Источники тепла в ядре земли реферат

Обновлено: 02.07.2024

Тепловая энергия недр образуется за счет расщепления радионуклидов в раскаленном ядре нашей планеты. Тепло Земли выходит наружу посредством жерла вулканов и гейзеров. Геотермальные ресурсы среди нетрадиционных источников энергии занимают ведущее место. В частности, в мировом производстве электроэнергии они занимают более 60 %.

Главными потребите-лями геотермальных ресурсов на ближайшую и отдаленную перспек-тиву несомненно будут теплоснабжение (обогрев помещений, купален, рыболовства и теплиц) и, в значительно меньшей мере, выработка электроэнергии.

Из истории развития геотермальной энергетики

Идея об использовании тепла Земли для получения электричества пришла в голову итальянскому маркизу Джинори Конти, наследнику фарфорового бизнеса. В 1904 году Конти провёл научный опыт при помощи экспериментальной установки, им же созданной. Всего девять лет понадобилось для запуска первой промышленной геотермальной электростанции. Её мощность составляла 250 кВт. С 1916 г. в Италии началось организованное производство установок.

1.Месторождения геотермального сухого пара.

Разработать их не составляет труда, но месторождения эти довольно немногочисленны и встречаются крайне редко. Тем не менее, в настоящее время каждая вторая геотермальная станция использует именно эти источники.

2. Источники горячего пара.

Фактически это соединение горячей воды и пара. Для использования этого дара природы необходимо решить комплекс вопросов, позволяющих избежать коррозии применяемого на станции оборудования. Также может ухудшиться экологическое состояние окружающей среды.

3. Месторождения геотермальной воды.

Они, в свою очередь, бывают двух типов: чисто водные месторождения или смеси воды и пара. Это своеобразные резервуары, которые образуются вследствие заполнения влагой подземных полостей. Там скапливаются атмосферные осадки, которые нагреваются магмой.

4. Сухие горячие скальные породы.

Вследствие воздействия магмы они сильно нагреваются, их залежи находятся примерно на двухкилометровой глубине, именно этот вид геотермальных источников наиболее распространён.

5. Магма, которая представляет собой сильно разогретые (до 1300 градусов) горные породы.

4. Использование тепла

Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных глубин. Воду и смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии, либо одновременно для всех трех целей.

Высокотемпературное тепло околовулканического района и сухих горных пород предпочтительно использовать для выработки электроэнергии и теплоснабжения. От того, какой источник геотермальной энергии используется, зависит устройство станции.

5. Виды геотермальных станций

Существует 3 типа геотермальных установок.

К первому относятся станции, основой для работы которых являются месторождения сухого пара. Чтобы получить требующуюся энергию пар пропускается через турбину или генератор.

Второй тип – это станции с сепаратором. Они эксплуатируют месторождения горячей воды под давлением. Вода поднимается вверх по скважине и поступает в сепаратор.

Не прямая схема получения - наиболее популярный тип геотермальных станций в мире. Их работу обеспечивают горячие подземные воды, которые закачиваются под высоким давлением в генераторные установки. Происходит нагнетание гидротермального раствора в испаритель для снижения давления.

Часть раствора испаряется, образовавшийся пар, заставляет работать турбину. Оставшаяся жидкость также может приносить пользу.

Третий тип - станции, применяющие бинарный цикл работы, заключающийся в использовании двух типов вод – горячей и умеренной.
Оба потока пропускаются через теплообменник. Более горячая жидкость выпаривает более холодную, и образуемые вследствие этого процесса пары приводят в действие турбины.

Система является замкнутой, и это позволяет избежать выбросов в атмосферу.

6. Запасы геотермальной энергии

Проведенные исследования указывают на то, что сердцевина Земли содержит гораздо большее количество теплоты, чем можно получить, расщепляя при помощи ядерных реакторов уран или торий.

Конечно, геотермальные источники энергии теоретически нельзя назвать возобновляемыми. Но представить, что они действительно в какой-то момент могут иссякнуть, невозможно.

Если вообразить, что только тепло Земли по каким-либо причинам останется пригодным для использования, то продёт сорок один миллион лет до того времени, когда температура недр понизится всего на полградуса.

На территории России прогнозные геотермальные ресурсы на доступных глубинах (до 5-6 км) в 4-6 раз превышают ресурсы углеводородов и по оценке ученых составляют для нужд теплоснабжения 57трлн. тонн условного топлива, в том числе для нужд отопления 30,5 трлн. тонн условного топлива.

