 |
|
 |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 | |||
| | |
Подпишитесь на новости науки |
| |||
| (на Subscribe.ru) | |||
| |||
Подробнее
|
|||
|
|||
|
|
Ученые из Нью-Йоркского университета провели эксперимент, в котором изучали взаимодействие конвективных течений в жидкости с плавающими в ней телами. Результаты работы, опубликованной в журнале Physical Review Letters, могут найти применение в теории движения литосферных плит, в частности — предсказании движения континентов на нашей планете. Считается, что континенты в наше время — это удалившиеся друг от друга на тысячи километров обломки более крупного геологического образования — «суперконтинента» (см. видео). Первым, кто предложил и опубликовал эту гипотезу, был Антонио Снидер. В 1858 году в своей книге «Мироздание и его разоблаченные тайны» он обратил внимание на схожесть береговых линий материков обеих Америк и Африки, а также схожесть ископаемых растений палеозойской эры, что послужило аргументами в его теории. Предположение Снидера показалось невероятным, и о нём вскоре забыли. Но спустя 50 лет Альфред Вегенер не только возродил эту гипотезу к жизни, но и подкрепил ее разнообразными геологическими данными. Сейчас она известна как «гипотеза Вегенера», суть которой состоит в том, что единый «суперконтинент» Пангея (название было дано Вегенером) раскололся в палеозойскую эру и в настоящее время осколки представляют собой дрейфующие литосферные плиты, на которых находятся континенты. Оставался открытым вопрос лишь о том, какая сила управляет ими. В 30-40-е годы прошлого века Артур Холмс высказал предположение, что своей динамикой литосферные плиты обязаны конвективным течениям в мантии нашей планеты, образующимся вследствие разности температур центральных областей Земли и температуры на ее поверхности. Нагретое вблизи ядра вещество расширяется, а значит, и уменьшает свою плотность, что приводит к его всплытию. Всплывшие породы уступают свое место опускающимся, более холодным, а значит, и более тяжелым массам, которые уже отдали часть теплоты земной коре. Описанный процесс переноса тепла происходит непрерывно, в результате чего и возникают упомянутые выше конвективные потоки. Эти течения замыкаются сами на себя и образуют системы, которые в физике называются конвективными ячейками Рэлея–Бенара, при этом сам процесс переноса тепла получил название конвекции Рэлея–Бенара (см. Rayleigh–Bénard convection). В верхних частях ячеек течение вещества происходит почти в горизонтальной плоскости, что в итоге и приводит к движению плит в горизонтальном направлении. Это предположение, которое сейчас уже практически не вызывает сомнений, и есть основа современной теории тектоники плит. В настоящее время насчитывается 8 крупных литосферных плит, которые покрывают практически весь земной шар, однако не существует до сих пор адекватной модели, которая могла бы предсказать дальнейшее их поведение. Недавняя публикация в журнале Physical Review Letters со сложным названием Self-Induced Cyclic Reorganization of Free Bodies through Thermal Convection посвящена описанию эксперимента, который в «домашних» условиях моделирует динамику литосферных плит. Для этого ученые наполнили емкость размером 20 × 18,4 × 7,6 см (высота × длина × ширина) смесью воды и глицерина (массовая концентрация глицерина 1,115 г/мл). Ко дну емкости непрерывно и постоянно подавалось тепло с помощью электрического нагревателя. Верхняя часть емкости постоянно охлаждалась. Таким образом, между дном и верхней частью емкости создавался постоянный градиент температуры. Свою экспериментальную установку (рис. 1) авторы назвали конвективной ячейкой Рэлея–Бенара, поэтому в дальнейшем, понятия «емкость» и «конвективная ячейка Рэлея–Бенара» для нас будут тождественны. Далее, в емкость исследователи поместили большое количество (несколько сотен) небольших, несколько миллиметров в диаметре, нейлоновых шариков, плотность которых всего лишь на 2% выше, чем плотность жидкости в ячейке (число шариков и их размер в процессе эксперимента варьировались). Таким образом, эти шарики образовывали плотный слой на дне емкости. Чтобы условия эксперимента приблизительно отвечали реальным процессам, происходящим в мантии Земли, необходимо, конечно же, чтобы возникли конвективные течения жидкости в емкости. Условие возникновения конвекции в таких системах (будь это емкость, наполненная жидкостью, мантия Земли, атмосфера какой-нибудь планеты, звезды и т. д.) принято характеризовать с помощью безразмерной