4. Формирование теплового поля горных пород
4.1 Факторы, определяющие структуру температурного поля Земли
Формирование и длительное существование мерзлых пород в литосфере определяется тепловым состоянием Земли, как планеты и теплофизическими свойствами слагающих ее образований. Тепловое состояние Земли, в свою очередь, определяется внутренними и внешними источниками энергии.
Внутренними источниками энергии Земли являются ядерные, геологические, геохимические и другие процессы, которые определяют высокие температуры в ее недрах. Вследствие теплообмена с окружающим пространством Земля теряет тепло, и поэтому по направлению к ее поверхности температура понижается, образуется градиентное температурное поле, которое и вызывает направленный к поверхности поток тепла.
К внешним источникам энергии относится солнечная радиация, поступающая на поверхность Земли, энергия метеоритов падающих на землю, гравитационное воздействие Луны и некоторые другие.
Вследствие шарообразной формы Земли солнечная энергия на ее поверхности распределяется неравномерно. Количество радиационного тепла зависит от угла падения солнечных лучей α, который минимален в области экватора и максимален у полюсов (рис. 4.1). Поэтому с увеличением широты местности уменьшается количество приходящего к Земле внешнего радиационного тепла, что обусловливает формирование широтной географической зональности на ее поверхности.
Рис. 4.1. Схема притока солнечной радиации к поверхности Земли
По данным современных исследований доказано, что внешние источники энергии оказывают на поверхность Земли тепловое воздействие в 10 000 раз большее, чем внутренние. Поэтому, солнечная радиация является основным источником тепла, определяющим развитие различных природных процессов и явлений на поверхности Земли, верхних горизонтах литосферы, атмосфере и гидросфере. Основные особенности поглощения и отражения лучистой энергии Землей заключаются в следующем:
вследствие разнообразных процессов, идущих за счет поглощения лучистой энергии Солнца, происходят качественно необратимые превращения коротковолновых фотонов с максимумом излучения на длине волны 0,5 Км в слабые низкочастотные, т.е в длинноволновые инфракрасное излучение Земли с максимумом энергии на волне 8-10 Км;
поглощение лучистой энергии поверхностью Земли происходит крайне неравномерно, что обусловлено широтной зональностью, сезонными изменениями поглощения, его импульсивностью, вследствие шаровидной формы Земли, ее вращения и наклона оси вращения к плоскости эклиптики.
испускание (излучение) лучистой энергии земными поверхностями в силу своей непрерывности происходит гораздо равномернее поглощения. Излучательная способность большинства поверхностей составляет от 0,90 до 0,99 излучательной способности абсолютно черного тела при той же температуре. Поскольку поглощение поверхностей Земли значительно отличается от поглощающей способности абсолютно черного тела, реальные тела в одинаковом потоке излучения поглощают разные количества энергии, в них устанавливаются разные температуры, и они излучают с разной интенсивностью;
тепловой режим Земли в определенной степени зависит от фазовых переходов воды. Процессы таяния и испарения (при увеличении поглощения энергии) и конденсации и замерзания (при преобладании лучеиспускания) препятствуют резкому повышению или понижению температуры.
Таким образом, формирование сезонно- и многолетнемерзлых пород в верхних горизонтах литосферы определяется тепловым состоянием поверхности Земли, которое, в свою очередь зависит от количества поступающей на нее солнечной коротковолновой радиации, трансформацией этого вида радиации в длинноволновую, а также характером тепловых процессов, связанных с поглощением солнечной энергии земной поверхностью.