7. Геотермальные ресурсы России

Камчатку и Курильские острова по своим климатическим условиям и по потенциалам в геотермальной энергетике можно сравнить лишь с Исландией.

Здесь, согласно исследованиям, геотермальная энергия способна полностью покрыть все энергозатраты.

В настоящее время геотермальные источники энергии обеспечивают на Камчатке до 25 процентов от общего энергопотребления: 50 МВт производится на Мутновской геотермальной электростанции, 12 МВт – на Верхне-Мутновской и 11 на Паужетской ГеоЭС.

Таким образом, общая мощность энергообъектов, действующих на основе геотермальных источ-ников, в области составляет 73 МВт – а это значительно помогает ослабить зависимость полуострова от дорого-стоящего привозного мазута.

Электростанция Мутновская, самая большая в регионе, находится в 120 километрах от города Петропавловск-Камчатский на высоте 1 км над уровнем моря, у подножья одноименного вулкана и состоит из двух энергоблоков, каждый мощностью по 25 МВт.

Первая установка вступила в действие в декабре 2001, вторая – в октябре 2002. Турбины приводятся в движение при помощи пара, температура которого составляет примерно 250°C, поступающего с глубины 300 метров.

Кроме того, сконденсированная вода из недр земли используется так же и для отопления соседнего населенного пункта.

8. Преимущества и недостатки

Достоинствами геотермальной энергии можно считать практическую неисчерпаемость ресурсов, независимость от внешних условий, времени суток и года, возможность комплексного использования термальных вод для нужд теплоэлектроэнергетики и медицины.

Недостатками ее являются высокая минерализация термальных вод большинства месторождений и наличие токсичных соединений и металлов, что исключает сброс вод в природные водоемы.

Перспективы развития геотермальной энергетики

Говорить об общих перспективах развития геотермальной энергетики можно, лишь рассматривая перспективы развития в конкретной стране. Каждый регион характеризуется собственными природными условиями, и это требует разных подходов к решению проблемы.

9. Заключение

Роль энергии неоспорима в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы, прямо или косвенно, большей энергии, чем могут дать ресурсы человека.

Потребление энергии – важный показатель жизненного уровня. За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан.

На пути широкого внедрения альтернативных источников энергии стоят трудно разрешимые экономические и социальные проблемы. Прежде всего это высокая капиталоемкость, вызванная необходимостью создания новой техники и технологии. Во-вторых, высокая материалоемкость : создание мощных ПЭС требует, к примеру, огромных количеств металла, бетона и т.д, В-третьих, под некоторые станции требуется значительное отчуждение земли или морской акватории. Кроме того, развитие использования альтернативных источников энергии сдерживается также нехваткой специалистов. Решение этих проблем требует комплексного подхода на национальном и международном уровне, что позволит ускорить их реализацию.

Практически на всей территории России имеются уникальные запасы геотермального тепла с температурами теплоносителя (вода, двухфазный поток и пар) от 30 до 200 С.

В последние годы в России на основе крупных фундаментальных исследований были созданы геотермальные технологии, способные быстро обеспечить эффективное применение тепла земли на ГеоЭС и ГеоТС для получения электроэнергии и тепла.

Геотермальная энергетика должна занять важное место в общем балансе использования энергии. В частности, для реструктуризации и перевооружения энергетики Камчатской области и Курильских островов и частично Приморья, Сибири и Северного Кавказа следует использовать собственные геотермальные ресурсы.

Широкомасштабное внедрение новых схем теплоснабжения с тепловыми насосами с использованием низкопотенциальных источников тепла позволит снизить расход органического топлива на 20-25%.

Для привлечения инвестиций и кредитов в энергетику следует выполнять эффективные проекты и гарантировать своевременный возврат заемных средств, что возможно только при полной и своевременной оплате электричества и тепла, отпущенных потребителям.

10. Список литературы

Прикрепленные файлы: 1 файл

Физика Земли.docx

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

Кафедра: Геофизические методы исследования скважин

Курс: Физика Земли

ТЕМА: Тепловое поле Земли и его параметры.

Студент гр. ГФ-11-01 Тимергалин А.Э. __________ (подпись)

Гарейшин З.Г. , доцент _________ (оценка) __________ (подпись)

Изучение теплового поля Земли в наше время весьма актуально, т.к. знание характеристик и поведения теплового поля позволяет использовать такой геофизический метод исследования скважин как терморазведка.