величины — числа Рэлея (обозначается Ra). Число Рэлея определяется с помощью следующей формулы: где α — коэффициент теплового расширения жидкости, g — ускорение свободного падения, η — вязкость (динамическая) жидкости, ΔT — создаваемый в ячейке градиент температур, d — характерный размер ячейки (применительно к данному эксперименту — высота емкости H), ρ — плотность жидкости и k — коэффициент температуропроводности. Если значение Ra превышает некоторое критическое значение Raкр (критическое значение числа Рэлея равно приблизительно 1000 и не зависит от вида жидкости или газа), то в данной системе возможно возникновение конвективной неустойчивости — проще говоря, слой жидкости или газа теряет устойчивость, и в жидкости или газе начинаются конвективные течения. Если Ra < Raкр, то процесс конвекции не наблюдается, и в жидкости или газообразной среде происходит обычный процесс теплопроводности. Например, для чашки горячего чая число Рэлея порядка 104, для мантии Земли Ra намного больше — около 107. Закономерность простая — чем выше число Рэлея, тем интенсивнее происходит процесс конвекции. В эксперименте авторов обсуждаемой работы создавалось Ra ≈ 109. Столь большое значение числа Рэлея приводило к любопытному поведению шариков внутри ячейки. Ученым удалось обнаружить, что шарики под действием возникающего конвективного течения поочередно сосредотачивались то в одной половине емкости, то в другой (рис. 2).
Причиной такого поведения было периодическое изменение направления конвективного движения жидкости — оно было то против часовой стрелки, то, наоборот, по часовой. Собственно, вследствие этого и происходило перемещение нейлоновых шариков из правой части емкости в левую часть и обратно. Самое любопытное, что, раз начавшись, этот процесс происходил постоянно сколь угодно долгое время — шарики каждые 200 минут меняли свое местоположение (см. также видео). Важно отметить, что указанные 200 минут не есть константа, и время перехода менялось в зависимости от количества шариков и значения числа Рэлея. В чём причина такого явления? По мнению авторов работы, периодическое изменение направления конвективного течения, а с ним и направления движения нейлоновых шариков связано с тем, что большое количество и плотная упаковка шариков представляют собой своеобразный «теплоизолятор». Шарики препятствуют распространению тепла в той половине емкости, где они в данный момент находятся. Это вызывает рождение в свободной от шариков части емкости конвективного течения, которое затем и заставляет их двигаться. Схематическое возникновение конвективных течений и процесс перераспределения шариков показан на рис. 3c.
По мнению ученых, данный эксперимент может помочь прояснить природу возникновения более глобальных конвективных течений в мантии Земли и их взаимодействие с континентами. Казалось бы, большое число шариков даже по порядку величины не соответствует количеству литосферных плит (сравните количество объектов — несколько сот шариков в эксперименте и 8 литосферных плит). Однако эти 8 «глыб» можно представить как конструкцию из более мелких «микроплит», в итоге образующих «материнскую» плиту, и вот тогда уже лабораторное моделирование движения континентов имеет смысл. Более того, периодичность в движении нейлоновых шариков указывает на то, что «суперконтиненты», подобные Пангее, могут образоваться снова — сегодняшнее разбегание континентов может смениться в будущем сближением и образованием нового «суперконтинента». Осталось выяснить, каков период этого циклического процесса. Источник: Bin Liu, Jun Zhang. Self-Induced Cyclic Reorganization of Free Bodies through Thermal Convection // Physical Review Letters, 100, 244501 (2008). См. также: статью Ф. А. Гарифуллина в Соросовском образовательном журнале «Возникновение конвекции в горизонтальных слоях жидкости» (PDF, 165 Кб). Юрий Ерин Последние новости: Физика, Математика, Юрий Ерин
Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru): Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология Новости науки по авторам: Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Алексей Гиляров, Сергей Глаголев, Николай Горностаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Алексей Левин, Андрей Логинов, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Даниил Смирнов, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Мария Шнырёва Новости науки по месяцам: 2012 V, IV, III, II, I 2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I
| |
,
|
 |
|||||||||||||
e-mail: 
