Конвективный теплообмен при погружении литосферы в мантию Земли

А.Н. Буров, С.В. Соловьев (Хабаровск)

Исследуется конвективный теплообмен литосферной (океанической) плиты в зоне субдукции при ее погружении в мантию Земли. Рассматривается влияние угла погружения, скорости движения континентальной и океанической плит по дневной поверхности, подъемных сил, коэффициента теплового расширения, ускорения свободного падения, которое линейно зависит от глубины погружения, на теплообмен, структуру течения и глубину погружения литосферной плиты. В работе моделируется процесс погружения океанической плиты под континентальную. По мере погружения в мантию вещество литосферы плавится. Математическая модель субдукции литосферной плиты описывается уравнениями Навье-Стокса в приближении Буссинеска, энергии с учетом внутренних источников теплоты и неразрывности. Задача в переменных вихрь - функция тока – температура решалась численно, использовался метод Патанкара. В результате численного решения задачи получены поля температуры, функции тока, вихря, скорости и распределение чисел Нуссельта на верхней и нижней границах расчетной области. Исследовано влияние величины ускорения свободного падения на эти поля. Скорость движения континентальной и океанической плит изменялась от 1 до 9см/год. Расчеты выполнялись для углов поддвига литосферной плиты под континентальную . Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы. В области желоба (зона погружения литосферы) изотермы "прогибаются" книзу, под океанической и континентальной плитами образуются две конвективные ячейки, движущиеся навстречу друг другу, причем вихрь под континентальной плитой проникает в область, расположенную по другую сторону от погружаемой плиты. В случае неучета подъемных сил теплообмен на верхней границе области увеличивается под континентальной плитой и уменьшается под океанической. На нижней границе тепловой поток практически не изменяется. Неучет подъемных сил оказывает более значительное влияние на течение и теплообмен в мантии Земли, чем неучет тепловыделений в самой мантии. Для рассмотренных углов поддвига при скорости океанической плиты, равной скорости континентальной плиты и равной 1 см/год, образуются две крупномасштабные континентальная и океаническая конвективные ячейки, причем континентальная проникает в область океанической. При увеличении скорости океанической плиты континентальная конвективная ячейка становится мелкомасштабной. Неучет подъемных сил и увеличение коэффициента теплового расширения ведут к изменению теплообмена и движения в мантии Земли.