Тепловой режим земной коры кратко

Обновлено: 02.07.2024

В ядре Зеилия максимальная температура достигает 4000 °С. Выход тепла через твердые породы суши и океанского дна происходит главным образом за счет теплопроводности (геотермальное тепло) и реже – в виде конвективных потоков расплавленной магмы или горячей воды. Средний поток геотермального тепла через земную поверхность составляет примерно 0,06 Вт/м 2 при температурном градиенте менее 30°С/км. Этот непрерывный поток тепла обычно сравнивают с аналогичными величинами, связанными с другими возобновляемыми источниками и в среднем в сумме составляющими 500 Вт/м2. Однако имеются районы с повышенными градиентами температуры, где потоки составляют примерно 10…20 Вт/м 2 , что позволяет реализовать геотермальные станции тепловой мощностью 100 МВт/км 2 и продолжительностью срока эксплуатации не менее 20 лет.

Критерием теплового состояния земного шара является поверхностный градиент температуры, позволяющий судить о потерях тепла Земли. Экстраполируя градиент на большие глубины, можно в какой-то степени оценить температурное состояние земной коры. Величина, соответствующая углублению в метрах, при котором температура повышается на 1°С, называется геотермической ступенью.

В связи с изменением интенсивности солнечного излучения тепловой режим первых 1,5…40 м земной коры характеризуется суточными и годовыми колебаниями. Далее имеют место многолетние и вековые колебания температуры, которые с глубиной постепенно затухают.

На любой глубине температура горных пород (T) приближенно может быть определена по формуле:

где в – средняя температура воздуха данной местности; – глубина, для которой определяется температура; – глубина слоя постоянных годовых температур; – геотермическая ступень.

Средняя величина геотермической ступени равна 33 м, и с углублением от зоны постоянной температуры на каждые 33 м температура повышается на 1°С. Геотермические условия чрезвычайно разнообразны. Это связано с геологическим строением того или иного района Земли. Известны случаи, когда увеличение температуры на 1°С происходит при углублении на 2…3 м. Эти аномалии обычно находятся в областях современного вулканизма. На глубине 400…600 м в некоторых районах, например Камчатки, температура доходит до 150…200°С и более.

В настоящее время получены данные о довольно глубоком промерзании верхней зоны земной коры. Геотермические наблюдения в зоне вечной мерзлоты позволили установить, что мощность мерзлых горных пород достигает 1,5 тыс. м. Так, в районе реки Мархи (приток Вилюя) на глубине 1,8 тыс. м температура составляет всего лишь 3,6°С. Здесь геотермическая ступень составляет 500 м на 1°С. На отдельных платформенных частях территории (на Русской платформе) температура с глубиной примерно следующая: 500 м – не выше 20°С, 1 тыс. м – 25…35°С; 2 тыс. м – 40…60°С; 3…4 тыс. м – до 100°С и более.

Качество геотермальной энергии обычно невысокое, и лучше его использовать непосредственно для отопления зданий и других сооружений или же для предварительного подогрева рабочих тел обычных высокотемпературных установок. Подобные отопительные системы уже эксплуатируются во многих частях света. Если тепло из недр получают при температуре около 150°С, то имеет смысл говорить о преобразовании его в электроэнергию.

Наиболее просто использовать тепло пород с помощью тепловых насосов.

Часть источников геотермальной энергии можно отнести непосредственно к возобновляемым источникам энергии, потому что их тепло так или иначе рассеивается в окружающей среде, подобно теплу горячих ключей и гейзеров. В других же источниках потоки тепла приходится увеличивать, искусственно пробуривая скважины в природные накопители горячих вод, создавая разрывы и активизируя охлаждение горячих горных пород, и поэтому они не могут оставаться возобновляемыми в течение длительного времени.

Внутренняя структура планеты показана на рис. 10.1.

Рисунок 10.1 – Внутреннее строение Земли

Теплопередача от полужидкой мантии поддерживает температурную разность между внешней и внутренней поверхностями сравнительно тонкой коры около 1000°С при среднем градиенте температур около 30°С/км.

