A hőmérsékletfüggő viszkozitás szerepe

Habár globálisan, a köpeny átlagos paramétereit szemlélve a mélységgel történő nyomásnövekedésnek erősebb a hatása a viszkozitásra, mégis lokálisan (pl. köpenyhőoszlopokban, alábukó lemezekben, termikus határrétegekben) a hőmérsékletváltozás viszkozitásra gyakorolt szerepe uralkodó lehet. Laboratóriumi vizsgálatok alapján a felszálló meleg köpenyáramlatok viszkozitása több nagyságrenddel is kisebb lehet környezetüknél, míg a hideg litoszféralemezek viszkozitása legalább 20–40 nagyságrenddel nagyobb (ha egyáltalán van értelme a litoszféra viszkozitásáról beszélni), mint az alatta lévő köpenyé.

Ezért numerikusan modelleztük a földköpenyben zajló termikus konvekciót úgy, hogy megvizsgáltuk a mélységgel (nyomással) növekvő és hőmérséklettel csökkenő viszkozitás hatását. A viszkozitás mélységtől és hőmérséklettől való függését – a laboratóriumi mérések alapján – Arrhenius-típusú törvénnyel írtuk le.

Szisztematikus modellszámítások alapján megállapítottuk, hogy a hőmérsékletfüggő viszkozitás lecsökken az alsó meleg termikus határrétegben, így a magból relatíve könnyebben áramlik be hő a köpenybe, mint ahogy az a hideg, „merevebb” (valójában kisebb viszkozitású) felszínen keresztül távozik. Ennek következtében egy magasabb átlagos hőmérséklet stabilizálódik, az átlagos viszkozitás lecsökken, a konvekció hevesebbé válik, a hőáram megemelkedik, a köpenyben több hőoszlop fejlődik. Mivel a hideg felszín viszkozitása nő, az átlagos viszkozitáscsökkenés ellenében, ezért a felszín mobilitása (felszíni sebesség/átlagos köpenysebesség) csökken. A hőmérsékletfüggés erősségét szabályozó skálafaktor és az említett paraméterek között hatványtörvény típusú összefüggést tapasztaltunk.

Hőmérséklet

Viszkozitás

1. animáció Földköpeny-konvekció 2D numerikus modellje hőmérsékletfüggő viszkozitás esetén,

1. modell

Két "köpenyszerű" modellt állítottunk fel, melyekben a hőmérséklet erőteljesen befolyásolta a viszkozitást. Az elsőben (1. modell) a mélységgel 100-szorosára növekedett a viszkozitás, de a hőmérséklettel 7 nagyságrenddel (107!!!) csökkent. A másodiknál (2. modell) a mélységgel 10-szeresére nőtt, míg a hőmérséklettel 6 nagyságrenddel (milliomod részére) csökkent, ugyanakkor egy 30-szoros ugrásszerű viszkozitásnövekedést építettünk be 660 km mélységbe az ásványtani fázisátmenet lehetséges következményeként. Az első modellben egy merev felszíni fedő alakult ki az erősen hőmérsékletfüggő viszkozitás eredményeképp, így a termikus konvekció ezalatt zajlott (1. animáció). Ez a jelenség megfeleltethető a litoszféra kialakulásának azzal a lényeges különbséggel, hogy a földi litoszféra nem egységes, sőt töredezett, és szubdukciója révén részt vesz a köpenykonvekcióban. Ebben az esetben tehát a felszín mobilitása gyakorlatilag zérusra csökkent. Utóbbi modellben nem alakult ki ilyen fedőréteg, valószínűleg azért, mert a mélységfüggés erősebb, a hőmérsékletfüggés gyengébb volt az előző modellhez képest (2. animáció).

Hőmérséklet

Viszkozitás

2. animáció Földköpeny-konvekció 2D numerikus modellje hőmérsékletfüggő viszkozitás esetén,

2. modell