Если динамика земного ядра отражается в «замороженной» полярности древнего магнитного поля и в светящихся полярных сияниях, то изменения, происходящие в мантии Земли, отмечаются в очертаниях океанов и континентов. Поверхностными проявлениями этих течений служат движения плит, образующих твердую поверхностную оболочку Земли, при этом большинство плит включает и океанические и континентальные районы.
Таким образом, обычная физическая карта мира представляет собой моментальный снимок динамических процессов, происхождение которых связано с мантией. Однако особенности мантийных течений на этом снимке почти не выявляются. Основное отличие между континентальными и океаническими областями проявляется в толщине лежащей под ними земной коры.
Мощность (толщина) континентальной коры находится в интервале от 20 до 70 км; океаническая кора в среднем имеет толщину всего лишь около 6 км. Таким образом, плиты, несущие континенты, должны обладать по меньшей мере 70-километровой толщиной. В настоящее время выяснено, что толщина плит не связана с мощностью земной коры и что все плиты имеют толщину примерно 100 км независимо от того, какая кора (океаническая или континентальная) покрывает эти плиты.
Слой, из которого состоят плиты, называют литосферой. Течения, перемещающие плиты, являются конвективными течениями, в которых происходит подъем разогретого вещества и опускание холодного. Новые плиты образуются в зонах срединно-океанических хребтов и охлаждаются по мере их движения в направлении от хребтов к океаническим желобам. В океанических желобах плита погружается и тонет в мантии, поскольку она оказывается более холодной и плотной, чем окружающее ее вещество.
Эти два участка конвективной циркуляции — субдукцию и движение плит на поверхности Земли — можно наблюдать непосредственно. Кроме того, должны существовать горизонтальные возвратные течения, переносящие вещество из областей океанических желобов к срединно-океаническим хребтам, и восходящие движения разогретого вещества, которое компенсируют нисходящие движения в области океанических желобов.
Об этих ветвях конвективной циркуляции нельзя получить сведений при изучении движения плит. В частности, нет оснований полагать, что восходящие течения сосредоточены в срединно-океанических хребтах. Действительно, в настоящее время известно, что картина течений оказывается гораздо более сложной. По движению плит нельзя судить и о течениях в мантии, горизонтальный масштаб которых значительно меньше размера самих плит.
Причина этого состоит в том, что плиты движутся как жесткие тела и их перемещение представляет собой реакцию на среднее суммарное действие сил, приложенных к их основаниям и границам. При изучении движения плит, как современных, так и древних, немногое можно узнать о конвекции в мантии, даже если эти движения известны в деталях. Сложившаяся ситуация была совершенно неудовлетворительной: ученые считали, что энергия, обеспечивающая движения плит, подводится за счет конвекции в мантии, однако не существовало объяснения того, каким именно образом это происходит!
Явления конвекции в жидкости было весьма подробно исследовано учеными, работавшими в области динамики жидкости; в результате были разработаны различные методы моделирования таких течений. Наиболее простые модели представляют собой слой жидкости в неглубоком бассейне, подогреваемый снизу или изнутри. Поведение жидкости можно изучать, измеряя температуру внутри ее или просвечивая ее вертикальными лучами; при этом холодные опускающиеся слои фокусируют свет с образованием ярких линий.
Н. Вейсс в Кембриджском университете изучал конвекцию путем решения соответствующих уравнений численными методами на мощных ЭВМ. Во многом эти методы дополняют друг друга. В бассейнах можно легко выполнить эксперименты с трехмерными моделями, которые все же мало помогают при интерпретации результатов геофизических наблюдений. Численные эксперименты в настоящее время ограничены двумерными течениями, однако их результаты могут оказаться полезными при установлении связи между данными наблюдений и картиной конвективных течений.
При построении этих моделей мы стремились не к получению математической модели движений в мантии, а к пониманию физических процессов, определяющих развитие конвекции. И в гидродинамических, и в численных экспериментах обнаруживается существование конвективных ячеек, в которых холодные опускающиеся участки жидкости отделены друг от друга расстоянием, примерно равным удвоенной глубине конвертирующего слоя. Эксперименты в бассейнах с движущейся верхней границей показали, что конвективные движения могут принимать вид валов, параллельных направлению движения границы.