво подниматься вверх более легкая (потому что более теплая!) вода. Когда этот более легкий (более теплый) столбик воды достигнет поверхности воды, он будет несколько выше окрестностей удельный вес теплого столбика меньше, но он ПОЧТИ в равновесии с окружающими более тяжелыми окрестностями. Но вода текучая, она будет стекать с пригорка более высокого легкого теплого столбика, нарушая при этом ПОЧТИ равновесие. Так что, с одной стороны, за счет стекания воды с вершины столбика (нарушения равновесия, уменьшения давления на дно) сохраняются условия для подъема более легкой (теплой) воды на том же месте. А, с другой стороны, стекая по наклонной поверхности в контакте с холодным воздухом, вода слегка охлаждается и поэтому опускается вниз, к месту нагрева, образуя замкнутый (непрерывный) конвекционный поток. Несмотря на очень малую вязкость воды, наклон поверхности нагреваемой воды можно видеть, особенно в большой глубокой кастрюле. При кипении, когда плотности воды в нисходящей и восходящей частях конвекционного потока существенно различаются (в восходящей части плотность воды существенно ниже обычной из-за большого количества в потоке пузырьков пара, образовавшихся у дна кастрюли), этот наклон поверхности кипящей воды трудно не заметить. Подчеркнем еще раз, что движущей силой конвекции является не разность температур сама по себе (в разных частях кипящей воды температура слабо отличается от 100С), а разность плотностей (плотность зависит от температуры). Эта разность плотностей вещества в гравитационном поле Земли (или любом другом) превращается в разность давлений на одном уровнем. Что и приводит к возникновению движения вещества с преодолением сил трения (вязкости). Понятно, что, чем больше силы трения (вернее, вязкость), тем большая разность давлений (большая сила) должна быть создана.

В.Ю.: увлечение поверхностного сравнительно легкого вещества в глубину вызывает явление гравитационной изостазии. Ш.В.: Что касается этого утверждения, так наоборот, ИЗОСТАЗИЯ, слегка превратно трактуемое проявление закона Архимеда (эквипотенциальность свободной поверхности любой жидкости в равновесии, будь эта жидкость очень вязкой, или покрыта, нагружена любой достаточно пластичной плавающей оболочкой), будучи конечным равновесным состоянием, к которому стремится система, порождает различные процессы (при отклонении от изостазии).

В.Ю.: Первоосновой является океан. Не было бы на Земле океана, не было бы и тектонической активности, либо она была бы на несколько порядков менее активная. Ш.В.: Опять-таки, не океан порождает тектонические явления, а наоборот, тектонические явления меняют очертания океанов. Уменьшают площадь океана до нуля. Или расширяют на половину земного шара. Если бы океаны заставляли двигаться материки, то как бы Вы смогли объяснить возникновения Гималаев? Тогда как в обсуждаемой статье приводится простое наглядное объяснение Гималаев как Явления: очень вязкие мантийные конвекционные потоки с такой силой увлекают плавающие на них твердые континентальные плиты, что напряжения одноосевого сжатия в плитах (на их наименее прочном участке границе) становятся достаточными для выдавливания на огромную высоту горных хребтов. Горы растут и сегодня. Вязкость потоков так велика, что разность высот приведенного уровня в окрестностях восходящих и нисходящих частей конвекционных потоков (почти аналог иногда обсуждаемого отклонения от изостазии) составляет несколько километров. Обоснование и расчеты приводятся в указанной статье. Вообще-то, совсем непонятно, что Вы имеете в виду: как океан, сам по себе, может влиять на движения земной коры. Если Вы подразумеваете, что клиноообразное сечение земной коры на границе океан-материк порождает движущую силу, так это не так деревянный клин на поверхности воды никуда сам не поплывет.

Надеюсь, и П.Н. Самородский получил ответ. А Европу и Африку с закрытием Средиземного океана (бывшего океана) влекут друг к другу опускающиеся где-то под Средиземным морем мантийные конвекционные потоки. Понятно, что это приводит к возникновению в твердой коре огромных механических напряжений в направлении север-юг. Эти напряжения могут быть наблюдены в кернах, извлеченных из глубоких скважин. Кстати, словосочетание Сталкивание материков искажает, фальсифицирует суть явления. Слово сталкивание уместно для описания явлений с существенной ролью кинетической энергии. А кинетическая энергия сближения материков Ем объемом порядка миллиарда кубических километров, массой порядка 3*10**18 тонн и относительной скоростью порядка 2см/год (0.6 * 10**(-9) м/сек) меньше кинетической энергии Ев велосипедиста подростка, имеющего массу в 50 кг и движущегося со скоростью 36 км/час (10 м/сек). Ек = ½ * m * V**2 Ем (= 540 кг * (м**2) / (сек**2) ) < Ев (= 2500 кг * (м**2) / (сек**2) )). Так что для описания относительных смещений материковых литосферных плит, во избежание недоразумений, следовало бы употреблять слова сближение или сжатие материков, но никак не столкновение.