Твердые породы, слагающие кору, имеют среднюю плотность 2700 кг/м 3 , теплоемкость 1000 Дж/(кг·К) и теплопроводность 2 Вт/(м·К). Поэтому средний геотермальный поток составляет примерно 0,06 Вт/м 2 , а примерно 1020 Дж/км 2 в виде тепла аккумулировано в коре. Если за 30 лет преобразовать хотя бы 0,1% этого тепла, то тепловая мощность, которую можно получить, составит 100 МВт/км 2 . Эти оценки дают представление о ресурсах тепловой энергии и показывают, что геотермальный источник обладает огромным потенциалом.

Земная кора получает тепло в результате: естественного охлаждения и трения ядра; радиоактивного распада элементов, подобных торию и урану; химических реакций. Постоянные времени этих процессов настолько велики по отношению к времени существования Земли, что невозможно даже оценить, увеличивается ее температура или уменьшается. Радиоактивные элементы концентрируются в коре путем фракционной рекристаллизации из расплавов, особенно много их в граните. В течение многих миллионов лет радиационный распад и химические реакции являются единственным источником тепла, а геотермальная энергетика предполагает выведение тепла, запасенного в тепловых хранилищах в толще коры.

Если теплопроводность – единственный механизм теплопередачи, то при распространении тепла через однородные материалы от мантии к поверхности Земли градиент температуры будет постоянным. Он повышается в зонах с плохо проводящими тепло твердыми включениями и снижается в зонах повышенного теплообмена, например насыщенных водой породах, где возникает конвективный перенос тепла. Аномально высокие температурные градиенты часто наблюдаются в местах расположения радиоактивных или экзотермических химических источников.

Земная кора состоит из огромных платформ. Зонам границ платформ соответствует усиление теплового взаимодействия коры с мантией, сопровождающееся сейсмической активностью, наличием вулканов, гейзеров, фумарол и горячих ключей. Потенциал геотермальной энергии этих районов очень велик, им соответствует увеличение температурных градиентов до 100°С/км и активация высвобождения воды в виде пара или перегретой жидкости, часто находящихся под повышенным давлением.

Из-за аномалий в структуре коры районы с умеренным увеличением температурных градиентов (примерно до 50°С) встречаются и на достаточном удалении от границ платформ. В таких районах тепло может высвобождаться естественным образом из-за проникновения воды в зону подогрева, сопровождающегося интенсивным конвективным теплообменом. В результате возникают горячие источники с повышенной концентрацией растворенных химических веществ, часто известные как целебные. Глубоко залегающие зоны подогрева с помощью бурения могут стать источниками тепла с температурой от 50 до 200°С. Если подобные аномалии связаны с материалами, имеющими низкую теплопроводность, например сухими скальными породами, то повышение температурных градиентов достигается за счет относительного увеличения запасенного в породах тепла.

Сведения о геотермальных структурах получают при геологической съемке, проходке шахт, нефтяных скважин. Наиболее важным параметром является температурный градиент, точность измерения которого зависит от сохранения в скважине в процессе бурения невозмущенного поля температур. При глубоком бурении скважин обычно достигают отметки 6 км, но технология бурения остается такой же до глубины 15 км. Технология обустройства таких скважин вполне отработана, так что применительно к строительству ГеоТЭС эта проблема может считаться решенной.

Принято выделять три класса геотермальных районов.

Геотермальный. Температурный градиент – более 80°С/км. Эти районы расположены в тектонической зоне вблизи границ континентальных плит. Первый такой район был задействован для производства электроэнергии в 1904 г. вблизи Лардерелло (Тоскана, Италия). Почти все из существующих ГеоТЭС размещены именно в таких районах.

Полутермальный. Температурный градиент – примерно от 40 до 80°С/км. Подобные районы связаны главным образом с аномалиями, лежащими в стороне от границ платформ. Извлечение тепла производится из естественных водоносных пластов или из раздробленных сухих пород. Хорошо известный пример такого района находится вблизи Парижа и используется для обогрева зданий.

