Φυσικοί φτάνουν στο κατώτατο σημείο των ηφαιστείων

Πηγή: PhysicsWorld, 5 Φεβρουαρίου 2008

Ένα από τα μυστήρια της γεωφυσικής είναι με ποιο τρόπο η θερμότητα μεταφέρεται από τον πυρήνα της γης, μέσω του μανδύα στο φλοιό. Μια αμφισβητούμενη πτυχή αυτής της διαδικασίας είναι η ιδέα ότι τεράστιες ποσότητες καυτού υλικού βαθιά μέσα στο μανδύα ανέρχονται σαν πίδακες προς την επιφάνεια, προκαλώντας ζώνες ηφαιστειακής δραστηριότητας, όπως είναι η Ισλανδία και η Χαβάη. Τώρα όμως, δύο γυναίκες φυσικοί στις ΗΠΑ έχουν δείξει ότι - τουλάχιστον θεωρητικά - τέτοιοι πίδακες καυτού υλικού από το μανδύα θα μπορούσαν να υπάρξουν για πολύ καιρό, αρκετό για να προκαλέσουν σημεία ηφαιστειακής δραστηριότητας. 

Έτσι, αυτές δείχνουν με ένα μοντέλο ότι λεπτοί πίδακες μάγματος στο μανδύα της γης μπορούν να σχηματίσουν καυτά σημεία ηφαιστειακής δραστηριότητας, τα οποία μπορεί να έχουν δημιουργήσει και τις νήσους της Χαβάης.

Ο μανδύας είναι μια περιοχή πυκνών βράχων που εκτείνει 50-3.000 χλμ κάτω από την επιφάνεια της γης. Αν και ο μανδύας είναι στερεός, οι γεωφυσικοί θεωρούν ότι μπορεί επίσης να ρέει ως αντίδραση στις ακραίες θερμοκρασίες και πιέσεις που παράγονται από το γήινο πυρήνα. Κατά συνέπεια, οι εκ μεταφοράς διαδικασίες - όπως οι πίδακες υλικού του μανδύα - είναι πιθανό να διαδραματίζουν έναν σημαντικό ρόλο στο πώς μεταφέρεται η θερμότητα μέσω του μανδύα.

Εργαστηριακά πειράματα

Η θεωρία των πιδάκων του μανδύα αναπτύχθηκε το 1999 όταν η Anne Davaille στο Πανεπιστήμιο 7 του Παρισιού προσομοίωσε αυτούς τους θυσάνους σε μια μικρή δεξαμενή, που περιείχε δύο υγρά που δεν αναμιγνύονται με ελαφρώς διαφορετικές πυκνότητες. Χρησιμοποιήθηκαν δε δύο υγρά για να προσομοιωθεί ένα από τα πολλά όρια μεταξύ των στρωμάτων του βράχου που θεωρούνται πως υπάρχουν στο μανδύα.

Όταν το πυκνότερο υγρό στο κατώτατο σημείο της δεξαμενής θερμάνθηκε, η Davaille παρατήρησε αρκετούς διαφορετικούς τύπους συμπεριφορών, από τη βίαια μίξη ως την εμφάνιση μιας λεπτής 'μπούκλας' του πυκνότερου υγρού, που επεκτάθηκε πάνω στο λιγότερο πυκνό ρευστό.

Οι μπούκλες σχηματίστηκαν στο όριο μεταξύ των δύο ρευστών όπου το χαμηλότερο ρευστό ανέβηκε στο ανώτερο ρευστό για να δημιουργηθεί μια εισβολή σε σχήμα κώνου με μια πλατιά βάση και μια στενή κορυφή, από τις οποίες προέκυψε η μπούκλα. Ενώ οι μπούκλες παρέμειναν για μεγάλες χρονικές περιόδους, δεν ήταν σαφές από το πείραμα εάν οι μπούκλες αυτές θα εμφανίζονταν σε κλίμακες ανάλογες με την πυκνότητα, το χρόνο και το μήκος σχετικές με το γήινο μανδύα.

Μαθηματικό πρότυπο

Τώρα όμως η Laura Schmidt μαζί με την Wendy Zhang στο πανεπιστήμιο του Σικάγου έχουν βρει ένα νέο μαθηματικό μοντέλο για το πώς σχηματίζονται αυτές οι μορφές σαν 'μπούκλες' στα πειράματα της Davaille. Οι ερευνητές θεωρούν ότι το μοντέλο τους μπορεί να εφαρμοστεί σε μεγαλύτερη κλίμακα για να εξηγήσει πώς  θα μπορούσαν να προκύψουν πίδακες υλικού από το μανδύα μήκους πολλών χιλιομέτρων.

Οι Schmidt and Zhang αρχίζουν με εξισώσεις που περιγράφουν τη μορφή και τη ροή της μπούκλας του υλικού, που έλυσαν χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό αναλυτικής και αριθμητικής τεχνικής. Οι υπολογισμοί τους προτείνουν ότι οι κώνοι εμφανίζονται σε "σημεία στασιμότητας", που διαρκούν για μεγάλα χρονικά διαστήματα και συγκρατούν αυτές τις μπούκλες υλικού. Τέτοια σημεία στασιμότητας έχουν παρατηρηθεί, επίσης, σε παρόμοιο πείραμα που έγινε από τη Schmidt στο πανεπιστήμιο του Σικάγου.

Η Schmidt εξήγησε αυτές οι μπούκλες παραμένουν σταθερές για μεγάλες χρονικές περιόδους επειδή παραμένουν απομονωμένες από την εκ μεταφοράς ροή μεγαλύτερης κλίμακας στη δεξαμενή. Αυτή η ιδιότητα της σταθερής παραμονής είναι σημαντική, επειδή οι πίδακες υλικού στο μανδύα υπεύθυνοι για τις δυναμικές ζώνες θα έπρεπε να παραμείνουν πάνω από 100 εκατομμύρια χρόνια.

Πιθανός μηχανισμός

Σύμφωνα με τη Schmidt, οι υπολογισμοί προτείνουν ότι αυτές οι 'μπούκλες' είναι ένα γενικό χαρακτηριστικό γνώρισμα στα πολυστρωματικά υγρά, και θα πρέπει να είναι παρόντα σε ένα μανδύα με στρώσεις. Τις περιγράφει αυτές τις μπούκλες ως "πιθανό μηχανισμό πίσω από την εμμονή των δυναμικών σημείων".

Οι Schmidt και Zhang προγραμματίζουν τώρα να κάνουν έναν αυστηρότερο έλεγχο της θεωρίας τους.

Home