10. Тепловое поле земли. Геотермия

Геотермика изучает тепловое состояние Земли и распределение температуры в её недрах. Вопрос о распределении температуры тесно связан с распределением источников тепла в глубинах Земли. Оба этих вопроса имеют фундаментальное значение для любых гипотез о строении и эволюции Земли.

Изучение тепловых процессов, протекающих в Земле, - один из самых умозрительных разделов геофизики. Объясняется это тем, что данные о наблюдаемом на поверхности тепловом потоке и температуре в недрах Земли можно интерпретировать многими различными способами. Для областей Земли глубже 100 км наши знания о распределении температуры весьма ненадёжны. Однако изучение теплового режима весьма важно, поскольку потеря тепловой энергии Землёй может быть, прямо или косвенно, причиной большей части тектонических и магматических процессов.

Самое большое количество энергии Земля получает от Солнца (10³² эрг/год), но значительная её часть излучается обратно в пространство. Лишь малая доля солнечной энергии проникает на глубину, измеряемую метрами. В целом, термический режим на поверхности нашей планеты определяется, прежде всего, ее расстоянием до Солнца. Увеличение среднего расстояния до Солнца всего на 1% привело бы к падению температуры на поверхности Земли до -90 ⁰С и полному ее покрытию льдом и снегом. Приближение Земли к Солнцу на 5…6% современного среднего расстояния вызвало бы сильное разогревание ее. Другим важным фактором, влияющим на тепловой баланс и климат Земли, является атмосфера и в первую очередь ее прозрачность, а также концентрация СО₂. И третьим важным фактором, определяющим тепловой режим на поверхности Земли, является ее отражательная способность (альбедо). Так, например, наибольшее альбедо солнечной радиации у свежевыпавшего снега – до 95%, среднее альбедо водных поверхностей – до 10% и т. д. Поэтому солнечное излучение является основным источником энергии лишь для процессов, совершающихся на поверхности твёрдой Земли и над ней.

В целом, тепловое влияние солнечной энергии на процессы в недрах Земли пренебрежимо мало по сравнению с той энергией, которая выделяется внутренними источниками тепла. Энергия, высвобождающаяся при землетрясениях (10²⁵ эрг/год), как и энергия приливного трения (3·10²⁶ эрг/год), замедляющего вращение Земли, также невелика по сравнению с геотермической потерей тепла (10²⁸ эрг/год). По мере рассеяния тепла малая доля теплового потока Земли переходит в другие формы энергии, которые вызывают тектонические и магматические процессы, метаморфизм и создают магнитное поле Земли.

О том, что температура земных недр высока, свидетельствуют вулканические извержения и рост температуры при погружении в глубокие шахты. Скорость возрастания температуры с глубиной носит название геотермического градиента. Величина его заметно варьирует от места к месту и лежит в интервале 1…5 ºС на каждые 100 м. В среднем у поверхности Земли геотермический градиент составляет 20 град/км. Второй геотермической величиной, которая может быть определена экспериментально, является тепловой поток из земных недр:

где λ – коэффициент теплопроводности;

dT

dz – градиент температуры в направлении оси z.

P.S. эрг = 10 ^–7 Дж. (теплота) Дж = Вт·с = кг·м²/с² (работа)

Процессы генерации и передачи тепла

Возможные источники тепла внутри Земли:

1. Долгоживущие радиоактивные изотопы.

Ранее мы выяснили, что долгоживущие радиоактивные изотопы играли большую роль при первичном разогреве Земли. За 1-ый млрд. лет температура Земли должна была повыситься до 700ºС. А за весь период существования Земли – до 1800ºС. Поэтому был сделан вывод о том, что вклад долгоживущих радиоактивных изотопов может объяснить только часть начального разогрева Земли. Следовательно, должны существовать и другие источники тепла внутри Земли.

2. Короткоживущие радиоактивные изотопы.

К ним относятся изотопы Al²⁶, Cl³⁶, Te⁶⁰. Наиболее важным из них является

Al²⁶. Период его полураспада равен 0.73 млн. лет и в начальный период существования планеты Земля этот изотоп мог быть источником значительного количества тепла в течение примерно 10 млн. лет. Если же формирование Земли продолжалось около 100 млн. лет, тогда распад короткоживущих изотопов мог нагреть только 10% объёма недр первичной Земли.

3. Тепло, запасенное при образовании Земли.

Вклад в разогрев Земли могли внести следующих два процесса:

а) высвобождение кинетической энергии при ударах протопланетных частиц, сталкивающихся с растущей Землёй, и

б) адиабатическое сжатие, сопровождавшееся постепенным ростом температуры.

Почти вся энергия соударения малых тел с растущей Землёй рассеивается в виде тепла в непосредственной близости от сталкивающихся тел и излучается в пространство. Предполагают, что лишь 0.1% энергии соударений поглощается Землёй, что может поднять температуру Земли лишь на 30ºС.

Более существенное увеличение температуры даёт адиабатическое сжатие, постепенно увеличивающееся по мере агломерации частиц. Если давление в центре Земли в результате аккреции стало равно 3000 бар, то при адиабатическом градиенте температура в центре Земли в процессе слипания частиц должна была подняться на 900ºС с постепенным уменьшением её к поверхности.

4. Преобразование энергии вращения Земли в тепло.

Возможным источником внутреннего тепла может быть диссипация энергии вращения Земли, по мере того как вращение замедляется из-за приливного взаимодействия с Луной и в меньшей степени с Солнцем. Расчеты показывают, что если бы всё приливное тепло поглощалось в теле Земли, то температура в её недрах достигла бы 2000ºС. С другой стороны, если бы 90% энергии диссипировало в мелких морях, температура поднялась бы только на 200ºС. К сожалению, нет достоверных данных о том, как делятся потери энергии между приливами в океанах и в твёрдой Земле.

5. Образование ядра.

Обычно полагают, что Земля образовалась в процессе аккреции примерно однородного материала. Кора, мантия и ядро выделились впоследствии в процессе дифференциации вещества. Образование ядра должно было освободить большое количество гравитационной энергии вследствие концентрации железо-никелевой фазы высокой плотности в центре Земли.

Тозер оценил суммарное изменение гравитационной энергии и энергии напряжений при образовании ядра из вещества первоначально недифференцированной Земли. Он нашёл, что выделившееся тепло в объёме 94% должно было разогреть Землю до 1500ºС. Полное тепло, образовавшееся при выделении ядра сопоставимо с суммарным теплом радиоактивного распада долгоживущих изотопов, выделившемся за всю историю Земли.