ELTE TTK Fizikai Intézet
STATISZTIKUS FIZIKAI SZEMINÁRIUM

2013. március 6.
szerda, 11 óra

*Herein Mátyás*, Galsa Attila, Lenkey László

ELTE TTK, Geofizikai és Űrtudományi Tanszék

A köpenydinamika és a 660 km mélyen található
endoterm fázisátmenet kapcsolata

A földköpenyben 660 km-es mélységében elhelyezkedő endoterm
ásványtani fázisátmenet évtizedek óta kiemelten vizsgált terület.
Jelen tanulmányban numerikus modellezés segítségével vizsgáltuk a
fázisátmenet termikus köpenykonvekcióra gyakorolt hatását.
Különböző Rayleigh-számok ($Ra$) és fázisátment erősség ($\gamma$)
mellett vizsgáltuk a kialakuló áramlást.
Alapvető cél volt annak eldöntése, hogy a konvekció egy vagy két
rétegben zajlik-e, illetve kialakul-e lavinajelenségekkel kísért
átmeneti állapot, melynek során az egy- és kétréteges konvekció
keveredik. A szisztematikus modellszámítások után alapvető
eredmény, hogy a Rayleigh-szám nagymértékben befolyásolja az
áramlást.
Azonos erősségű fázisátmenet esetében a nagyobb Rayliegh-számok
felé haladva az áramlás egyre jobban "érzi" a fázisátmenet
hatását, egyre inkább a két rétegben zajló áramlási forma jelenik
meg. Kiszámítottuk a fázishatáron átáramló köpenyanyag
tömegfluxusát és vizsgáltuk a tömegfluxus idősorait. Ezen módszer
segítségével egyértelműen megállapítható a földköpeny
rétegzettségének mértéke, ami alapján három típus különíthető el.
Az első az egyréteges konvekció esete, mely a fázisátmenet
erősségétől ($\gamma$-tól) függetlenül 10^5-es $Ra$ alatt minden
esetben kialakul. A második típus a kevert, átmenetileg rétegződő
konvekció esete, mely jól lehatárolhatóan $Ra=5 \cdot 10^5$-től
$\gamma = -3, -4.5, -6$ MPa/K feltételek mellett alakul ki. Ez az
áramlási forma hirtelen meginduló nagy anyagmennyiséget szállító
ún. köpenylavinákkal jár. A harmadik konvekciós típus a tisztán
kétréteges áramlás, mely $\gamma = -9$ MPa/K-nél és 10^5-nél
nagyobb Rayleigh-számoknál alakul ki. Ebben az esetben az alsó és a
felső köpeny között nincs anyagtranszport. Részletesen a
lavinajelenségeket mutató, második típusú konvekció dinamikáját
vizsgáltuk. 12 modell esetében mutatható ki egyértelműen
lavinatevékenység. A lavinák tömegfluxus-idősorainak amplitúdó
spektrumát elemezve kirajzolódik egy hosszú időperiódus és egy
dinamika ($Ra$) függő rövidebb periódus. A hosszú periódus 580
millió évnek adódott mely igen jól összeegyeztethető a nagy
köpenyátfordulások karakterisztikus idejével. A rövidebb periódusú
lavinajelenség szisztematikus elemzésével létrejött kiemelendő
eredmény, hogy a lavinák karakterisztikus ideje nem függ a
fázisátmenet erősségétől, kizárólag csak a Rayleigh-számtól. A
kapcsolat jól leírható hatványfüggvénnyel: nagyobb $Ra$ felé
haladva a karakterisztikus idők csökkennek. Valós földköpeny-szerű
esetet modellezve ($Ra \approx 10^7$) a lavinák kvázi-periodicitása
(80-150 millió év) jól összeegyeztethető a geológiából ismert trapp
(plató) bazaltok megjelenésével.

1117. Budapest, Pázmány P. sétány 1/A, Északi tömb 2.54
honlap: http://glu.elte.hu/~statfiz