В.Н.Родионов

Механическое движение в литосфере и ядре.

Механическое движение тяжелых тел во Вселенной определяют силы гравитации и инерции.

Именно им обязаны своим существованием и планеты, и звезды, и галактики. Эти же силы формируют и структуры в недрах Земли. Неоднородный по плотности вещественный состав недр обеспечивает планету большим запасом механической энергии: находясь в поле силы тяжести происходит непрерывное перемещение легких объемов к поверхности, а тяжелых к центру Земли.

Силы тяжести и инерции действуют на каждый атом вне зависимости от его окружения, так - что случайно оказавшись в одном объеме тяжелые частицы будут тонуть. Сопротивление этому движению будут оказывать силы сцепления с ближайшим окружением, которые пропорциональны поверхности тяжелого объема и скорости его смещения.

Очевидно, что объемы большего размера легче преодолевают сопротивление движению, т.к. их масса пропорциональна кубу размера, а поверхность – квадрату. Но и объемы меньшего размера, если их плотность отличается от средней плотности окружающей среды тоже способны двигаться, но с меньшей скоростью. Устойчивость движущихся объемов возрастает с их размерами. Наиболее мелкие живут в течение времени прохождения пути, равного их размеру. Вследствие обмена веществом с окружающей их средой они как бы растворяются, уступая место новым образованиям с отличной от среднего значения плотностью.

Такое всеобщее движение имеет место в мантии, где осуществляется дифференциация вещества. Возникающие при этом динамические структуры в твердой среде придают мантийной среде новые механические свойства: во многих случаях качественные изменения состояния среды, как -то "твердение" или "плавление" могут происходить без существенного изменения кинетической энергии на молекулярном уровне. Подвижность твердой среды будет обеспечена надмолекулярными структурами.

Энергия гравитационного потенциала реализуется в потоке механической энергии от крупных структур к все более мелким и накапливается на уровне атомарных структур.

Возникают локальные области, где распадаются химические соединения и кристаллы, а механическая энергия заключена в кинетической энергии и упругом сжатии атомов.

В таких очагах возможно разделение фаз и веществ на молекулярном уровне под действием силы тяжести.

Попытаемся изложить суть происходящих процессов в очагах с интенсивным молекулярным движением в рамках нашей концепции.

Распад кристаллической структуры с увеличением кинетической энергии молекул не лишает жидкость полностью надмолекулярных образований. Тесное расположение молекул создает благоприятные условия для образования агрегатов, которые на какое-то время движутся вместе, как одно целое. Такие частицы, состоящие из многих молекул, обладают меньшей кинетической энергией, чем суммарная кинетическая энергия того же числа свободных молекул. С изменением кинетической энергии на молекулярном уровне изменяется концентрация и, возможно, размеры агрегатов. Подвижность жидкостей возрастает с увеличением скорости движения молекул, а так же с увеличением концентрации растворенных в жидкости газов. Это связано с уменьшением числа агрегатов в единице объема жидкостей.

С уменьшением кинетической энергии молекул жидкости увеличивается число агрегатов и их время жизни, т.ч. они могут стать зародышами кристаллов, рост которых превращает жидкость в твердое тело.

Изложенные представления об изменении молекулярных структур в жидкости с изменением кинетической энергии молекул кажутся малоприменимыми к недрам Земли, где обмен энергией осуществляется на уровне крупномасштабных структур и изменить внутреннюю энергию жидкости практически невозможно.

Там же, где запасается в очагах расплавов энергия на молекулярном уровне, механическое движение вообще затруднено: вблизи поверхности изменение поверхностного рельефа компенсирует силу Архимеда, а в центре Земли сила тяжести стремится к нулю.

Но именно в областях, где вырождается механическое движение крупных структур, подобное мантийному движению, возрастает роль жидкостей в формировании литосферы и ядра.

Обладая высокой подвижностью, расплавы проникают через зоны нарушенной сплошности в литосферу и вследствие снижения давления приобретают избыточную энергию для преобразования своего собственного вещества. Наиболее важным процессов представляется дегазация расплава, выделение легких атомов и, вероятно, молекул воды.

Дегазация при снижении давления сопровождается образованием пор и увеличением вязкости расплава, что гарантирует сохранению в порах повышенного давления. Эти изменения свойств найдут свое применение в дальнейшей эволюции поверхностных слоев Земли.

На нижней границе очаги расплава, не имея возможности отдать избыточную кинетическую энергию молекул, образовали жидкое ядро. С его ростом граница с мантией удалялась от центра, и усиливалось действие силы тяжести. Возникли условия для кристаллизации тугоплавких веществ.

Обладая большей плотностью, кристаллы погружались в слои с более высоким давлением. Оказавшись в условиях удаленных от границы плавления, кристаллы могли расти и, не разрушаясь отбирать кинетическую энергию молекул у жидкости. Этот своеобразный способ "охлаждения" расплава, связанный с движением надмолекулярных структур в поле силы тяжести, едва ли не единственный, который мог обеспечить возникновение твердого ядра. Движение кристаллов в жидком ядре регулирует распределение кинетической энергии молекул в жидкости.

Поступление расплава из мантии и процесс кристаллизации приводят к росту твердого ядра и к увеличению угловой скорости его вращения.

Тонущие в жидком ядре кристаллы по инерции сохраняют постоянно несколько большую окружную скорость, чем жидкость. Величина этого превышения равна угловой скорости вращения Земли на длину инерционного движения.

Эта "длина свободного пробега" зависит от размера кристалла и его массы, а так же от сопротивления движению кристалла в жидкости.

Осаждаясь на поверхности твердого ядра, кристаллы передавали ему свое количество движения. Оценим по порядку величины приобретенный ядром дополнительный момент количества движения.

Будем считать, что твердое ядро сформировалось в последний период Т=3* 1016 с., так что скорость нарастания массы m=(M/T)=0,3* 1010 г/ с, радиус ядра R=1,2* 108 см, момент инерции J=5* 1041 г см2.

Дополнительный момент количества движения выражается формулой

Преобразуя формулу, получим отличие угловой скорости ядра от угловой скорости Земли.

В настоящее время имеется экспериментальная оценка Это значит, что

Длина инерционного пробега кристалла в жидкости может быть использована для оценки размеров кристаллов, скорости его опускания и роста. В настоящей статье этот пример использован для демонстрации взаимосвязи механического движения на разных масштабных уровнях.

Заключение.

За пределами мантии, которая является движителем всего

эволюционного процесса в земных недрах, возникают подобные структуры: твердое ядро и твердая литосфера.

Их объединяет деградация динамических структур и истощение потока механической энергии, питаемого собственным гравитационным потенциалом.

Всеобщее механическое движение в мантии, закупоренное корой, рождает очаги избыточной кинетической энергии на молекулярном уровне, благодаря которым удается вывести часть энергии за пределы мантии.

Изменение механического движения в неоднородной среде в поле силы тяжести ведет к изменению механических свойств, обновлению структур механического движения. Эта самоорганизация направлена на поддержание непрерывного потока механической энергии от планетарного масштаба к молекулярному. Далее включаются другие силовые поля, в частности, электромагнитные.