О ТАК НАЗЫВАЕМЫХ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКАХ ИЗ НЕДР ЗЕМЛИ
А.А.Гришаев, независимый исследователь
Введение.
Хорошо известно, что температура в земной коре увеличивается по мере увеличения глубины – начиная с нейтрального слоя, где суточные и сезонные колебания температуры прекращаются. Полагают, что вертикальными градиентами температуры порождаются тепловые потоки, идущие из недр Земли к её поверхности. Уточним, что речь идёт не о конвективном переносе тепла благодаря вертикальному транспорту вещества – горячей лавы в регионах вулканической активности или геотермальных вод и паров. Речь идёт о тепловых потоках, обусловленных теплопроводностью пород, составляющих земную кору.
Считается, что, благодаря этим тепловым потокам, «среднее количество потерь тепла Землёй с поверхности близко к 0.06 Вт на один квадратный метр поверхности, или 30 триллионов ватт по всей планете » [1]. Много это или мало? С одной стороны, «количество энергии Солнца, попадающей на поверхность Земли, в 6000 раз больше, и это полностью определяет температуру у поверхности » [1]. Но, с другой стороны, «количество тепла, проходящего через континентальную кору, на несколько порядков величины больше потери тепла при извержении вулканов или в результате рассеяния энергии сейсмическими волнами при землетрясениях » [2]. Поэтому тепловой поток из недр Земли считается одним из важнейших геофизических факторов, играющих определяющую роль в эволюции земной коры и формировании её морфологии и физических свойств.
Из тех же теоретических соображений, на основе которых делается вывод о тепловых потоках из недр Земли, следует, что, для поддерживания этих тепловых потоков, в недрах Земли тепло должно непрерывно выделяться. Проблема в том, что источник этого тепловыделения до сих пор не установлен, хотя «измерения тепловых потоков из недр» имеют уже почти полутора-вековую историю.
Кардинальное решение этой проблемы мы предлагаем в данной статье. Мы обращаем внимание на то, что тепловые потоки из недр Земли никем не обнаруживались и не измерялись – они лишь рассчитывались на основе измеряемых температурных градиентов. Но причиной вертикальных градиентов температуры в земной коре, как мы постараемся показать, являются вертикальные градиенты давления. При этом, состояние горных пород при наличии двух градиентов – давления и температуры – является равновесным. Это означает, что вертикальные градиенты температуры в земной коре образуют равновесное температурное поле, при котором потоки тепла отсутствуют.
Тогда вывод о тепловых потоках из недр Земли оказывается недоразумением в геофизике. И если эти тепловые потоки отсутствуют, то проблема с источниками тепловыделения в недрах Земли тривиально устраняется.
Что называют «измерениями» тепловых потоков из недр Земли.
В рамках традиционных подходов, «распространение тепла в Земле подчиняется одному из фундаментальных законов физики, известному под названием закона Фурье о теплопроводности, который состоит в том, что потоки тепла направлены от более тёплых частей тела к более холодным. Отсюда можно заключить, что если температура возрастает с глубиной, то это означает, что из недр Земли наружу идёт тепловой поток » [1]. Математически, закон Фурье о теплопроводности выражается следующим образом: «Количество тепла Q на единицу площади за единицу времени называется тепловым потоком через поверхность и определяется
, (1)
где k - коэффициент теплопроводности, ∂T/∂n – градиент температуры вдоль нормали к поверхности » [4].
Из формулы (1) последовали практические рекомендации – как обойтись без измерителей теплопереноса через теплопроводность, ведь таких измерителей не существует, в отличие от измерителей конвективного и радиационного теплопереноса. Эти рекомендации таковы: следует отдельно измерить градиент температуры в материале и теплопроводность этого материала; произведение этих величин даст тепловой поток.
Этим и занимаются исследователи тепловых потоков из недр Земли. На суше они достают из пробуренных скважин образцы кернов, измеряют их теплопроводность; градиент температуры находят, измеряя температуры на разных глубинах [1]. На море, по совершенно тем же принципам, работают с донными зондами [2].
Богатая подборка данных о тепловых потоках, полученных, на основе подобных измерений, с помощью формулы (1), приведена, например, в [5].