Теплота Земли. Вероятные источники внутренней теплоты. Ядерное тепло земли

Теплота Земли. Вероятные источники внутренней теплоты

Теплота Земли. Вероятные источники внутренней теплоты. Ядерное тепло земли

Геотермия – наука, изучающая тепловое поле Земли. Средняя температура поверхности Земли имеет общую тенденцию к уменьшению. Три млрд. лет назад средняя температура на поверхности Земли составляла 71о, сейчас – 17о. Источниками теплового (термического) поля Земли являются внутренние и внешние процессы.

Теплота Земли вызывается солнечной радиацией и зарождается в недрах планеты. Величины притока тепла от обоих источников количественно крайне неодинаковы и различны их роли в жизни планеты. Солнечный нагрев Земли составляет 99,5% от всей суммы тепла, получаемого ее поверхностью, а на долю внутреннего нагревания приходится 0,5 %.

К тому же приток внутреннего тепла очень неравномерно распределен на Земле и сосредоточен в основном в местах проявления вулканизма.

Внешний источник – это солнечная радиация. Половина солнечной энергии поглощается поверхностью, растительностью и приповерхностным слоем земной коры. Другая половина отражается в мировое пространство. Солнечная радиация поддерживает температуру поверхности Земли в среднем около 00 С.

Солнце прогревает приповерхностный слой Земли на глубину в среднем 8 – 30 м, при средней глубине в 25 м, влияние солнечного тепла прекращается и температура становится постоянной (нейтральный слой). Глубина эта минимальна в зонах с морским климатом и максимальна в Приполярье.

Ниже этой границы располагается пояс постоянной температуры, соответствующей средней годовой температуры данной местности. Так, например, в Москве на территории сельхоз. академии им. Тимирязева, на глубине 20 м температура с 1882 г неизменно сохраняется равной 4,2оС. В Париже на глубине 28 м термометр уже более 100 лет неизменно показывает 11,83оС.

Слой с постоянной температурой самый глубокий там, где развита многолетняя (вечная) мерзлота. Ниже пояса постоянной температуры следует зона геотермии, для которой свойственно тепло, генерируемое самой Землей.

Внутренними источниками являются недра Земли. Земля излучает в мировое пространство больше тепла, чем она получает от Солнца.

К внутренним источникам относят остаточное тепло с того времени, когда планета была расплавлена, тепло термоядерных реакций, протекающих в недрах Земли, тепло гравитационного сжатия Земли под действием силы тяжести, тепло химических реакций и процессов кристаллизации и др. (например приливное трение).

Тепло из недр идет в основном из подвижных зон.

Увеличение температуры с глубиной связано с существованием внутренних источников тепла – распадом радиоактивных изотопов – U, Th, K, гравитационной дифференциацией вещества, приливным трением, экзотермическими окислительно-восстановительными химическими реакциями, метаморфизмом и фазовыми переходами. Скорость возрастания температуры с глубиной определяется рядом факторов – теплопроводностью, проницаемостью горных пород, близостью вулканических очагов и т.п.

Ниже пояса постоянных температур идет повышение температуры, в среднем 1о на 33 м (геотермическая ступень) или на 3о через каждые 100 м (геотермический градиент). Эти величины являются показателями теплового поля Земли. Понятно, что эти величины средние и разные по величине в различных областях или зонах Земли.

Геотермическая ступень в различных точках Земли различна. Например, в Москве – 38,4 м, в Ленинграде 19,6, в Архангельске – 10. Так, при бурении глубокой скважины на Кольском полуострове на глубине в 12 км предполагали температуру 150о, в действительности она оказалась порядка 220 градусов.

При бурении скважин в северном Прикаспии на глубине 3000 м предполагали температуру 150о градусов, а она оказалась 108о.

Следует отметить, что климатические особенности местности и среднегодовая температура не влияют на изменение величины геотермической ступени, причины кроются в следующем:

1) в различной теплопроводности горных пород, слагающих тот или иной район. Под мерой теплопроводности понимают количество тепла в калориях, передаваемое в 1 сек. Через сечение в 1 см2 при градиенте температуры в 1оС;

2) в радиоактивности горных пород, чем больше теплопроводность и радиоактивность, тем меньше геотермическая ступень;

3) в различных условиях залегания горных пород и возрасте нарушения их залегания; наблюдения показали, что температура нарастает быстрее в слоях собранных в складки, в них чаще бывают нарушения (трещины), по которым облегчается доступ тепла из глубин;

4) характером подземных вод: потоки горячих подземных вод прогревают горные породы, холодные – охлаждают;

5) удаленностью от океана: около океана за счет охлаждения горных пород массой воды, геотермическая ступень больше, а на контакте – меньше.

Знание конкретной величины геотермической ступени имеет большое практическое значение.

1. Это важно при проектировании шахт. В одних случаях нужно будет принимать меры для искусственного понижения температуры в глубоких выработках (температура – 50оС является предельной для человека при сухом воздухе и 40оС при влажном); в других – можно будет вести работы на больших глубинах.

2. Большое значение имеет оценка температурных условий при проходке туннелей в горных местностях.

3. Изучение геотермических условий недр Земли дает возможность использовать пар и горячие источники, выходящие на поверхность Земли. Подземное тепло используется, например, в Италии, Исландии; в России на природном тепле построена на Камчатке экспериментально-промышленная электростанция.

Используя данные о величине геотермической ступени, можно сделать некоторые предположения о температурных условиях глубоких зон Земли.

Если принять среднюю величину геотермической ступени за 33 м и допустить, что увеличение температуры с глубиной происходит равномерно, то на глубине 100 км будет температура 3000оС.

