Войти
Температурный профиль внутренней части Земли, схематический вид (оценка ).Геотермический градиент - это скорость повышения температуры по мере увеличения глубины внутри Земли. Вдали от границ тектонических плит он составляет примерно 25–30 ° C / км (72–87 ° F / mi) глубины у поверхности в большей части мира. Строго говоря, геотермальный обязательно относится к Земле, но это понятие может быть применено к другим планетам.
Внутреннее тепло Земли происходит от комбинации остаточного тепло от планетарной аккреции, тепло, производимое радиоактивным распадом, скрытое тепло от кристаллизации ядра и, возможно, тепло из других источников. Основными изотопами, выделяющими тепло на Земле, являются калий- 40, уран-238, уран-235 и торий-232. В центре планеты температура может достигать 7000 К (6730 ° С; 12,140 ° F), а давление могло достигать 360 ГПа (3,6 миллиона атм). Поскольку большая часть тепла обеспечивается за счет радиоактивного распада, ученые считают, что в начале истории Земли, до того, как изотопы с коротким периодом полураспада были истощены, производство тепла Землей было бы намного выше. Выработка тепла была вдвое больше, чем в наши дни примерно 3 миллиарда лет назад, что привело к большим градиентам температуры внутри Земли, большей скорости мантийной конвекции и тектоники плит, что позволило производить магматические породы, такие как коматииты, которые больше не образуются.
На вершину геотермического градиента влияет температура воздуха. Самые верхние слои твердой планеты имеют температуру, создаваемую местной погодой, снижаясь примерно до средней-средней температуры (MATT) на глубине (именно эта глубина используется для многих геотермальные тепловые насосы, часто называемые неспециалистами «геотермальными тепловыми насосами»). Спускаясь дальше, тепло постоянно увеличивается, так как внутренние источники тепла начинают преобладать.
Земля в разрезе от жилы в экзосферу 
Геотермальная буровая установка в Висконсине, США Температура внутри Земли увеличивается с глубиной. Высоковязкая или частично расплавленная порода при температурах от 650 до 1200 ° C (от 1200 до 2200 ° F) находится на окраинах тектонических плит, что увеличивает геотермический градиент поблизости, но постулируется, что только внешнее ядро существует в расплавленном состоянии. или жидкое состояние, а температура на границе внутреннего ядра / внешнего ядра Земли на глубине около 3500 километров (2200 миль) оценивается в 5650 ± 600 Кельвина. Теплосодержание Земли составляет 10 джоулей.
радиогенное тепло от распада U и Th в настоящее время вносит основной вклад в внутренний тепловой баланс Земли.В континентальной коре Земли распад природных радиоактивных изотопов вносит значительный вклад в производство геотермального тепла. Континентальная кора богата минералами с более низкой плотностью, но также содержит значительные концентрации более тяжелых литофильных минералов, таких как уран. Из-за этого он содержит самый концентрированный глобальный резервуар радиоактивных элементов, обнаруженных на Земле. Встречающиеся в природе изотопы обогащены гранитом и базальтовыми породами, особенно в слоях, расположенных ближе к поверхности Земли. Эти высокие уровни радиоактивных элементов в значительной степени исключены из мантии Земли из-за их неспособности замещать минералы мантии и, как следствие, обогащения расплавами во время процессов плавления мантии. Мантия в основном состоит из минералов высокой плотности с более высокими концентрациями элементов, имеющих относительно малые атомные радиусы, таких как магний (Mg), титан (Ti) и кальций (Ca).
| Изотоп | Тепловыделение [Вт / кг изотопа] | Период полураспада [лет] | Средняя концентрация в мантии [кг изотопа / кг мантии] | Тепловыделение [Вт / кг мантии] |
|---|---|---|---|---|
| U | 9,46 × 10 | 4,47 × 10 | 30,8 × 10 | 2,91 × 10 |
| U | 5,69 × 10 | 7,04 × 10 | 0,22 × 10 | 1,25 × 10 |
| Th | 2,64 × 10 | 1,40 × 10 | 124 × 10 | 3,27 × 10 |
| K | 2,92 × 10 | 1,25 × 10 | 36,9 × 10 | 1,08 × 10 |
Геотермический градиент в литосфере круче, чем в мантии, потому что мантия переносит тепло в основном за счет конвекции, что приводит к геотермическому градиенту, который определяется мантийной адиабатой, а не кондуктивными процессами теплопередачи, которые преобладают в литосфера, которая действует как тепловой пограничный слой конвектирующей мантии.
Тепло постоянно течет от своих источников на Земле к поверхности. Общие тепловые потери с Земли оцениваются в 44,2 ТВт (4,42 × 10 Вт). Средний тепловой поток составляет 65 мВт / м над континентальной корой и 101 мВт / м над океанической корой. Это в среднем 0,087 ватт / квадратный метр (0,03 процента солнечной энергии, поглощаемой Землей), но гораздо больше сосредоточено в областях с тонкой литосферой, например вдоль срединно-океанических хребтов (где новые океанические литосфера) и около мантийных плюмов. Земная кора эффективно действует как толстый изолирующий покров, который должен быть пронизан жидкостными каналами (магмы, воды или других), чтобы высвободить тепло внизу. Большая часть тепла на Земле теряется из-за тектоники плит из-за подъема мантии, связанного со срединно-океаническими хребтами. Другой основной способ потери тепла - это теплопроводность через литосферу, большая часть которой происходит в океанах из-за того, что кора там намного тоньше и моложе, чем под континентами.
