Природные процессы океана мантия

Глобальный океан древней Земли появился благодаря высокотемпературной мантии

Junjie Dong et al. / AGU Advances, 2021

В раннем архее, от 4,0 до 3,2 миллиарда лет назад, поверхность Земли, по-видимому, была практически полностью покрыта глобальным океаном. К такому выводу пришли ученые на основе расчета зависимости между температурой мантии и темпами ее дегидратации, служившей главным источником образования Мирового океана. Более горячая, чем сегодня, мантия раннеархейской Земли активно теряла связанную в породах воду, в результате чего баланс водного обмена между недрами и поверхностью планеты был сдвинут в пользу увеличения объемов океана, сообщает статья в журнале AGU Advances.

Вода вошла в состав вещества примитивной Земли еще на стадии аккреции и, по-видимому, сразу начала поступать на поверхность в ходе дегазации, сопровождавшей гравитационную дифференциацию недр. Благодаря этому процессу на планете сформировались первичная атмосфера и океан. После того как начал действовать механизм тектоники плит, вода через зоны субдукции стала попадать обратно в мантию, и за счет регидратации мантийных пород объем океана уменьшился.

Оценка величины эвстатических (глобальных и медленных) колебаний уровня океана показала, что по крайней мере на протяжении фанерозойского эона (от 543 миллионов лет назад до настоящего времени) количество воды на поверхности Земли оставалось приблизительно постоянным. Однако в более ранние эпохи оно могло существенно отличаться от современного. Косвенно на это указывают исследования изотопного состава серпентинизированных, то есть подвергшихся гидратации, пород океанического дна раннеархейского (3,8 миллиарда лет) возраста. Древний океан был обеднен дейтерием на 25 ± 5 промилле по отношению к современному, и для того чтобы фракционирование изотопов водорода в процессах континентального роста и субдукции привело к нынешнему содержанию тяжелой воды, океан ранней Земли должен был быть примерно на 26 процентов больше по объему.

При этом, как показало одно из недавних исследований, вода, попадающая в мантию при субдукции, концентрируется главным образом на глубинах от 410 до 660 километров — в переходном слое, состоящем в основном из вадслеита и рингвудита — высокобарических модификаций оливина (Mg,Fe)₂SiO₄. На границе нижнего слоя при давлении около 24 гигапаскалей рингвудит переходит в бриджманит (Mg,Fe)SiO₃, способность которого к аккумуляции воды гораздо ниже.

Группа исследователей во главе с Цзюньцзе Дунем (Junjie Dong) из Гарвардского университета оценила, как изменялась способность главных компонентов мантии к удержанию воды в зависимости от температуры. Согласно современным моделям ранней эволюции Земли, в начале архея (4,0–3,2 миллиарда лет назад) мантия была горячее, чем в настоящее время. В качестве показателя в этих моделях берется так называемая потенциальная температура — величина, характеризующая температуру мантийного вещества на средней глубине, адиабатически (то есть без теплообмена с окружающей средой) охладившегося при подъеме на поверхность, в условия атмосферного давления. Потенциальная температура современной мантии составляет около 1600 кельвин, а в раннем архее она могла достигать 1800–2000 кельвин, и мантийные минералы удерживали воду хуже.

Изменение водоаккумулирующей способности оливина (a), вадслеита (b) и рингвудита (c) при различных температурах и давлениях (по экспериментальным данным). Синий цвет ― высокая водоаккумулирующая способность, красный ― низкая

Junjie Dong et al. / AGU Advances, 2021

Фазовая диаграмма основных компонентов мантии: ol ― оливин, wd ― вадслеит, rw ― рингвудит, bdg ― бриджманит, fp ― ферропериклаз, cpx ― клинопироксен, opx ― ортопироксен, hpcpx ― клинопироксен высокого давления, ak ― акимотоит, st ― стишовит, capv ― силикат-перовскит. Пунктирная линия ― кривая сухого солидуса (начало плавления в безводных условиях). Синий цвет ― высокая водоаккумулирующая способность, красный ― низкая

Junjie Dong et al. / AGU Advances, 2021

Насколько хуже, показали расчеты, выполненные учеными на основе экспериментальных данных о фазовом поведении главных компонентов мантии, дополненных результатами моделирования для бриджманита и других составляющих нижней мантии. Объединив данные об условиях плавления, при котором происходит высвобождение связанной воды, исследователи построили модель водоаккумулирующей способности вещества в глубоких недрах Земли. В этой модели максимальное количество воды, которое могут удерживать минеральные ассоциации в мантии, представляет собой функцию потенциальной температуры: чем она выше, тем меньше воды связывается в веществе. Главная роль в регуляции содержания воды принадлежит бриджманиту, составляющему более половины массы всей мантии.

