التاريخ الحراري للأرض

يشمل التاريخ الحراري للأرض دراسة تاريخ تبريد باطنها ، وهو فرع من فروع الجيوفيزياء . وتُعدّ دراسة التطور الحراري لباطن الأرض غير مؤكدة ومثيرة للجدل من جميع جوانبها، بدءًا من تفسير الملاحظات البترولوجية المستخدمة لاستنتاج درجة حرارة باطن الأرض، مرورًا بديناميكيات الموائع المسؤولة عن فقدان الحرارة، وصولًا إلى خصائص المواد التي تحدد كفاءة نقل الحرارة.

تتراوح الملاحظات التي يمكن استخدامها لاستنتاج درجة حرارة باطن الأرض من أقدم الصخور على سطحها إلى الصور الزلزالية الحديثة لحجم اللب الداخلي . ويمكن ربط الصخور البركانية القديمة بعمق ودرجة حرارة انصهارها من خلال تركيبها الجيوكيميائي. وباستخدام هذه التقنية وبعض الاستنتاجات الجيولوجية حول الظروف التي حُفظت فيها الصخور، يمكن استنتاج درجة حرارة الوشاح. الوشاح نفسه عبارة عن نسيج حراري حملي بالكامل، لذا فإن درجة حرارته ثابتة تقريبًا مع العمق خارج الطبقات الحرارية الحدية العلوية والسفلية. هذا ليس دقيقًا تمامًا، لأن درجة الحرارة في أي جسم حراري حملي تحت ضغط يجب أن ترتفع على طول منحنى ثابت الحرارة، ولكن تدرج درجة الحرارة الثابت الحرارة عادةً ما يكون أصغر بكثير من قفزات درجة الحرارة عند الحدود. لذلك، يرتبط الوشاح عادةً بدرجة حرارة واحدة أو درجة حرارة كامنة تشير إلى درجة حرارة منتصف الوشاح المستنبطة على طول المنحنى الثابت الحرارة إلى السطح. تُقدر درجة الحرارة الكامنة للوشاح بحوالي 1350 درجة مئوية اليوم. توجد درجة حرارة كامنة مماثلة للنواة ولكن نظرًا لعدم وجود عينات من النواة، فإن درجة حرارتها الحالية تعتمد على استقراء درجة الحرارة على طول خط ثابت الحرارة من حدود النواة الداخلية، حيث يكون خط تصلب الحديد مقيدًا إلى حد ما.

أبسط صياغة رياضية للتاريخ الحراري لباطن الأرض تتضمن التطور الزمني لدرجات حرارة منتصف الوشاح ومنتصف اللب. لاستنتاج هذه المعادلات، يجب أولاً كتابة معادلة توازن الطاقة للوشاح واللب بشكل منفصل. وهي:

${\displaystyle Q_{\text{surf}}=Q_{\text{sec,man}}+Q_{\text{rad}}+Q_{\text{cmb}}}$

للعباءة، و

${\displaystyle Q_{\text{cmb}}=Q_{\text{sec,core}}+Q_{\text{L}}+Q_{\text{G}}}$

للجوهر. ${\displaystyle Q_{\text{surf}}}$يمثل التدفق الحراري السطحي [واط] على سطح الأرض (والوشاح)،${\displaystyle Q_{\text{sec,man}}=M_{\text{man}}c_{\text{man}}dT_{\text{man}}/dt}$هي حرارة التبريد التدريجية المنبعثة من الوشاح، و${\displaystyle M_{\text{man}}}$،${\displaystyle c_{\text{man}}}$، و${\displaystyle T_{\text{man}}}$هي كتلة الوشاح، وحرارته النوعية، ودرجة حرارته. ${\displaystyle Q_{\text{rad}}}$إنتاج الحرارة الإشعاعية في الوشاح و${\displaystyle Q_{\text{cmb}}}$هو تدفق الحرارة من حدود اللب والوشاح. ${\displaystyle Q_{\text{sec,core}}=M_{\text{core}}c_{\text{core}}dT_{\text{core}}/dt}$هي حرارة التبريد التدريجي من لب الأرض، و${\displaystyle Q_{\text{L}}}$و${\displaystyle Q_{\text{G}}}$وهي عبارة عن تدفق الحرارة الكامنة والجاذبية من حدود اللب الداخلي نتيجة لتصلب الحديد.