Тепло Земли восполняется за счет радиоактивного распада в размере 30 ТВт. Мировые скорости геотермальных потоков более чем в два раза превышают уровень потребления энергии человеком из всех первичных источников. Глобальные данные о плотности теплового потока собираются и обрабатываются Международной комиссией по тепловому потоку (IHFC) IASPEI / IUGG.
Тепло из недр Земли может использоваться в качестве источника энергии, известной как геотермальная энергия. Геотермальный градиент использовался для обогрева помещений и купания с древних римских времен, а с недавних пор - для выработки электроэнергии. По мере того как население продолжает расти, растет и потребление энергии, и соответствующие воздействия на окружающую среду, соответствующие глобальным первичным источникам энергии. Это вызвало растущий интерес к поиску возобновляемых источников энергии, сокращающих выбросы парниковых газов. В районах с высокой плотностью геотермальной энергии современные технологии позволяют вырабатывать электроэнергию из-за соответствующих высоких температур. Для выработки электроэнергии из геотермальных ресурсов не требуется топлива, при этом обеспечивается истинная энергия базовой нагрузки со степенью надежности, которая постоянно превышает 90%. Для извлечения геотермальной энергии необходимо эффективно передавать тепло от геотермального резервуара к электростанции, где электрическая энергия преобразуется из тепла путем пропускания пара через турбину, подключенную к генератору. В мировом масштабе тепло, хранящееся в недрах Земли, обеспечивает энергию, которая до сих пор считается экзотическим источником. Около 10 ГВт геотермальных электрических мощностей установлено по всему миру по состоянию на 2007 год, что составляет 0,3% мирового спроса на электроэнергию. Дополнительные 28 ГВт мощности прямого геотермального отопления установлены для централизованного теплоснабжения, отопления помещений, спа, промышленных процессов, опреснения и сельского хозяйства.
Геотермальный градиент варьируется в зависимости от местоположения и обычно измеряется путем определения температуры забоя открытого ствола после бурения скважины. Однако на термограммы, полученные сразу после бурения, влияет циркуляция бурового раствора. Чтобы получить точные оценки забойной температуры, необходимо, чтобы скважина достигла стабильной температуры. Это не всегда возможно по практическим причинам.
В стабильных тектонических областях в тропиках график температуры- глубины будет сходиться к среднегодовой температуре поверхности. Однако в районах, где в течение плейстоцена развивалась глубокая вечная мерзлота, можно наблюдать низкотемпературную аномалию, которая сохраняется до нескольких сотен метров. Аномалия холода Сувалки в Польше привела к признанию того, что аналогичные тепловые возмущения, связанные с плейстоценом- голоценом климатическими изменениями, регистрируются в скважинах. по всей Польше, а также на Аляске, северной Канаде и Сибири.
в районах голоцена поднятия и эрозии (Рис. 1) неглубокий градиент будет большим, пока не достигнет точки перегиба, где он достигнет режима стабилизированного теплового потока. Если градиент стабилизированного режима проецируется выше точки перегиба до его пересечения с современной среднегодовой температурой, высота этого пересечения над уровнем современной поверхности дает меру степени поднятия и эрозии голоцена. В областях голоцена проседания и отложений (рис. 2) начальный градиент будет ниже среднего до тех пор, пока не достигнет точки перегиба, где он присоединится к стабилизированному режиму теплового потока.
Изменение температуры поверхности, вызванное климатическими изменениями и циклом Миланковича, может проникать под поверхность Земли и вызывать колебания геотермического градиента с периодами, отличными от суточных. до десятков тысяч лет и амплитуды, которая уменьшается с глубиной и имеет масштаб глубины в несколько километров. Талая вода из полярных ледяных шапок, текущая по дну океана, имеет тенденцию поддерживать постоянный геотермический градиент по всей поверхности Земли.
Если скорость повышения температуры с увеличением глубины, наблюдаемая в неглубоких скважинах, будет сохраняться на больших глубинах температура глубоко внутри Земли скоро достигнет точки, при которой камни плавятся. Однако мы знаем, что мантия Земли твердая из-за передачи S-волн. Температурный градиент резко уменьшается с глубиной по двум причинам. Во-первых, механизм теплопереноса изменяется от теплопроводности, как внутри жестких тектонических плит, до конвекции в той части мантии Земли, которая конвектирует. Несмотря на свою твердость, большая часть мантии Земли в течение длительного времени ведет себя как жидкость, а тепло переносится посредством адвекции, или материального транспорта. Во-вторых, производство радиоактивного тепла сосредоточено в земной коре, особенно в верхней части земной коры, в виде концентраций урана, тория и калий там самый высокий: эти три элемента являются основными производителями радиоактивного тепла на Земле. Таким образом, геотермический градиент в толще мантии Земли составляет порядка 0,5 кельвина на километр и определяется адиабатическим градиентом, связанным с материалом мантии (перидотит в верхней мантии