Нормальный. Температурный градиент – менее 40°С/км. Такие районы наиболее распространены, именно здесь тепловые потоки в среднем составляют примерно 0,06 Вт/м2. Маловероятно, чтобы в таких районах даже в будущем стало экономически выгодно извлекать тепло из недр.

В каждом из перечисленных классов в принципе можно получать тепло за счет:

- естественной гидротермальной циркуляции, при которой вода проникает в глубоко залегающие породы, где превращается в сухой пар, пароводяную смесь или просто нагревается до достаточно высокой температуры. Соответствующие выходы наблюдаются в природных условиях. Если на глубине давление возрастает в результате парообразования, то могут возникнуть гейзеры. Эжектируется в этом случае именно горячая вода, а не пар;

- искусственного перегрева, связанного с охлаждением полурасплавленной магмы, застывающей в виде лавы. Первой ГеоТЭС, использующей этот принцип, была станция мощностью 3 МВт, построенная на Гавайах в 1982 году;

- охлаждения сухих скальных пород. Обладающие достаточно низкой теплопроводностью сухие скальные породы в течение миллионов лет накапливают тепло. Создание искусственных разрывов в породах позволяет прокачивать через них воду, отбирая тепло.

На практике ГеоТЭС в гипертермальных районах работают на естественной гидротермальной циркуляции; в полутермальных районах используется как естественная гидротермальная циркуляция, так и искусственный перегрев за счет извлечения тепла из сухих горных пород.

Нормальные же районы обладают слишком малыми температурными градиентами, чтобы предоставлять коммерческий интерес.

10.2. Виды и свойства геотермальных источников
энергии

Сухие скальные породы

Предположим, что определенная масса сухого скального материала расположена в толще коры сравнительно недалеко от поверхности.

Структура системы из сухих горных пород изображена на рис. 10.2.

Рисунок 10.2 – Структура системы из сухих горных пород:

– площадь; – поверхностная температура; – минимальная полезная температура; – температура на максимальной глубине

Скальные температуры имеют плотность , удельную теплоемкость , площадь поперечного сечения рассматриваемого массива . Для однородного материала в отсутствие конвекции с глубиной температура будет увеличиваться линейно. Если глубина растет по направлению от поверхности Земли (где =0), то:

где – температурный градиент.

Положим, что минимальная допустимая температура соответствует глубине , таким образом:

Полезное теплосодержание в элементе толщиной на глубине при температуре

Ограждение места работ сигналами на перегонах и станциях: Приступать к работам разрешается только после того, когда.

Основные научные достижения Средневековья: Ситуация в средневековой науке стала меняться к лучшему с.

Тест Тулуз-Пьерон (корректурная проба): получение информации о более общих характеристиках работоспособности, таких как.

Земная кора находится под воздействием внутренних и внешних источников теплоты. Внутренняя теплота Земли связана с выделением тепла из ядра и мантии, вследствие распада радиоактивных элементов (урана, тория, калия и др.). Это так называемое радиогенное тепло, которое предопределяет развитие внутренних (эндогенных) геологических процессов. Другими источниками внутренней тепловой энергии являются гравитационная дифференциация вещества и приливное трение, возникающее при замедлении вращения Земли из-за приливного взаимодействия с Луной и Солнцем.

Внешняя теплота Земли обусловлена мощным солнечным излучением в количестве 5,26 • 10 15 МДж в год.

Тем не менее решающее влияние на температурный режим самой верхней части земной коры оказывает солнечная радиация (99,5 %) и в значительно меньшей степени энергия недр планеты (0,5%). Однако значение последней с глубиной постоянно возрастает.

Источниками теплового поля Земли являются процессы, протекающие в ее недрах, и тепловая энергия Солнца. К внутренним источникам тепла относят радиогенное тепло, которое создается благодаря распаду рассеянных в горных породах изотопов урана, тория, калия и иных радиоактивных элементов, и тепло, обусловленное различными процессами, протекающими в Земле (гравитационной дифференциацией, плавлением, химическими реакциями с выделением или поглощением тепла, деформацией за счет приливов под действием Луны и Солнца и некоторыми другими). Тепловая энергия перечисленных источников, высвобождающаяся на земной поверхности в единицу времени, значительно выше энергии тектонических, сейсмических, гидротермальных процессов.