حل لـ${\displaystyle dT_{\text{man}}/dt}$و${\displaystyle dT_{\text{core}}/dt}$يعطي،

${\displaystyle {\frac {dT_{\text{man}}}{dt}}={\frac {3(-Q_{\text{surf}}-Q_{\text{cmb}})}{4\pi \rho _{\text{m}}c_{\text{m}}(R^{3}-R_{\text{c}}^{3})}}+{\frac {Q_{\text{rad}}}{V_{\text{m}}\rho _{\text{m}}c_{\text{m}}}}}$

و،

${\displaystyle {\frac {dT_{\text{core}}}{dt}}=Q_{\text{cmb}}\left[A_{\text{c}}(L+E_{G})\left({\frac {R_{i}}{R_{\text{c}}}}\right)^{2}\rho _{i}{\frac {dR_{i}}{dT_{\text{cmb}}\eta _{\text{c}}}}-{\frac {R_{\text{c}}^{3}-R_{i}^{3}}{3R_{\text{c}}^{3}}}\rho _{\text{c}}c_{\text{c}}\right]^{-1}}$

في عام ١٨٦٢، قدّر اللورد كلفن عمر الأرض بما يتراوح بين ٢٠ مليون و٤٠٠ مليون سنة، بافتراض أن الأرض تشكلت كجسم منصهر بالكامل، وحدد المدة الزمنية اللازمة لتبريد الطبقات القريبة من سطحها إلى درجة حرارتها الحالية. ولأن مبدأ التطور التدريجي يتطلب عمرًا أقدم بكثير للأرض، فقد نشأ تناقض. وفي نهاية المطاف، تم اكتشاف مصادر حرارة إضافية داخل الأرض، مما سمح بعمر أقدم بكثير . يتناول هذا القسم مفارقة مماثلة في علم الجيولوجيا المعاصر، تُعرف باسم الكارثة الحرارية .

يمكن إثبات الكارثة الحرارية للأرض من خلال حل المعادلات المذكورة أعلاه لتطور الوشاح مع${\displaystyle Q_{\text{cmb}}=0}$تُعرَّف الكارثة بأنها عندما يكون متوسط ​​درجة حرارة الوشاح${\displaystyle T_{\text{man}}}$يتجاوز درجة حرارة انصهار الوشاح بحيث ينصهر الوشاح بأكمله. باستخدام نسبة يوري المفضلة جيولوجيًا كيميائيًا${\displaystyle Ur=1/3}$ومعامل التبريد المفضل جيوديناميكيًا لـ${\displaystyle {\text{beta}}=1/3}$تصل درجة حرارة الوشاح إلى درجة انصهاره (أي حدوث كارثة) خلال 1-2 مليار سنة. هذه النتيجة غير مقبولة بتاتًا، إذ توجد أدلة جيولوجية على وجود وشاح صلب منذ 4 مليارات سنة (وربما أقدم من ذلك). لذا، تُعدّ مشكلة الكارثة الحرارية أبرز مفارقة في التاريخ الحراري للأرض.

تفترض "مفارقة اللب الجديدة" ^{[ 1 ]} أن المراجعات التصاعدية الجديدة للتوصيل الحراري للحديد المقاس تجريبياً ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} عند ظروف الضغط ودرجة الحرارة في لب الأرض تشير إلى أن الدينامو الأرضي مُقسّم حرارياً في الوقت الحاضر، مدفوعاً فقط بالحمل الحراري التركيبي المرتبط بتصلب اللب الداخلي. ومع ذلك، فإن الأدلة المغناطيسية القديمة واسعة الانتشار على وجود دينامو أرضي ^{[ 5 ]} أقدم من العمر المحتمل لللب الداخلي (حوالي مليار سنة) تخلق مفارقة حول مصدر طاقة الدينامو الأرضي قبل تكوّن اللب الداخلي. وقد اقتُرح مؤخراً أن ارتفاع معدل تبريد اللب وانخفاض معدل تبريد الوشاح يمكن أن يحل المفارقة جزئياً. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} ومع ذلك، لا تزال المفارقة دون حل.

كذلك، أدت التجارب الجيوكيميائية الحديثة ^{[ 9 ]} إلى اقتراح أن الحرارة الإشعاعية في اللب أكبر مما كان يُعتقد سابقًا. وإذا صحّ هذا التعديل، فإنه سيخفف أيضًا من مشاكل ميزانية حرارة اللب من خلال توفير مصدر طاقة إضافي يعود إلى الماضي.

• اللب الداخلي للأرض
• المجال المغناطيسي للأرض
• بنية الأرض
• سجل درجة الحرارة الجيولوجية
• قائمة الفترات والأحداث في تاريخ المناخ
• مقياس الحرارة القديمة
• التأثير الإشعاعي
• الجدول الزمني للتجلد