Геотермическая разведка (терморазведка) объединяет физические методы исследования естественного теплового поля Земли с целью изучения ландшафтов, термического режима земной коры и верхней мантии, выявления геотермических ресурсов, решения поисково-разведочных и инженерно-гидрологических задач. Меньшее применение находят методы искусственных тепловых полей. Тепловое поле определяется внутренними и внешними источниками тепла и тепловыми свойствами горных пород. При терморазведке регистрируют радиотепловое и инфракрасное излучение земной поверхности, измеряют температуру, ее вертикальный градиент или тепловой поток. Распределение этих параметров в плане и по глубине несет информацию о термических условиях и геологическом строении изучаемого района.

Основными задачами при изучении данной темы являются исследование основных источников теплового поля Земли и изучение его характеристик.

Источники теплового поля Земли.

Источники термического поля Земли делятся на внешние и внутренние. Внешним источником термического поля Земли является солнечная радиация. Хотя самое большое количество энергии Земля получает от Солнца, но лишь очень малая его часть проникает вглубь планеты. Остальная часть излучается обратно в пространство. Внешнее тепло проникает в тело Земли лишь на несколько метров. Внутренними источниками теплового поля Земли являются: распад радиоактивных изотопов U, Th, K; гравитационная дифференциация вещества; приливное трение; метаморфизм; фазовые переходы. По мнению большинства учёных основным источником внутреннего тепла Земли является распад радиоактивных элементов. Другие учёные считают основным источником гравитационную дифференциацию вещества.

Таблица. Энерговыделение на земле.

Упругая энергия землетрясений

Энергия, теряемая при замедлении вращения Земли

Тепло, выносимое при извержении вулканов

Характеристика теплового поля Земли.

Внутреннее тепловое поле отличается высоким постоянством. Оно не оказывает влияния на температуру вблизи земной поверхности или климат, так как энергия, поступающая на земную поверхность от Солнца, в 1000 больше, чем из недр. Вместе с тем среднее тепловое воздействие Солнца не определяет теплового состояния Земли и способно поддерживать постоянную температуру на поверхности Земли около 0º С. Фактически же благодаря изменению солнечной активности температура приповерхностного слоя воздуха, а с некоторым запаздыванием и температура горных пород изменяются.

Суточные, сезонные, многолетние и многовековые вариации солнечной активности приводят к соответствующим циклическим изменениям температур воздуха. Чем больше период цикличности, тем больше глубина их теплового воздействия. Например, суточные колебания температуры воздуха проявляются в почвенном слое глубиной 1 - 1,5 м. Это связано с переносом солнечного теплового потока за счет молекулярной теплопроводности пород и конвекции воздуха, паров воды, инфильтрирующихся осадков и подземных вод. Сезонные (годовые) колебания вызывают изменения температур на глубинах до 20 - 40 м. На таких глубинах теплопередача осуществляется в основном за счет молекулярной теплопроводности, а также движения подземных вод. На глубинах 20 - 40 м располагается нейтральный слой (или зона постоянных годовых температур). В нем температура остается практически постоянной и в каждом районе в среднем на 3,7º С выше среднегодовой температуры воздуха. Многовековые климатические изменения сказываются на вариациях температур сравнительно больших глубин. Например, похолодания и потепления в четвертичном периоде влияли на тепловой режим Земли до глубин 3 - 4 км.

Таким образом, если не учитывать многовековых климатических изменений, то можно считать, что ниже зоны постоянных температур (на глубинах свыше 40 м) влиянием цикличности солнечной активности можно пренебречь, а температурный режим пород определяется глубинным потоком тепла и особенностями термических свойств пород.

Ниже нейтрального слоя температура пород повышается в среднем на 3º С при погружении на каждые 100 м. Это объясняется наличием регионального теплового потока от источников внутреннего тепла Земли, поднимающегося к поверхности. Его величину принято характеризовать плотностью теплового потока (или просто тепловым потоком). Среднее значение теплового потока как на суше, так и в океанах одинаково и составляет 0,06 Вт/м², отклоняясь от него не более чем в 5 - 7 раз. Постоянство средних тепловых потоков суши и океанов при резком изменении мощностей и строения земной коры свидетельствует о различии в тепловом строении верхней мантии. Поэтому аномалии тепловых потоков, т.е. отклонения от установленных средних потоков, несут информацию о строении и земной коры, и верхней мантии.