a: адиабатические геотермы мантии (горизонтальная ось ― потенциальная температура); b: профили водоаккумулирующей способности (горизонтальная ось). Вертикальная ось на обоих графиках ― давление (глубина в километрах)

Junjie Dong et al. / AGU Advances, 2021

Вверху: водоаккумулирующая способность разных компонентов мантии при потенциальной температуре 1600 кельвин (a) и 1900 кельвин (b). Горизонтальная ось ― глубины в километрах. Внизу: c ― водоаккумулирующая способность мантии в целом как функция потенциальной температуры, d ― статистическое распределение значений водоаккумулирующей способности мантии

Junjie Dong et al. / AGU Advances, 2021

Согласно расчетам Цзюньцзе Дуня и его коллег, породы мантии в настоящее время аккумулируют от 1,86 до 4,41 массы современного Мирового океана, которая определена примерно в 1,335 × 10 21 килограмм. Большой разброс верхней и нижней границ в оценке содержания воды связан с недостаточно точными данными по бриджманиту; статистическая медиана оценки составляет 2,29 масс океана. Если принять, что в раннем архее мантия была на 300 градусов горячее, чем сейчас, она могла удерживать лишь 0,52–1,69 масс океана (при медиане 0,72). Высвобождаемая вода — от 1,19 до 1,56 масс океана — в основном поступала на поверхность Земли (некоторая часть ее могла оставаться в мантийных расплавах).

Минимальный объем океанов раннего архея (шкала справа; ОМ ― масса современного Мирового океана) как функция потенциальной температуры и современного содержания воды в мантии (a ― медиана; b ― 5-й процентиль; c ― 95-й процентиль)

Junjie Dong et al. / AGU Advances, 2021

Насколько планета напоминала «водный мир», зависит от степени развития прото-континентальных массивов раннего архея, то есть от их площади и высоты. В рамках построенной исследователями модели наиболее вероятна ситуация, когда водой была покрыта практически вся поверхность, за исключением немногих возвышенных участков. Хотя геологические записи раннего архея редки, они согласуются с картиной глобального или чрезвычайно обширного океана. Так, данные изотопных исследований показывают, что практически все крупные вулканические провинции этого периода были подводными.

Минимальная затопляемая доля континентов раннего архея (шкала справа) в зависимости от потенциальной температуры мантии и содержания воды в ней. fc ― площадь современных континентов; ft ― высота современных континентов. Сплошные черные линии показывают, какая доля современных континентов подверглась бы затоплению

Junjie Dong et al. / AGU Advances, 2021

Следствием существования глобального океана, по мнению авторов модели, могла стать активная гидратация примитивной океанической литосферы, способствовавшая возникновению тектоники плит. Альбедо Земли, поверхность которой скрывалась под плотной облачной атмосферой, насыщенной водяными парами, должно было быть достаточно высоким, что уже в середине архея привело к снижению температуры на поверхности.

Ранее ученые связали континентальный внутриплитный вулканизм с накоплением воды в переходной зоне мантии в результате субдукции, обнаружили признаки мощного магнитного поля на самой ранней стадии существования Земли, а также выяснили, насколько пригодными для жизни могут быть водные миры.

Свежее

Одомашнивание увеличило объем серого вещества у лисиц

Беспилотный «кукурузник» автоматически десантировал груз с парашютом

Украинцы показали макет ударного стелс-беспилотника

Модифицированные бактерии превратили пластиковые бутылки в ванилин

Древний кельт из Швейцарии пострадал от дисплазии скелета

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Природные процессы океана мантия

Установите последовательность этапов отображённого на схеме процесса в летний период. Запишите в ответе порядковые номера этапов.

1) Влажный воздух с океана перемещается в сторону суши.

2) Суша прогревается сильнее, и тёплый воздух поднимается вверх.

3) Над поверхностью океана скапливается тяжёлый холодный воздух.

4) Над океаном формируется область повышенного давления.

5) Над сушей формируется область пониженного давления.

Летом суша нагревается быстрее и над ней формируется область пониженного атмосферного давления. Над океаном воздух холоднее и там область высокого давления. Воздух с океана движется в сторону суши (из области повышенного давления в область с пониженным давлением).

Примечание редакции Решу ВПР.

Внимательный читатель, конечно, обратит внимание на то, что это лишь схема. В природе эти процессы происходят одновременно.

Каковы последствия процесса, изображённого на схеме, в летний период?

Ответ: обильные дожди и наводнения летом (допускается иная, близкая по смыслу формулировка).

Для выполнения данного задания необходимо рассмотреть предложенный рисунок (схему). В данном случае изображена территория на стыке суши и воды. Эти поверхности нагреваются по-разному, над ними в одно и то же время образуется разное атмосферное давление и появляется ветер, который меняет свое направление дважды в год. Такой ветер называется муссоном.

Ответ: образование муссона.

Какой природный процесс отображён на схеме?

Рассмотрите схему природного процесса и выполните задания.

Установите последовательность процессов, изображенных на схеме. Запишите в ответе порядковые номера этапов.

1) Выпадение осадков.

2) Испарение водяного пара с водных поверхностей и поверхности растительности.

3) Нагревание Солнечными лучами водной поверхности.

4) Образование облаков и их перемещение на сушу.

5) Охлаждение и конденсация водяного пара.

Солнечные лучи нагревают водную поверхность, вода испаряется, воздух поднимается вверх, охлаждается, конденсируется, образуются облака и выпадают осадки.

Примечание редакции Решу ВПР.

Внимательный читатель, конечно, обратит внимание на то, что это лишь схема. В природе эти процессы происходят одновременно.

Чем завершается данный процесс?

Выпавшие осадки частично испаряются, частично просачиваются в грунт и поглощаются растениями. Затем они стекают с поверхности земли и с подземными водами снова в крупные водные объекты (в воды Мирового океана и их части).

Допускается иная, близкая по смыслу формулировка.

Для выполнения данного задания необходимо рассмотреть предложенный рисунок (схему). В данном случае изображен мировой круговорот воды в природе. Солнечные лучи нагревают водную поверхность, вода испаряется, воздух поднимается вверх, охлаждается, конденсируется, образуются облака и выпадают осадки.

Ответ: круговорот воды в природе.

Какой природный процесс отображён на схеме?

Рассмотрите схему природного процесса и выполните задания.

Установите последовательность процессов, изображенных на схеме. Запишите в ответе порядковые номера этапов.

1) Выпадение осадков.

2) Испарение водяного пара с водных поверхностей и поверхности растительности.

3) Нагревание Солнечными лучами водной поверхности.

4) Образование облаков и их перемещение на сушу.

5) Охлаждение и конденсация водяного пара.

Солнечные лучи нагревают водную поверхность, вода испаряется, воздух поднимается вверх, охлаждается, конденсируется, образуются облака и выпадают осадки.

Чем завершается данный процесс?

Выпавшие осадки частично испаряются, частично просачиваются в грунт и поглощаются растениями. Затем они стекают с поверхности земли и с подземными водами снова в крупные водные объекты (в воды Мирового океана и их части).

Допускается иная, близкая по смыслу формулировка.

Для выполнения данного задания необходимо рассмотреть предложенный рисунок (схему). В данном случае изображен мировой круговорот воды в природе. Солнечные лучи нагревают водную поверхность, вода испаряется, воздух поднимается вверх, охлаждается, конденсируется, образуются облака и выпадают осадки.

Ответ: круговорот воды в природе.

Какой природный процесс отображён на схеме?

Рассмотрите схему природного процесса и выполните задания.

Установите последовательность дневных процессов, изображенных на схеме. Запишите в ответе порядковые номера этапов.

1) Влажный воздух с моря перемещается в сторону суши.

2) Суша прогревается сильнее, и тёплый воздух поднимается вверх.

3) Над поверхностью моря скапливается тяжёлый холодный воздух.

4) Над морем формируется область повышенного давления.

5) Над сушей формируется область пониженного давления.

Днем море холоднее (вода медленнее нагревается). Суша нагрелась быстро, теплый воздух над ней поднимается вверх. У поверхности суши давление становится пониженным, а над морем, наоборот, повышенным. Воздух перемещается из области повышенного давления в область пониженного, т. е. с воды на сушу.

В какой период суток (днем или ночью) наиболее вероятно выпадение осадков?

Днем выпадение осадков более вероятно, т. к. с поверхности моря приходит влажный воздух.

Допускается иная, близкая по смыслу формулировка.

Для выполнения данного задания необходимо рассмотреть предложенный рисунок (схему). В данном случае изображена территория на стыке суши воды. Эти поверхности нагреваются по-разному, над ними в одно и то же время образуется разное атмосферное давление и появляется ветер, который меняет свое направление дважды в сутки (на рисунке подписаны день и ночь). Такой ветер называется бризом (дневным и ночным).

Ответ: образование бриза.

Какой природный процесс отображён на схеме?

Рассмотрите схему природного процесса и выполните задания.

Установите последовательность этапов отображённого на схеме процесса.

1) Температура воздуха понижается, происходит его конденсация.

2) Температура над поверхностью океана повышается и происходит испарение.

3) Воздух с теплой водной поверхности перемещается в сторону суши и встречает на берегу препятствие в виде гор (возвышенностей).

4) Происходит выпадение осадков на наветренном склоне и воздух движется дальше.

5) Пытаясь преодолеть преграду, воздух поднимается по склону вверх.

Сначала происходит испарение над водной поверхностью. Теплый воздух поднимается вверх и перемещается в сторону суши, а когда встречает препятствие в виде гор, воздух пытается ее преодолеть и поднимается вверх. Вверху он остывает, конденсируется и выпадают осадки.

Источник