Тепловой режим Земли — совокупность факторов, определяющих распределение температур и тепловых потоков на планете Земля.

Содержание

Общая характеристика

Солнечная энергия

Общие данные

Солнце является источником тепла и света на Земле. Оно излучает в мировое пространство громадное количество энергии, часть которой перехватывает земля. Количество тепла, даваемое солнцем, достаточно для того, чтобы расплавить ежегодно слой льда мощностью в 36 м, покрывающий всю земную поверхность при t = 0°. Другие источники энергии ничтожны. Луна и звёзды нам посылают очень мало тепла. Собственная теплота земли оказывает ничтожное действие на температуру земной поверхности и прилегающих слоёв атмосферы. 1 кв. см земной поверхности получает благодаря ей только 54 м кал в год, что составляет около 1/5000 доли тепла, посылаемого солнцем. Нагревание Земли, следовательно, происходит, главным образом, от Солнца.

Физическое описание солнечной энергии

Вся совокупность солнечной энергии (от инфракрасных до ультрафиолетовых лучей), посылаемой солнцем, называется солнечной радиацией. Общее количество тепла, полученного от солнца в 1 минуту 1 кв. см вычерненной поверхности, поставленной перпендикулярно (нормально) к солнечным лучам, называется напряжением солнечной радиации. Оно выражается в малых калориях и обозначается буквой I. Величина инсоляции, то есть того количества теплоты и света, которое получается от солнца в единицу времени, например в одну минуту, единицей поверхности, измеряется особыми приборами — актинометрами. и пиргелиометрами. Интенсивность инсоляции изменяется в зависимости от следующих условий. Во-первых, она зависит от расстояния земли от солнца. Как известно из физики, напряжение лучистой энергии изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника света и тепла.

Во-вторых, величина инсоляции зависит от угла падения лучей и прямо пропорциональна синусу угла, составляемого падающим лучом с поверхностью земли. Чем ближе этот угол к прямому, тем больше лучи дают тепла и света. Если пучок лучей падает вертикально, то он дает максимум тепла и света, а если горизонтально, то он совсем не дает тепла. Количество тепла, получаемое 1 кв. см горизонтальной поверхности, на основании законов физики, равно количеству тепла, получаемому 1 кв. см поверхности, направленной перпендикулярно к лучам, умноженному на синус угла, образованного лучами с горизонтальной поверхностью. Третьим фактором является продолжительность нагревания. Два последних фактора имеют особенно большое значение. В разных местах и в различные времена года определялась величина солнечной инсоляции, и из этих определений попытались вывести и величину солнечной постоянной, то есть количества энергии, получаемой в минуту при вертикальном падении лучей 1 кв. см черной поверхности, находящейся за пределами атмосферы, то есть когда лучи совершенно не задерживаются последней. Долгое время принималось определение Лангдея, который вычислил, что солнечная постоянная равняется 3 м кал (м. кал — количество тепла, потребное для нагревания 1 г воды на 1°). За последние годы точные наблюдения американских астрофизиков и других ученых в разных странах показали, что солнечная постоянная в среднем равна 1,94 м кал/кв. см мин. Эта солнечная постоянная однако, не остается постоянной и изменяется, во-первых, в связи с изменением расстояния земли от солнца и, во-вторых, в связи с колебаниями в самой радиации, испускаемой солнцем. Во время наименьшего расстояния земли от солнца (около 147 млн км) приток солнечной энергии на внешнюю границу атмосферы должен быть на 6,7 % больше, чем в момент наибольшего удаления (около 152 млн км). Что касается второй причины, влияющей на колебания величины солнечной постоянной, то замечено, что в годы с большим количеством солнечных пятен, когда поверхность солнца находится в наиболее деятельном состоянии, солнечная постоянная увеличивается приблизительно на 2 % по сравнению с годами минимального развития пятен.