Установлено, что основной источник тепла на континентах - энергия радиоактивного распада. Это объясняется большей концентрацией радиоактивных элементов в земной коре, чем в мантии. В океанах, где мощность земной коры мала, основным источником тепла являются процессы в мантии на глубинах до 700 - 1000 км. Радиогенное тепло является основным среди других видов тепловой энергии недр. За время существования Земли оно более чем в 2 раза превысило потери за счет теплопроводности.

Тепловой поток определяется не только природой и мощностью источников тепла, но и его переносом через горные породы. Тепло передается посредством молекулярной теплопроводности горных пород, конвекции и излучения. На больших глубинах (свыше 10 км) передача тепла осуществляется в основном за счет излучения нагретого вещества недр и конвекции, обусловленной движением блоков земной коры, расплавленных лав, гидротерм. На меньших глубинах перенос тепла связан с молекулярной теплопроводностью и конвекцией подземными водами.

Источники локальных тепловых потоков, вызывающих аномалии температур, разнообразны: наличие многолетнемерзлотных пород, т.е. мощных (до сотен метров) толщ с отрицательными температурами; присутствие пород и руд с повышенной радиоактивностью; влияние экзотермических (с поглощением тепла) и эндотермических (с выделением тепла) процессов, происходящих в нефтегазоносных горизонтах, залежах угля, сульфидных и других рудах; проявление современного вулканизма и тектонических движений; циркуляция подземных, в том числе термальных, вод и др. Роль каждого из этих факторов определяется геологогидрогеологическим строением. Локальные тепловые потоки, как и региональные, зависят не только от наличия источников, но и от условий переноса тепла за счет теплопроводности горных пород и конвекции почвенного воздуха и подземных вод.

Тепловое поле Земли доставляет информацию о глубинных температурах, об энергетическом балансе, фазовом состоянии и глубинах до различных горизонтов планеты в целом и её отдельных регионов, о формах теплопередачи внутри Земли. Объём тепловыделения теснейшим образом связан с содержанием радиоактивных элементов. Таким образом, изучение теплового поля Земли предоставляет важнейшую информацию для изучения состава горных пород.

Геотермия дает важнейшую количественную информацию для понимания и моделирования геодинамических процессов в геосферах и для оценки энергетики геолого-геофизических проявлений – в этом заключается фундаментальные аспекты изучения теплового поля.

4) Кононов В.И. Геотермальные ресурсы России и их использование. // Литология и полезные ископаемые. №2. - 2002.

Далеко не все из указанных источников тепла равноценны. Уже на современной стадииразвития геотермики можно сказать, что часть из них не играет заметной роли в тепловом режиме Земли и может быть отнесена к второстепенным источникам. Из всех перечисленных выше источников к главным относятся тепло .гравитационной энергии дифференциации глубинного вещества (за счет роста Fе в ядре) и радиоактивное тепло.

Гравитационное тепло. Оно выделяется при гравитационной дифференциации глубинноговещества Земли и тесно связано с историей ее развития. Академик А. П. Внноградов показал, что в ходе сложного физико-химического процесса зонного плавления вещества более легкоплавкие вещества (оксиды кремния и магния) поднимаются из глубин Земли к ее поверхности. Более тугоплавкие и тяжелые – такие, как оксиды железа с серой, опускаются в нижние внутренние слои. Происходит перераспределение потенциальной икинетической энергии между поднимающимися вверх легкими и опускающимися вниз тяжелыми компонентами и выделение энергии при физико-химических превращениях вещества. По современным данным, процессы .гравитационной дифференциации глубинного вещества дают основное количество тепла, определяющего термику нашей планеты.

Расчеты показывают, что генерация тепларадиоактивными источниками в гранитном слое земной коры составляет 7,96 10-5 Дж/(см3 год), в базальтовом – 1,47- 10-5 Дж/(см3 год), или примерно в 5,5 раза меньше.

Все геосферы и горные породы Земли содержат радиоактивные элементы, но распределены они, в том числе и главнейшие (уран, торий и калий), оказывающие наиболее существенный термический эффект, очень неравномерно. Геохимические исследования показывают, что впериод ранней истории Земли основные радиоактивные элементы аккумулировались в верхней части земного шара.

Сопоставление содержания радиоактивных элементов на различных глубинах свидетельствует о том, что наибольших значений концентрация достигает в земной коре, где уран, торий и калий сосредоточены в верхних слоях, и с глубиной содержание их убывает. Так, в центральном ядре предположительносодержится радия – 0,001 · 10-6, урана – 0,003 и тория – 0,013 г/т.

