2.6. Температурне поле Землі

2.6.1. Загальна характеристика температурного поля Землі. Земля являє собою гігантську енергетичну машину, у якій різні види енергії — сонячна, радіоактивного розпаду хімічних елементів у породах, вулканічній діяльності, землетрусів, гравітаційного стиску, приливного тертя й ін. — перетворюються в теплову енергію, формуючи температурний режим її надр і поверхні. Тепловий стан Землі і закономірності його зміни визначаються загальним тепловим балансом прихожої енергії космічного і сонячного випромінювання і внутрішнього тепла, обумовленого поруч глобальних, регіональних і локальних особливостей будови планети і літосфери.

Сталий тепловий режим сприяє протіканню геологічних, геохімічних, геофізичних, біологічних процесів і створенню умов, придатних для існування живих організмів, тобто має фундаментальне значення. Зокрема, фізичні властивості речовини надр Землі, такі, наприклад, як в'язкість, пружність, електропровідність, намагніченість, що грають важливу роль у формуванні геофізичних полів, частково, а іноді і значною мірою залежать від температури на тій глибині, де це речовина знаходиться.

Джерелами, що підтримують температурне (геотемпературне) поле Землі в цілому і верхніх її шарах — літосфери, є зовнішні (космічні) і внутрішні (планетарні) процеси. До числа зовнішніх процесів відносяться сонячна радіація, випромінювання зірок, енергія метеоритів, що падають на Землю, гравітаційний вплив Місяця і Сонця. До внутрішніх джерел тепла відносять початкову внутрішню теплоту Землі при її утворенні і наступному тепловому житті і сучасне теплотворення за рахунок радіогенного тепла, що створюється завдяки розпаду розсіяних у гірських породах ізотопів урану, торію, ⁴⁰К и інших радіоактивних елементів; тепла, обумовленого різними процесами, що протікають у надрах Землі, вулканічною, тектонічною і сейсмічною діяльністю, диференцією і переміщенням глибинних мас, деформацією за рахунок припливів під дією Сонця і Місяця, плавленням, хімічними реакціями з виділенням чи поглинанням тепла, гідротермальними й іншими процесами.

Самим могутнім (18,010²⁰ Дж/рік) сучасним внутрішнім джерелом тепла є радіоактивний розпад. Його потужність приблизно в 1,5 рази перевищує сумарну потужність всіх інших планетарних джерел теплової енергії. Найбільша кількість радіоактивних речовин у літосфері містять гранітні породи, що і забезпечують максимальну величину теплового потоку, що проходить через літосферу знизу нагору. Внутрішнє температурне поле відрізняється високою сталістю. Воно не впливає на температуру поблизу земної поверхні чи клімат, тому що енергія, що приходить на поверхню Землі від Сонця, у 1000 разів більше того, що надходить з її надр. Завдяки зміні сонячної активності змінюється температура приповерхнього шару повітря, а з деяким запізненням і температура гірських порід.

Добові, сезонні, багаторічні і багатовікові варіації сонячної активності приводять до відповідного циклічним змінам температур повітря. Чим більше період циклічності, тим більша глибина їхнього теплового впливу. Наприклад, добові коливання температури повітря виявляються в приповерхньому шарі глибиною 1—1,5 м. Це пов'язано з переносом сонячного теплового потоку за рахунок молекулярної теплопровідності порід і конвекції повітря, парів води, інфільтрації опадів і підземних вод. Сезонні (річні) коливання викликають зміни температур на глибинах до 20—40 м. На таких глибинах теплопередача здійснюється в основному за рахунок молекулярної теплопровідності, а також руху підземних вод. На глибинах 20—40 м розташовується нейтральний шар (чи зона постійних річних температур). У межах цього шару температура залишається практично постійною й у кожнім районі в середньому на 3,7°С вище середньорічної температури повітря. Багатовікові кліматичні зміни позначаються на варіаціях температур порівняно великих глибин. Наприклад, похолодання і потепління в четвертинному періоді впливали на тепловий режим Землі до глибини 3—4 км. Вплив циклічних змін температури у верхніх шарах літосфери, багато в чому визначаючих ритміку життєдіяльності біоти у всіх її формах і проявах, залежить від геологічних і гідрогеологічних факторів і поширюється до глибини в кілька десятків чи сотень метрів.

Таким чином, якщо не враховувати багатовікових кліматичних змін, то можна вважати, що нижче зони постійних температур (на глибинах понад 40 м) впливом циклічності сонячної активності можна зневажити, а температурний режим порід визначається глибинним потоком тепла й особливостями термічних властивостей порід.

2.6.2. Тепловий потік у земній корі. Нижче нейтрального шару температура порід підвищується в середньому на 3°С при зануренні на кожні 100 м. Це пояснюється наявністю регіонального теплового потоку від джерел внутрішнього тепла Землі, що піднімається до поверхні. Його величину прийнято характеризувати щільністю теплового потоку (чи просто тепловим потоком). Середнє значення теплового потоку як на суші, так і в океанах складає 0,06 Вт/м². Сталість середньої величини теплових потоків суші й океанів при різкій зміні потужностей і будови земної кори свідчить про розходження в тепловій структурі верхньої мантії. Тому аномалії теплових потоків, тобто відхилення від установлених середніх потоків, несуть інформацію про будову земної кори і верхньої мантії.

Тепловий потік характеризується не тільки природою і потужністю джерел тепла, але і механізмом його переносу через гірські породи, який визначається тепловими властивостями гірських порід. Тепло передається за допомогою молекулярної теплопровідності гірських порід, конвекції і випромінювання. На великих глибинах (понад 10 км) передача тепла здійснюється в основному за рахунок випромінювання нагрітої речовини надр і конвекції. На менших глибинах перенос тепла зв'язаний з молекулярною теплопровідністю і конвекцією. Поряд з розглянутим регіональним потоком з надр існують локальні теплові потоки. Їх можна зв'язати з впливом багатолітномерзлих порід, руд з підвищеною радіоактивністю, циркуляцією підземних вод і т.п.

2.6.3. Теплове поле сонячного випромінювання. Істотним джерелом тепла, що визначає існування життя на Землі, є теплове поле сонячного випромінювання. Абсолютна величина енергії сонячного випромінювання, що падає на Землю, у 1000 раз перевищує величину внутрішнього теплового потоку. Однак відразу, а понад 48% після перетворень в атмосфері, гідросфері, літосфері, біосфері відбивається назад у космос і тільки 2% поглинається Землею.

Сонячна радіація визначає температуру лише приповерхневої частини Землі, що змінюється в залежності від часу доби, сезону, погоди, клімату, а також від геоморфологічних умов, наявності акваторій, складу поверхневих порід, почв чи ґрунтів, їхньої вологості, залісеності, рослинного покриву, забудови й інших факторів, а в цілому від інтегральної характеристики її теплових властивостей. Цими ж факторами характеризується відображена здатність поверхні, кількісну оцінку якої можна визначити по інтенсивності інфрачервоного (ІЧ) і радіотеплового (РТ) випромінювань.