Жер қойнауының температуралық градиенті

Кіріспе

Жердің ішкі тереңдігіне қарай температураның өсу қарқыны

Геотермальдық градиент – Жердің ішкі тереңдігіне қарай температураның өзгеру қарқыны. Жалпы ереже бойынша, жер қыртысының температурасы тереңдікпен бірге артады, себебі қатты ыстық мантиядан жылу ағыны байқалады; тектоникалық тақта шекараларынан алыс жерлерде, температура континенттік қабықтың бетінде шамамен 25–30 °C/км (72–87 °F/миль) немесе мК/м жылдамдықпен өседі. Бұлардың барлығы эквивалентті шамалар. Жердің ішкі жылуы планеталық аккрециядан қалған жылу, радиоактивті ыдырау нәтижесінде пайда болатын жылу, ядроның кристалдануынан туындаған жасырын жылу және басқа да көздерден алынған жылудың комбинациясынан тұрады. Жерде жылу өндіретін негізгі нуклидтер – калий-40, уран-238, уран-235 және торий-232. Ішкі ядроның температурасы 4000-тан 7000 К-қа дейін жетеді деп есептеледі, ал планета ортасындағы қысым шамамен 360 ГПа (3,6 миллион атмосфера) құрайды. (Дәл мәні Жердегі тығыздық профиліне байланысты.) Жылудың көп бөлігі радиоактивті ыдырау арқылы қамтамасыз етілетіндіктен, ғалымдар Жер тарихының алғашқы кезеңдерінде, жартылай ыдырау мерзімі қысқа нуклидтер сарқылып кетпес бұрын, Жердің жылу өндірісі әлдеқайда жоғары болған деп санайды. Шамамен 3 миллиард жыл бұрын жылу өндірісі қазіргі көрсеткіштен екі есе көп болды.

Геотермальдық градиенттің жоғарғы бөлігі атмосфералық температураға тәуелді. Қатты планетаның ең үстіңгі қабаттары жергілікті ауа райының температурасында болады, ал жердің, тау жыныстарының типіне байланысты, шамамен 10-20 метр тереңдікте жердің жылдық орташа температурасына (ЖОТ) дейін төмендейді; көптеген жер асты жылу сорғылары осы тереңдікті пайдаланады. Жоғары жүз метрлер бұрынғы климаттың өзгеруін көрсетеді; одан тереңге түскенде, ішкі жылу көздерінің үстемдігі күшейе бастаған сайын жылу тұрақты түрде артады.

Жылу ағыны

Жылу үнемі Жердің ішкі көздерінен жер бетіне ағып тұрады. Жерден жылудың жалпы жоғалуы 44,2 ТВт (4,42 × 1013 Вт) деп бағаланады. Орташа жылу ағыны континенттік қабықта 65 мВт/м², ал мұхит қабығында 101 мВт/м² құрайды. ), бірақ литосфера жұқа болатын аймақтарда, мысалы, мұхит ортасындағы қырқалар (жаңа мұхит литосферасы пайда болатын жерлерде) және мантия қалыңдықтарының жанында одан да шоғырланған. Жер қыртысы тиімді түрде астындағы жылуды босату үшін магма, су немесе басқа сұйықтық арналарымен тесілуі керек қалың оқшаулағыш жамылғы болып табылады. Жердегі жылудың көп бөлігі теңіз ортасындағы қырқалармен байланысты мантияның жоғары көтерілуі арқылы жоғалады. Жылудың жоғалуының тағы бір маңызды жолы – литосфера арқылы жылу өткізгіштігі, оның көп бөлігі мұхиттарда жүзеге асады, себебі мұндағы жер қыртысы континенттерге қарағанда әлдеқайда жұқа және жас. Жердің жылуы радиоактивті ыдырау арқылы 30 ТВт жылдамдығымен толықтырылады. Жалпы геотермалық ағын мөлшері барлық бастапқы көздерден адамзаттың энергия тұтыну деңгейінен екі еседен астам. Жылу ағынының тығыздығы туралы жаһандық деректерді IASPEI/IUGG Халықаралық жылу ағыны комиссиясы (IHFC) жинап, жүйелейді.