Рассмотрим концентрацию радиогенных элементов в различных горных породах. Широко распространенные в земной коре магматические образования различаются по содержанию главного компонента – кремнезема (оксида кремния), количество которого определяет кислотность, или основность, породы. По этому признаку магматические породы разделяются накислые (содержания кремнезема от 65 до 70 .массовых %), средние (53–64%), основные (45–52%), ультраосновные (40–44%). Из магматических пород наибольшее количество радиоактивных элементов содержат кислые изверженные породы. Эти породы генерируют значительно больше тепла, чем основные или ультраосновные.

Внутренности многих планет остаются горячими из-за ядерных реакций, а точнее радиогенных процессов. В случае Земли это в основном распады изотопов урана, тория и калия.

Как быстро камень может остыть? Даже если он достаточно процветающий, скажем, размером с планету?

Миллионов, не говоря уже о миллиардах лет, должно быть более чем достаточно, чтобы полностью охладить и укрепить его. Это вызвано нашей интуицией, поддерживаемой вторым непобедимым законом термодинамики. Мы все знаем, что каждое тело отдает тепло своему окружению, и каждый костер должен когда-нибудь погаснуть.
Тем не менее, несмотря на здравый смысл, "вечное тепло", похоже, царит глубоко под поверхностью земной коры. Итак, давайте посмотрим на саму суть нашей планеты.

Никель-железный шар диаметром 7 тыс. километров, объединяющий почти 1/3 массы всего земного шара, остается постоянно освещенным до температуры свыше 5,5 тыс. С. Через 4,6 миллиарда лет внутренняя часть нашей планеты все еще генерирует густые тераватты энергии и горит немного меньше, чем поверхность Солнца. И пусть не будет никаких сомнений, что тепло от мантии и ядра протекает максимально, даже в процессе конвекции.

Расплавленное вещество под нашими ногами неутомимо поднимается, отдавая часть температуры, затем сгущается и снова начинает падать к центру.

(Однако это не относится к самому внутреннему ядру. Несмотря на огромные температуры достаточных для плавного плавления любого металла, давление удерживает их в форме твердого вещества).

Казалось бы, обычно такой процесс давно должен был охладить наш мир и привести к его геологической гибели. Возможно ли, что планеты просто так медленно теряют энергию, которая все еще получается в процессе их бурного рождения? Оказывается, что . да. Хотя это было бы невозможно без помощи собственного автономного источника энергии в форме ядерных реакций. Пусть не будет недопонимания (с чем я столкнулся): речь идет не о термоядерных процессах, то есть о слиянии атомных ядер, типичном для звездных внутренностей.

Планеты не имеют достаточной массы (или в нашем случае достаточного количества топлива), чтобы обеспечить необходимые условия для поддержания синтеза. Однако у нас есть примеси тяжелых радиоактивных изотопов, которые легко подвергаются самопроизвольному распаду, что сопровождается выделением определенных порций энергии.

В 2005 году команда японского детектора KamLand начала ловить те геонейтрино, на основании которых они сделали тщательную оценку явлений, происходящих внутри Земли. Согласно существующей модели, ядерные распады генерируют до 20 тераватт энергии, причем около 40% этого значения приходится на распад урана-238, еще 40% - на распад тория-232 и 20% - на распад калия-40.

Следует отметить еще два факта.

Прежде всего, наши теории о тепловом балансе Земли не являются полными и все еще оставляют место для обсуждения. Радиоактивность — мощная сила, но, вероятно, не ответственная за всю произведенную энергию. Во-вторых, распады изотопов происходят в мантии нашей планеты, но не в ядре. По мнению физиков и геологов, уран, торий и калий практически отсутствуют в самом ядре Земли, поэтому все радиогенное тепло должно подниматься немного выше.

Так каков правильный ответ на заглавный вопрос?

Кажется, что ядро фактически горит исходным теплом, которое является реликтом после рождения планеты. Тем не менее, оно не остыло, потому что оно остается завернутым в толстый слой расплавленных пород, постоянно нагреваемых ядерными распадами. Поэтому мантию можно рассматривать здесь даже не как обычное одеяло, а как электрическое одеяло с собственным источником нагрева.

Означает ли все это, что Земля никогда не замерзнет?

Конечно нет, но процесс охлаждения её интерьера невероятно медленный. Учитывая скорость тепловыделения и все остальное, ядру понадобится от 55 до 90 миллиардов лет, чтобы полностью затвердеть. Потому что высокая температура и конвекционные движения миллиардов тонн расплавленного железа являются условием существования магнитосферы Земли.

Читайте также: