Тепловой баланс Земли и сравнение моделей на сфере

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ЗЕМЛИ И СРАВНЕНИЕ МОДЕЛЕЙ НА СФЕРЕ,
СФЕРИЧЕСКОМ КОЛЬЦЕ И ДВУМЕРНОЙ ОБЛАСТИ
Евсеев А.Н., Евсеев М.Н.(асп), ИФЗ РАН
В литературе до сих пор для декартовой модели конвекции используется условие с
нагревом только внутренними источниками, пренебрегая нагревом снизу. Казалось бы,
это оправдано, поскольку внутренние источники тепла дают около 80% в полный
тепловой поток Земли. Однако, учет только внутренних источников дает картину течений,
противоречащую существующим представлениям о структуре конвекции в мантии. В
модели с внутренними источниками низходящие потоки остаются узкими, однако
восходящие становятся очень широкими и медленными, а также пропадают плюмы со дна
мантии. В современной мантии, по данным томографии, восходящие и нисходящие
потоки имеют примерно одинаковую ширину и скорость. В настоящей работе на основе
численных моделей дается объяснение этому противоречию. Анализируются данные
измерений теплового потока и теплового баланса Земли. Рассчитаные модели тепловой
конвекции в сфере, на двумерном сферическом кольце и прямоугольной области
позволяют отследить распределение теплового потока по глубине. В сферических моделях
плотность теплового потока с радиусом уменьшается благодаря сферической геометрии.
Поэтому в декартовых моделях рост теплового потока с глубиной (радиусом) завышен, а
дополнительный учет внутренних источников даёт ещё более неправильную картину
распределения теплового потока по глубине. На основе численных расчетов показано, что
в реальной Земле с современными параметрами уменьшение теплового потока с радиусом
в большей части компенсируется выделением тепла внутренними источниками. Поэтому,
чтобы декартовы модели давали картину течений, близкую к реальной Земле нужно
полностью исключить учёт внутренних источников. Часто применяемые в литературе (в
т.ч. - в монографиях) модели, учитывающие только нагрев изнутри, дают ошибочное
представление о структуре мантийных течений.
Поскольку двумерные модели позволяют быстрее проводить расчеты, то
предлагается использовать особую модель двумерного сферического кольца, в которой
плотность теплового потока с радиусом убывает квадратично. Оказалось, что такая
упрощенная модель хорошо воспроизодит основные особенности трехмерной
сферической модели.