ヒートパイプテクトニクス

ヒートパイプテクトニクスは、地球型惑星と衛星の冷却モードであり、惑星の主な熱輸送メカニズムは、リソスフェアとも呼ばれる外側の硬い殻を通じた火山活動です。^{[1] [2]}ヒートパイプテクトニクスは、火山活動が支配的な表面熱伝達プロセスになると始まります。^[1]溶融した岩石やその他の揮発性の高い惑星物質は、局所的な噴出孔を介してマントルから表面に運ばれます。^[1]溶融物は冷却されて固化し、冷たい火山物質の層を形成します。^[1]新しく噴出した物質は古い層の上に堆積し、古い層を埋めます。^[1]殻上の火山層の蓄積とそれに伴う深部での物質の排出により、表面物質が下方に移動し、殻の物質が惑星の内部に向かって継続的に下降します。^[1]

ヒートパイプテクトニクスは、木星の衛星の1つであるイオの観測に基づいて初めて導入されました。^{[1] [2]}イオは内部が非常に高温の岩石天体であり、その熱は偏心軌道に関連する潮汐力によって生成されます。^{[2] [3] [4] [5]}頻繁で大規模な火山噴火により内部の熱が放出され、溶融物が表面に放出されます。^{[2] [6] [7]}イオの地殻は、火山物質の層でできた単一の厚く密度が高く冷たい外殻であり、その剛性と強度は高い山の重量を支えています。^{[3] [2] [8]}

観測によれば、太陽系の他の地球型惑星、すなわち金星、月、火星、水星、地球の初期の歴史でも同様のプロセスが起こったことが示唆されており、これらの惑星にはヒートパイプの化石証拠が保存されている可能性がある。^[9]太陽系のすべての地球型天体は、ある時点でヒートパイプテクトニクスを持っていた可能性がある。したがって、ヒートパイプテクトニクスは、地球型天体の普遍的な初期冷却モードである可能性がある。^[9]

ヒートパイプテクトニクスでは、火山活動が主要な熱輸送メカニズムであり、岩石の溶融物が局所的な噴出孔から地表に運ばれる。^{[1] [3] [9]} 移流とは、質量と熱の移動を指し、移動する流体が物質や熱を発生源へ、または発生源から運び出し、チャネルに沿って周囲の固体を通過するときに発生する。^[10]溶融物は、マントル岩石が水の存在下で、対応する深度で 1100 ～ 2400 °C の温度に耐えるときに生成される (圧力によって溶融温度が変化する)。^{[11] [12]}溶融物が垂直の噴出孔から地表に達すると、冷却されて固化し、鉄とマグネシウムを豊富に含む苦鉄質岩石または超苦鉄質岩石を形成する。^{[1] [9]}火山の噴火が繰り返されることにより火山物質が地表に蓄積すると、より厚いリソスフェアが形成される。^{[1] [9]}上部の新しい物質は、惑星内部に形成された対応する空洞と相まって、表面の堆積物の沈下を引き起こします。^{[1] [9]}

この火山物質の垂直移流は岩石圏の圧縮を引き起こします。なぜなら、惑星の内部球殻は深度が増すにつれて次第に小さくなるからです。 ^{[1] [9]} 表面は冷え、冷たく密度が高く強固な岩石圏が形成されます。^{[1] [9]}厚い岩石圏は、火山層の収縮によって生じた山々を支えます。^{[1] [9]}

冷却中のヒートパイプ惑星は、長期間の冷却後、ヒートパイプ段階から直ちに、リッドテクトニクスまたはプレートテクトニクスのいずれかの冷却史の次の段階に入る可能性がある。 ^{[1] [13]}

木星の衛星イオは小さな地球型惑星で、半径は1821.6±0.5 kmで、月とほぼ同じ大きさです。^[14]しかし、イオは60〜160テラワット（TW）というはるかに高い熱流量を生み出しており、これは地球の40倍です。^{[3] [2] [15] [16]}放射性崩壊ではこれほど大量の熱は発生しません。他の地球型惑星では放射性崩壊が熱を供給しています。^{[3] [2]}代わりに、イオは地球や月と同様に、木星や他の木星の大きな衛星による大きな潮汐の影響を受けるため、潮汐によって発生する熱の方が良い仮説です。^[3]

