Перенос тепла в Земле (передача тепла)
1. Теплопроводность.
Бóльшая часть теряемого Землёй тепла достигает поверхности посредством теплопроводности пород земной коры. Расчеты показывают, что в этом случае геотермический градиент должен быть 25ºС/км. Тогда на глубине 100 км температура должна быть 2500ºС и привести к обширному плавлению мантии, что не имеет места. С другой стороны, известно, что на глубинах порядка 60 км температура в отдельных местах должна достигать 1200ºС, чтобы образовать базальтовую магму. Поэтому до того, как достичь глубины 100 км, геотермический градиент должен уменьшиться примерно в 10 раз. Выполаживание кривой зависимости температуры от глубины можно объяснить либо концентрацией внутренних источников тепла вблизи поверхности Земли, либо более эффективным механизмом переноса тепла, чем простая теплопроводность, либо совместным действием этих причин.
(Коэффициент теплопроводности твёрдых и жидких тел – это величина, равная отношению плотности теплового потока через изотермическую поверхность к градиенту температуры)
,
Вт/(м·град)
Здесь единицами измерения являются для Q - Вт/м2, а для grad T - град/м,
P.S.1 вт = 107эрг/сек = 0.862 ккал/час.
2. Перенос тепла лучеиспусканием и экситонами.
При температурах выше 800…1500ºС значительное количество тепла передаётся через породу лучеиспусканием. В результате лучистого переноса коэффициент теплопроводности увеличивается на дополнительную величину Kr:
,
где n – показатель преломления;
s – постоянная Стефана-Больмана;
е – коэффициент непрозрачности;
Т – температура.
Как видно, эффективность лучистого переноса тепла связана с прозрачностью, в частности, силикатных минералов к несущим тепловую энергию красным лучам видимого спектра и инфракрасным лучам.
Возможен и другой механизм переноса тепла, увеличивающий эффективную теплопроводность при высоких температурах. Тепло может переноситься «экситонами». Нейтральные атомы возбуждаются радиацией, энергия которой недостаточна для образования свободных электронов. Энергия атома передаётся соседнему атому. При этом возникает перенос тепла. Не исключается, что в некоторых областях мантии ниже 100 км интенсивность экситоновой теплопроводности равна, а может быть и больше интенсивности лучистой теплопроводности.
Таким образом, вполне вероятно, что теплопроводность верхней мантии глубже 100 км на порядок выше, чем у поверхности. Увеличение теплопроводности может быть вызвано лучистым и экситоновым переносом тепла. Поэтому геотермический градиент на этих глубинах меньше. Увеличение теплопроводности с глубиной может прекратиться в переходной зоне мантии и ниже из-за увеличения непрозрачности.
3. Перенос тепла тепловой конвекцией.
Тепловая конвекция в жидкой среде может вынести наверх большое количество тепла даже при сравнительно небольшом температурном градиенте. По-видимому, именно конвекцией передаётся тепло вверх через внешнее ядро.
Важная геотермическая роль конвекции состоит в том, что тепло из недр Земли может быть вынесено к поверхности гораздо быстрее, чем посредством теплопроводности.
Другим видом быстрой передачи тепла к поверхности Земли может быть «проникающая» конвекция. Это название относится к направленным вверх течениям разогретых жидкостей с малой плотностью. Таковы, например, течения магмы или гидротермальных растворов в уплотнённой пористой среде. Этот процесс необратим, и магма или горячая вода остаются на земной поверхности или вблизи неё. Таков, вероятно, основной путь выноса тепла наверх в геотермальных регионах, включая и океанические подводные хребты.