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

1. 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

1. модели ковуляции Смоуховского

2. 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

мысл этих оценок таков: существенное нагревание тогда, когда планетарное тело (5000 км и больше) и температура на поверхности близка к температурам плавления.

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

аспределение зон плавления внутри метеорита очень неоднородно. Т.е. гравитационное поле было очень слабым. А такое бывает в теле маленьких размеров.

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.