Эта температура превышает точки плавления всех веществ известных на Земле, следовательно на этой глубине должны быть расплавленные массы. Но за счет огромного давления 31000 атм. Перегретые массы не имеют признаков, свойственных жидкостей, а наделены признаками твердого тела.

С глубиной геотермическая ступень видимо должна значительно увеличиваться. Если считать, что ступень не меняется с глубиной, то температура в центре Земли должна составлять порядка 200 000о градусов, а по расчетам она не может превышать 5000 – 10 000о.

Предыдущая12345678910111213141516Следующая

Дата добавления: 2015-06-10; просмотров: 4127; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЁЩЕ:

Источник: //helpiks.org/3-74917.html

Источники тепла земных недр

Теплота Земли. Вероятные источники внутренней теплоты. Ядерное тепло земли

Тепловое поле земной коры формируется в результате процесса теплообмена при наличии источников тепла. Теплообмен в земной коре осуществляется посредством теплопроводности, конвекции и излучения.

В зависимости от природы процессов, приводящих к выделению тепла в недрах Земли, источники тепла можно подразделить на два типа: первичныеи вторичные.

К первичным источникам относятся те, которые преобразуют в тепло энергию внеземного происхождения (энергию радиоактивного распада, энергию солнечной радиации, энергию земных приливов, гравитационную энергию).

К вторичным источникам относятся те, которые приобразуют в тепло энергию внутриземного происхожде­ния (энергию фазовых и химических превращений, энергию текто­нических движений). Первичные источники формируют тепловой режим Земли в целом, а вторичные — тепловые аномалии.

Первич­ные источники длительны по времени (практически бесконечны) и значительны по мощности, вторичные — относительно кратковременны и маломощны.

Тепло радиоактивного распада называют радиогенным. Оно об­разуется в результате того, что при распаде происходит излучение α- и β– частиц и γнов, которые поглощаются окружающими породами и передают им свою энергию. При этом вся их энергия превращается в тепло.

В результате распада ядра радиоактивного элемента из него вылетает радиоактивная α- или β – частица массой mч и скоростью Vч, при этом ядро приобретает некоторую скорость Vя в противополож­ном направлении. Энергия, образующая в результате радиоактивно­го распада ядра, будет

(1.6)

где М — масса ядра, кг.

Так как до распада ядро находилось в относительном покое, то, согласно закону сохранения количества движения, можно записать

(1.7)

Откуда

(1.8)

Подставляя значение Vя из выражения (1.8) в (1.6), получим количество тепла, образующегося в результате поглощения каждой а- или β- частицы,

(1.9)

Тепловая энергия, образующаяся за счет поглощения породой γ-фотона,

, (1.10)

где h — постоянная Планка (h = 6,625·10-34, Дж с) ; ν— частота излучения γ- фотона, 1 /с.

Количество тепла, образующегося в единицу времени в резуль­тате распада одного грамма радиоактивного вещества, называется удельным радиогенным теплом. Для основных радиоактивных эле­ментов урана, тория и калия оно соответственно равно 9,78·10-5; 26,3·10-6 и 35,5·10-10 Дж/(кг·с).

Все радиоактивные источники выделяют внутри Земли 4·1020÷4·1021Дж ежегодно. Количество тепла, выделившегося в Земле за время ее существования в результате распада радиоактивных эле­ментов, составляет (5,8-20) ·1030 Дж.

Количество тепла, доставляемое на Землю солнечным излуче­нием, можно определить по формуле

, (1.11)

где А — солнечная постоянная, равная 0,138·104 Вт/м ; R3 — радиус Земли, равный 6,371·106 м; τ — время, с.

Учитывая, что в году около 3·107 с, и принимая во внимание, что под воздействием солнечного излучения находится постоянно только половина поверхности Земли, согласно выражению (1.

11) можно определить количество тепла, передаваемое Солнцем верх­ним слоям атмосферы Земли за один год. Оно составляет около 27·1023 Дж/ год.

Примерно половина этого тепла поглощается атмос­ферой и рессеивается в мировое пространство, а вторая половина поглощается на Земле.

Тепло, доставляемое на поверхность Земли солнечным излуче­нием, формирует тепловой режим поверхностного слоя пород, распо­ложенных выше нейтрального слоя. Суточные колебания температу­ры воздуха оказывают влияние на температурный режим поверхно­стного слоя Земли толщиной не более 0,5 м, а годовые — не более 20 м.

Выделение тепла в Земле в результате земных приливов обус­ловлено вертикальным смещением ее поверхности под действием притяжения Солнца и Луны. Такие смещения возможны вследствие того, что Земля не является абсолютно твердым телом, а земная кора разбита на блоки.

Вертикальные смещения поверхности Земли за счет земных приливов и отливов достигают 0,5 м. Количество тепла, выделяюще­гося в Земле в единицу времени, в результате этого составляет поряд­ка 4·10-26Вт. Суммарное количество тепла, выделившееся в Земле за время ее существования за счет приливов и отливов, составляет примерно 36·10 9Дж.

Гравитационная составляющая первичных источников тепла обусловлена выпадением на Землю мелких частиц и метеоритов и переходом их кинетической энергии в тепловую.

Кроме этого, под действием сил гравитации в глубь Земли перемещаются более тяже­лые вещества, что также сопровождается выделением тепла.

Если предположить, что ядро Земли состоит из железа, которое стекалось к центру, то количество тепла, выделенного при этом, составит около 10·1030 Дж.

Основным вторичным источником тепла является энергия тек­тонических движений, которая выделяется при землетрясениях в результате трений блоков земной коры друг о друга.

Тепловая энергия, образующаяся в результате фазовых перехо­дов и химических реакций в Земле, вносит свой вклад в формирова­ние теплового режима локальных районов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: //studopedia.ru/3_66645_istochniki-tepla-zemnih-nedr.html

WikiMedForum.Ru
Добавить комментарий