Тікелей қолдану

Жердің ішкі бөлігінен келетін жылу энергия көзі ретінде пайдаланылуы мүмкін, ол геотермальдық энергия деп аталады. Геотермальдық градиент ежелгі римдіктер заманынан бастап кеңістікті жылыту және шомылу үшін, ал соңғы кезде электр энергиясын өндіру үшін қолданылып келеді. Адам халқының өсуімен қатар энергия тұтыну да артып, оған сәйкес жаһандық энергия көздеріне тән экологиялық әсер де күшейеді. Бұл жаңаруға жарамды энергия көздерін табуға және парниктік газдар шығарылымдарын азайтуға қызығушылықты арттырды. Геотермальдық энергия тығыздығы жоғары аймақтарда қолданыстағы технологиялардың арқасында жоғары температураға байланысты электр қуатын өндіруге болады. Геотермальдық ресурстардан электр энергиясын өндіру үшін отын қажет емес, сонымен қатар 90%-дан асып түсетін сенімділік деңгейімен тұрақты базалық жүктеме энергиясын қамтамасыз етеді. Польшадағы Сувалки суық аномалиясы Плейстоцен-Голоцендік климаттық өзгерістерге байланысты ұқсас жылулық бұзылыстар Польшадағы, Аляскадағы, Канаданың солтүстігіндегі және Сібірдегі бұрғылауларда тіркелгенін көрсетті. Голоцендік көтерілу және эрозия аймақтарында (1-суретте көрсетілгендей) тереңге дейінгі градиент тұрақтанған жылу ағыны режиміне жеткенше (суретте "Инфлексия нүктесі" деп белгіленген) жоғары болады. Егер тұрақтанған режимнің градиенті осы нүктеден жоғары, қазіргі жылдық орташа температурамен қиылысқанға дейін проекцияланса, осы қиылыстың қазіргі жер бетінен биіктігі Голоцендік көтерілу мен эрозияның шамасын анықтауға мүмкіндік береді. Голоцендік шөгу және шөгінді жиналу аймақтарында (2-суретте көрсетілгендей) бастапқы градиент орташа көрсеткіштен төмен болады, тұрақтанған жылу ағыны режиміне қосылатын нүктеге жеткенше. Жер бетіндегі температураның күнделікті, маусымдық немесе климаттық өзгерістер мен Миланкович циклының әсерінен болатын ауытқулары Жер бетіне еніп, геотермальдық градиентте бір күннен он мың жылға дейінгі кезеңдермен және тереңдікке қарай азаятын амплитудамен тербелістер тудырады. Ең ұзақ кезеңдік өзгерістердің тереңдігі бірнеше километрге жетеді. Мұхит түбімен ағатын полярлық мұз қапақтарының еріген суы Жер беті бойында тұрақты геотермальдық градиентті сақтауға көмектеседі.

Heat from Earth's interior can be used as an energy source, known as geothermal energy. The geothermal gradient has been used for space heating and bathing since ancient Roman times, and more recently for generating electricity. As the human population continues to grow, so does energy use and the correlating environmental impacts that are consistent with global primary sources of energy. This has caused a growing interest in finding sources of energy that are renewable and have reduced greenhouse gas emissions. In areas of high geothermal energy density, current technology allows for the generation of electrical power because of the corresponding high temperatures. Generating electrical power from geothermal resources requires no fuel while providing true baseload energy at a reliability rate that constantly exceeds 90%. The Suwałki cold anomaly in Poland has led to the recognition that similar thermal disturbances related to Pleistocene Holocene climatic changes are recorded in boreholes throughout Poland, as well as in Alaska, northern Canada, and Siberia. In areas of Holocene uplift and erosion (Fig. 1) the shallow gradient will be high until it reaches a point (labeled "Inflection point" in the figure) where it reaches the stabilized heat flow regime. If the gradient of the stabilized regime is projected above this point to its intersection with present day annual average temperature, the height of this intersection above present day surface level gives a measure of the extent of Holocene uplift and erosion. In areas of Holocene subsidence and deposition (Fig. 2) the initial gradient will be lower than the average until it reaches a point where it joins the stabilized heat flow regime. Variations in surface temperature, whether daily, seasonal, or induced by climate changes and the Milankovitch cycle, penetrate below Earth's surface and produce an oscillation in the geothermal gradient with periods varying from a day to tens of thousands of years, and an amplitude which decreases with depth. The longest period variations have a scale depth of several kilometers. Melt water from the polar ice caps flowing along ocean bottoms tends to maintain a constant geothermal gradient throughout Earth's surface.

Теріс геотермиялық градиент

Теріс геотермиялық градиенттер температура тереңдікпен бірге төмендеген кезде пайда болады. Бұл жер бетіне жақын, алғашқы жүз метрлерде байқалады. Тау жыныстарының жылу өткізгіштігі төмен болғандықтан, жер астындағы терең температуралар күндізгі немесе тіпті жылдық жер беті температурасының өзгеруіне дерлік емес. Сондықтан, бірнеше метр тереңдікте жер асты температурасы жылдық орташа жер беті температурасына ұқсас болады. Көбірек тереңдікте жер асты температуралары өткен климаттың ұзақ мерзімді орташа көрсеткіштерін көрсетеді, сондықтан ондаған метрден жүздеген метрге дейінгі тереңдіктегі температуралар соңғы жүздерше, мыңдаған жылдардағы климат туралы ақпарат береді. Орналасқан жеріне байланысты, бұл температуралар соңғы мұз дәуіріндегі суық ауа райының немесе соңғы климат өзгерістерінің салдарынан қазіргі температурадан төмен болуы мүмкін. Теріс геотермиялық градиенттер субдукция аймақтарында да кең ауқымда кездеседі. Субдукция аймағы – тектоникалық тақта шекарасы, онда мұхиттық қабық жоғары тығыздығына байланысты мантияға батып кіреді. Батып кіретін тақта жылына бірнеше сантиметр жылдамдықпен мантияға енгендіктен, жылу өткізгіштік оны бату кезінде жеткілікті түрде қыздыра алмайды. Сондықтан, батып кіретін тақтаның температурасы қоршаған мантиядан төмен болады, нәтижесінде теріс геотермиялық градиент пайда болады.