これを裏付ける最初の観測は、イオで発見された活火山活動でした。豊富で広範囲に広がる放射状の溶岩流を伴うカルデラが100以上あります。^{[2] [6] [7]}そして、少なくとも1200 Kの高い噴火温度から、溶岩の成分は主に硫黄とケイ酸塩であると解釈されています。 ^[3]

広範囲にわたる火山活動に加えて、山脈はイオの表面で2番目に見られる現象です。イオには平均標高6km、最大標高17kmの山が100～150あります。^{[3 ] [ 2} ]発見された山々にはその起源を示す地質学的証拠はありません。また、山岳地帯には火山もありません。^{[3] [2]}

これらの観察に基づいて、厚いリソスフェアの発達に関する仮説が立てられている。^{[2] [7]}古い理論では、地球型惑星はすべて薄いリソスフェアを持っていると示唆されていた。しかし、厚さ5kmの薄いリソスフェアでは、10km×10kmの山から発生する6kbarの大きな応力に耐えることはできない。^{[2] [8]}比較すると、地球のリソスフェアが耐えられる最大応力は2kbarである。 [ ^2]したがって、イオでは、地球全体に分布する山々によって課される圧倒的な応力に耐えるために、より厚いリソスフェアが必要である。^[2]

その後、イオの状況を説明するためにヒートパイプテクトニクスが導入されました。この理論は、表面の地球全体に分布する火山物質、厚い岩石圏の発達、収縮山脈の形成を説明しています。^{[3] [2]}

2017年の研究では、地球型惑星はすべて、現在よりも内部がはるかに高温だった初期の発達段階で冷却するために火山活動を経験した可能性があることが示唆されています。^{[1] [9] [13]}太陽系では、火星、月、水星、金星、地球は過去にヒートパイプテクトニクスの証拠を示していますが、現在はそれを経験していません。^[9]

初期の地球については、ヒートパイプテクトニクス理論に従って火山活動によって冷却したという仮説が提唱されている。^{[1] 45億年前から、}プレートテクトニクスが始まる32億年前まで、地球は寒冷化した。^{[1] [23]プレートテクトニクスの開始年代は、}ウィルソンサイクルなどのいくつかの証拠によって検証されている。^{[1] [23]}

地球の初期テクトニクスを説明する既存の主要な理論は2つあり、それは原始プレートテクトニクスと垂直テクトニクスである。^{[1] [24]}

南アフリカのバーバートンとオーストラリアのピルバラでの新しい観測では、3億年以上続いた非ダイアピル変形の証拠は見つからなかった。^[1]変形を説明するために既存の理論を適用すると、溶融物の上向きの逆滴型の侵入が解決策となる。^{[1] [26] [27]}この場合、水平方向の動きが関与しているに違いない。^[1]しかし、水平方向の動きの証拠は見つかっていない。^[1]これに基づいて、一部の研究者はヒートパイプテクトニクスを初期地球に適用した。

時間が経つにつれて、地球型惑星は内部の熱生産が減少して表面温度が低くなるにつれて冷却されます。^{[1] [13]}それに加えて、主要な熱伝達プロセスは伝導へと変化しています。 [1] ^{[13]したがって、伝導熱が内部の熱生産よりも大きい場合、ヒートパイプテクトニクスから}プレートテクトニクスまたは停滞リッドテクトニクスへの急激な移行が発生します。[ ^{1 ] [13] [34]}

停滞した岩石圏は、水平方向の動きがほとんどなく、比較的安定して動かない強い冷たい岩石圏を指し、プレートテクトニクスは、水平方向の動きが多い可動性の岩石圏を指します。^[9]

プレートテクトニクスの段階では、マントルによって引き起こされる対流応力が岩石圏の強度を上回り、プレートが崩壊し始めます。 ^[13]火山活動がもはや主要な熱伝達方法ではなくなるため、地球全体で堆積する火山物質は大幅に減少します。^[13]その後、岩石圏の温度勾配が増大し、より薄い岩石圏が形成されます（たとえば、深さ100kmで1500℃）。^[35]