A mélységfüggő viszkozitás és a radioaktív hőtermelés hatása

A felszíntől a köpeny–mag határig haladva a nyomás hozzávetőlegesen 130 GPa-ra növekszik, melynek jelentős hatása van szinte minden, a termikus konvekciót befolyásoló paraméterre. Mai elgondolásunk szerint ez legerőteljesebben a köpeny viszkozitását befolyásolja. A különböző geofizikai inverzióval meghatározott viszkozitás–mélység profilok szerint a viszkozitás a köpeny aljáig 1–2 nagyságrendet nő, hozzávetőlegesen 1023 Pas értékre!. Számításainkban megvizsgáltuk a viszkozitás növekedésének hatását a mélységgel a γ=1–100 tartományban, ahol γ a viszkozitáskontraszt, azaz a viszkozitás értéke a köpeny–mag határon osztva a felszíni értékkel.

A numerikus modelleredmények szerint a viszkozitáskontraszt növelése lassítja az áramlást, mind a teljes köpenyben, mind a köpenyoszlopok belsejében, szélesebb, nagyobb hőmérséklet-anomáliával rendelkező, de kevesebb hőoszlop fejlődik (1. animáció). A hűlő köpenyben a meleg, alsó termikus határréteg dominánssá válik a felsővel szemben, melyek között a kapcsolatot a termikus értelemben megerősödő feláramlások biztosítják.

A felszíni hőáram 50–80%-a a köpenyből származik, vagyis a konvekciót hajtó hő – a köpeny szempontjából – belső eredetű, a benne lévő radioaktív izotópok (238U, 232Th, 40K) bomlása során szabadul fel. A hőtranszportot ily nagy mértékben befolyásoló tényezőről nem szabad megfeledkezni. Modellkísérletet végeztünk azon céllal, hogy megismerjük, hogyan változtatja a belső, radioaktív eredetű hőtermelés növelése az áramlási rendszert. Megállapítottuk, hogy a belső hőtermelés növelésével a köpeny felmelegszik, így a feláramlások forrástartománya, az alsó termikus határréteg gyengül, mely vékonyabb, lassabb, kisebb hőmérsékletanomáliával bíró, de nagyobb számú feláramlást produkál (2. animáció). A gyengülő alsó határréteg mind kevésbé uralja a köpenybeli áramlási rendszert, melyet a mélységgel növekvő viszkozitás felépített. Bizonyos szempontból a belső hőtermelés szerepe ellentétes a mélységgel növekvő viszkozitás hatásával.

1. animáció Földköpeny-konvekció 3D  numerikus modellje mélységfüggő viszkozitás esetén, Ra=107, γ=30

2. animáció Földköpeny-konvekció 3D  numerikus modellje mélységfüggő viszkozitás és radioaktív hőtermelés esetén, Ra=107, γ=30, H=20