Геотермический градиент и тепловой поток Земли

Введение

Скорость повышения температуры с глубиной в земных недрах

Геотермальный градиент – это скорость изменения температуры при увеличении глубины в земных недрах. Как правило, температура земной коры повышается с глубиной из-за теплового потока от гораздо более горячей мантии; вдали от границ тектонических плит температура возрастает примерно на 25–30 °C/км (72–87 °F/милю) глубины вблизи поверхности в континентальной коре, или мК/м. Все эти значения эквивалентны. Внутреннее тепло Земли образуется за счет сочетания остаточного тепла от планетарной аккреции, тепла, выделяющегося при радиоактивном распаде, скрытой теплоты кристаллизации ядра и, возможно, тепла из других источников. Основными теплообразующими нуклидами на Земле являются калий-40, уран-238, уран-235 и торий-232. Считается, что температура внутреннего ядра находится в диапазоне от 4000 до 7000 К, а давление в центре планеты составляет около 360 ГПа (3,6 миллиона атмосфер). (Точное значение зависит от профиля плотности Земли.) Поскольку значительная часть тепла обеспечивается радиоактивным распадом, ученые полагают, что в ранней истории Земли, до истощения нуклидов с коротким периодом полураспада, теплопродуктивность Земли была значительно выше. Примерно 3 миллиарда лет назад теплопродуктивность была вдвое больше, чем сейчас.

На вершину геотермального градиента влияет температура атмосферы. Самые верхние слои твердой планеты имеют температуру, определяемую местными погодными условиями, которая снижается примерно до среднегодовой средней температуры грунта (MAGT) на небольшой глубине около 10–20 метров, в зависимости от типа грунта и породы и т.д.; именно на этой глубине работают многие тепловые насосы, использующие тепло земных недр. Верхние сотни метров отражают прошлые изменения климата; при дальнейшем погружении тепло неуклонно возрастает, поскольку начинают доминировать внутренние источники тепла.

Тепловой поток

Тепло постоянно поступает из источников внутри Земли на поверхность. Общая потеря тепла Землей оценивается в 44,2 ТВт (4,42 × 1013 Вт). Средний тепловой поток составляет 65 мВт/м² в области континентальной коры и 101 мВт/м² в области океанической коры. ), но он гораздо более концентрирован в районах с тонкой литосферой, таких как срединно-океанические хребты (где формируется новая океаническая литосфера) и вблизи мантийных плюмов. Земная кора эффективно функционирует как толстое теплоизолирующее одеяло, которое должно быть пробито флюидными каналами (магмы, воды или других веществ) для высвобождения тепла, находящегося под ней. Большая часть тепла Земли рассеивается посредством тектоники плит, в результате подъема мантии, связанного со срединно-океаническими хребтами. Другой важный способ потери тепла – теплопроводность через литосферу, большая часть которой происходит в океанах из-за значительно меньшей толщины и молодости коры по сравнению с континентами. Тепло Земли восполняется за счет радиоактивного распада со скоростью 30 ТВт. Глобальные геотермальные потоки более чем в два раза превышают темпы потребления энергии человеком из всех первичных источников. Международная комиссия по тепловым потокам (IHFC) при IASPEI/IUGG собирает и обобщает глобальные данные о плотности теплового потока.

Прямая подача

Тепло из недр Земли может использоваться в качестве источника энергии, известного как геотермальная энергия. Геотермальный градиент использовался для отопления и бань с древних римских времен, а в последнее время – для выработки электроэнергии. По мере роста населения растет и потребление энергии, а также сопутствующее воздействие на окружающую среду, характерное для глобальных первичных источников энергии. Это вызвало растущий интерес к поиску возобновляемых источников энергии, обеспечивающих снижение выбросов парниковых газов. В районах с высокой плотностью геотермальной энергии современные технологии позволяют генерировать электроэнергию благодаря соответствующим высоким температурам. Выработка электроэнергии из геотермальных ресурсов не требует топлива, обеспечивая надежную базовую нагрузку с коэффициентом надежности, постоянно превышающим 90%. Сувалкская холодная аномалия в Польше привела к осознанию того, что подобные тепловые возмущения, связанные с климатическими изменениями плейстоцена и голоцена, регистрируются в скважинах по всей Польше, а также на Аляске, в северной Канаде и Сибири. В районах голоценового поднятия и эрозии (рис. 1) поверхностный градиент будет высоким до достижения точки (обозначенной как «точка перегиба» на рисунке), где он переходит в установившийся режим теплового потока. Если градиент установившегося режима спроецировать выше этой точки до пересечения со средней годовой температурой в настоящее время, высота этого пересечения над современным уровнем поверхности даст оценку степени голоценового поднятия и эрозии. В районах голоценового опускания и отложения (рис. 2) начальный градиент будет ниже среднего до достижения точки соединения с установившимся режимом теплового потока. Изменения температуры поверхности, будь то суточные, сезонные или вызванные изменениями климата и циклом Миланковича, проникают под поверхность Земли и вызывают колебания геотермального градиента с периодами от одного дня до десятков тысяч лет и амплитудой, уменьшающейся с глубиной. Колебания с самым большим периодом имеют глубину порядка нескольких километров. Талая вода из полярных ледяных шапок, стекающая по дну океана, способствует поддержанию постоянного геотермального градиента по всей поверхности Земли.

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.

Отрицательный геотермальный градиент

Отрицательные геотермальные градиенты возникают там, где температура понижается с глубиной. Это наблюдается в верхних нескольких сотен метров у поверхности. Из-за низкой теплопроводности горных пород, глубокие подземные температуры практически не подвержены суточным и даже годовым колебаниям температуры поверхности. На глубине нескольких метров подземная температура приближается к среднегодовой температуре поверхности. На больших глубинах подземные температуры отражают долгосрочное среднее значение климата за прошлые периоды, поэтому температуры на глубинах от десятков до сотен метров содержат информацию о климате последних сотен и тысяч лет. В зависимости от местоположения, они могут быть ниже современных температур из-за более холодных условий, существовавших близко к последнему ледниковому периоду, или в результате более поздних изменений климата. Отрицательные геотермальные градиенты также наблюдаются в крупных масштабах в зонах субдукции. Зона субдукции – это граница тектонической плиты, где океаническая кора опускается в мантию из-за более высокой плотности океанической плиты по сравнению с нижележащей мантией. Поскольку погружающаяся плита опускается в мантию со скоростью в несколько сантиметров в год, теплопроводность не успевает нагреть плиту так быстро, как она погружается. Следовательно, температура погружающейся плиты ниже температуры окружающей мантии, что и приводит к отрицательному геотермальному градиенту.