Геофизика (конспект лекций)
© Лектор: Хачай Юрий Васильевич, каф. астрономии и геодезии физфака УрГУ, 2005 г.
© Автор: Ильиных Анастасия Сергеевна, Ф-4ГФ, 2005г.
© Редактор: Сурнин Алекс Владимирович, Ф-4А, 2005 г.
07/09/05
Начальные условия для физики Земли. Уравнение Сафронова
(1.1)
– радиус растущего тела
– угловая скорость вращения вокруг оси /бегание по орбите/
– поверхностная плотность частиц в диске
– текущая масса зародыша
– конечная масса
– параметр. Находится из
Рис. 121
модели ковуляции Смоуховского
численное моделирование системы многих частиц
Значение зависит от физического состояния объектов, участвующих в столкновении, и от химического состава.
Трудность: исходное состояние – газопылевое (гомогенный резервуар) по химическому составу сильно перемешано, а собственно Земля имеет очень неоднородное строение по составу.
Главная структура Земли – ядро и мантия. Ядро железное, мантия каменная.
Нужно понять, когда и как сложилось это разделение.
Возможно либо: так формировалась Земля (модели неоднородной аккумуляции планет), либо это железное ядро сформировалось после того, как сформировалась планета.
Оказалось, что обе эти группы моделей приводят к непреодолимым трудностям – они не работают в чистом виде.
Что сначала формировалось ядро – это должно следовать из того, что в газопылевом облаке кристаллизуются пылинки железного состава, и оно остаток начинает выбирать из этого облака. Но необходимо, чтобы в этом остывающем облаке порядок конденсации был такой, что сначала конденсируются железные, а потом силикатные пылинки.
Показано, что порядок конденсации обратный. Предполагалось, что объединением железных частиц объяснено, что железо очень ковкое, а силикатные частицы при ударе дробятся (Виноградов). Оказалось, что окислительно-восстановительные условия таковы, что частицы железа в чистом виде не существуют – на их поверхности появляется оксидная пленка, и поэтому сваривание частиц трудно организовать.
Начали осваивать совокупность моделей. Трудности еще хуже: не учтено геомагнитное поле Земли.
Стали искать образцы с остаточной намагниченностью, все более и более древние. Начали с 2,1 – 2,2 млрд. лет, но к началу 90-х годов древность образцов с остаточной намагниченностью датируется 3,8 – 3,9 млрд. лет при возрасте Земли 4,6 млрд. лет.
Основную информацию о РТ условиях в облаке, о среднем составе резервуара черпаем из вещества метеоритов. Большая часть метеоритов имеет очень сильно метаморфически измененный состав, проводится при очень высоких температурах (1500–1800 K). Состав метеоритов дает индикацию температурных условий, в которых они сформировались, т.е., кроме чисто механической задачи мы должны уметь реконструировать энергетический баланс растущего зародыша. Мы его можем описать с помощью уравнения теплопроводности.
(1.2)
– теплоемкость
– плотность
– коэффициент теплопроводности
– мощность выделяемого тепла в единицу объема.
Это уравнение можно применять к участкам неоднородной среды.
Надо добавить модель, описывающую формирование жидкой фазы: Задача Стефана:
(1.3)
– коэффициент фазовой границы
– теплота фазового перехода
– плотность потока с той или иной стороны поверхности.
Задачи (1.2) и (1.3) взаимосвязаны.
Первые энергетические оценки показали, что рассмотрение (1.2) достаточно избыточно, т.к. на этапе роста зародыша основной источник энергии – это нагревание тела зародыша за счет энергии во время удара при бомбардировке зародыша падающими частицами и выделение тепла за счет распада радиоактивных источников.
С
Рис. 221
Можно встретить мысль о том, что те метеориты, которые поступают – это осколки некоторого тела, которое было разорвано.
Изотоп – период полураспада лет.
Было трудно оценить содержание короткоживущих элементов.
Соотношение и равно .
Содержание алюминия в первичном резервуаре приближенно равно содержанию калия. Мощность энерговыделения на 4 порядка выше, чем калия.
После того, как это определили, сделали пересчет и получили:
Р
Рис. 311
Метеориты формировались в маленьких телах в слабом поле.
Формируется начальный зародыш – силикатный, а с размеров 50 км. Начинается его плавление. После столкновения корка проламывается, и железо активно стекает внутрь.