Bходя в атмосферу, солнечная радиация частью поглощается и рассеивается, так что до поверхности земли достигает только оставшаяся часть. Когда солнце находится в зените, путь солнечной радиации через атмосферу наиболее короткий. Коэффициент прозрачности уменьшается при увеличении содержания в воздухе пыли, водяного пара (абсолютной влажности) и углекислого газа. Так как зимой меньше пыли и вследствие низкой температуры абсолютная влажность мала, то прозрачность воздуха больше, чем летом. У земной поверхности различают прямую солнечную радиацию и рассеянную. Рассмотренные выше формулы относятся к прямой солнечной радиации. Чем ниже солнце и, следовательно, длиннее путь солнечной радиации в атмосфере, тем больше рассеивается лучей. В пасмурную погоду в тени мы имеем дело с рассеянной солнечной радиацией. При этом нужно не забывать, что к ней всегда прибавляется лучеиспускание облаков и окружающих предметов (невидимая инфракрасная тепловая радиация).

Величина инсоляции претерпевает как суточное изменение, так годовое: изменение суточное происходит от вращения земли вокруг оси причем понятно, что при восходе солнца лучи его падают сначала в плоскости горизонта, а потом, когда солнце поднимается все выше и выше над горизонтом, то и лучи его падают под большим и большим углом, и вследствие этого инсоляция возрастает до 12 часов пня, а затем начинает уменьшаться. Кроме суточной периодичности, существует еще годовая, так как, кроме вращения вокруг своей оси, земля движется еще вокруг солнца, причем ось земли поставлена нe вертикально по отношению к эклиптике (то есть пути, по которому движется земля), а наклонно под углом в 66°33'.

Энергия подземных источников

Общие данные

Оценка температуры в недрах Земли

Тепловой поток зависит от градиента температуры. Если он положительный, то есть недра Земли излучают тепло, то температура должна повышаться с глубиной. Конечно, если исключить влияние локальной температуры поверхности, связанной, например, с солнечным теплом. Рост температуры с глубиной особенно ясно ощущается при бурении. Среднее значение геотермического градиента равно 20 С/км. Конечно, геотермический градиент зависит от местных условий. Температуру внутри Земли можно оценить из следующих соображений. Если предположить, что температурный градиент (не температура) не возрастает с глубиной, то на глубине 100 км температура не должна превосходить 2000 °C. Более точно для этих глубин определяют температуру по очагам вулканов, которая составляет приблизительно 1200 °C. Как известно по лабораторным исследованиям и данным сейсмологии, на глубинах 400 км происходят фазовые переходы минералов — , а температура этих переходов 160050 °C.

Поскольку мантия Земли по отношению к сейсмическим волнам ведет себя как твердое тело, то за верхний предел температуры обычно берут границу температур плавления. Температура плавления силикатов, составляющим мантию, на границе ядро-мантия, составляет приблизительно 5000К при давлении 1,4 млн бар. Земное ядро находится в расплавленном состоянии. Оно, в основном, состоит из железа, температура плавления которого при давлении 1,4 млн бар составляет 4600 К. Температуру в центре ядра Земли оценивают в 6000 К.

Тепловой поток определяют как на суше, так и на море. Измерения показали, что величина теплового потока зависит от геологии региона. В наиболее древних регионах, например, на докембрийских щитах тепловой поток составляет 0.92 мккал/смс, а в вулканических областях, исключая геотермальные районы, 2,16 мккал/смс. На океанах наибольший тепловой поток наблюдается на подводных хребтах, а наименьший — в глубоководных желобах. Неразгаданная тайна Одной из загадок природы геофизики считают приблизительное равенство тепловых потоков на океанах и континентах, хотя толщины земной коры отличаются значительно. Среднее значение теплового потока на континентах составляет 1,55, а на океанах 1,50 мккал в секунду с квадратного сантиметра. Существует несколько гипотез, объясняющих это явление. Объясняют либо степенью дифференциации радиоактивных элементов либо конвекцией в верхней мантии. Хотя до конца этот вопрос остается не изученным.