ЗЕМЛЕ 4,5 МЛРД ЛЕТ – МЕНЬШЕ НАХОДИМЫХ ОСТАНКОВ
Внутренний тепловой бюджет Земли
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигацииПерейти к поиску
Глобальная карта потока тепла, в МВт/м2, от недр Земли к поверхности.[1] Наибольшие значения теплового потока совпадают со срединно-океаническими хребтами, а наименьшие значения теплового потока наблюдаются в стабильных континентальных интерьерах.
Внутренний тепловой баланс Земли имеет фундаментальное значение для тепловой истории Земли. Поток тепла из недр Земли на поверхность оценивается в 47 ± 2 тераватт (ТВт) [1] и поступает из двух основных источников примерно в равных количествах: радиогенное тепло, образующееся в результате радиоактивного распада изотопов в мантии и коре, и первичное тепло, оставшееся от образованияЗемли.[2]
Внутреннее тепло Земли распространяется по геотермальным градиентам и питает большинство геологических процессов.[3]Он стимулирует мантийную конвекцию, тектонику плит, горообразование, метаморфизм горных пород и вулканизм.[2] Также предполагается, что конвективный теплообмен внутри высокотемпературного металлического ядра планеты поддерживает геодинамику, которая генерирует магнитное поле Земли.[4][5][6]
Несмотря на свое геологическое значение, внутреннее тепло Земли составляет лишь 0,03% от общего энергетического баланса Земли на поверхности, в котором преобладают 173 000 ТВт приходящего солнечного излучения.[7] Этот внешний источник энергии обеспечивает большую часть атмосферных, океанических и биологических процессов планеты. Тем не менее, на суше и на дне океана ощутимое тепло, поглощаемое неотраженной инсоляцией, проникает внутрь только за счет теплопроводности и, таким образом, проникает всего на несколько десятков сантиметров в суточном цикле и всего на несколько десятков метров в годовом цикле. Это делает солнечную радиацию минимально значимой для процессов, происходящих внутри земной коры.[8]
Глобальные данные о плотности теплового потока собираются и обобщаются Международной комиссией по тепловому потоку Международной ассоциации сейсмологии и физики недр Земли.[9]
Содержание
- 1Тепло и ранняя оценка возраста Земли
- 2Глобальный внутренний тепловой поток
- 3Источники тепла
- 3.1Радиогенное тепло
- 3.2Первобытное тепло
- 4Тепловой поток и тектонические плиты
- 5Смотрите также
- 6Внешняя ссылка
- 7Список литературы
Тепло и ранняя оценка возраста Земли[править / править код]
Основываясь на расчетах скорости охлаждения Земли, которые предполагали постоянную проводимость в недрах Земли, в 1862 году Уильям Томсон, позже лорд Кельвин, оценил возраст Земли в 98 миллионов лет[10], что контрастирует с возрастом в 4,5 миллиарда лет, полученным в 20 веке с помощью радиометрического датирования.[11] Как указал Джон Перри в 1895 году [12], переменная проводимость в недрах Земли может увеличить вычисленный возраст Земли до миллиардов лет, что позже было подтверждено радиометрическим датированием. Вопреки обычному представлению аргумента Томсона, наблюдаемый температурный градиент земной коры не может быть объяснен добавлением радиоактивности в качестве источника тепла. Что еще более важно, мантийная конвекция изменяет способ переноса тепла внутри Земли, опровергая предположение Томсона о чисто кондуктивном охлаждении.
Глобальный внутренний тепловой поток[править / править код]
Поперечный разрез Земли, показывающий ее основные подразделения и их приблизительный вклад в общий внутренний тепловой поток Земли к поверхности, а также доминирующие механизмы переноса тепла внутри Земли
Оценки общего теплового потока от недр Земли к поверхности охватывают диапазон от 43 до 49 тераватт (ТВт) (тераватт составляет 10-12 Вт).[13] Одна из последних оценок составляет 47 ТВт, [1] что эквивалентно среднему тепловому потоку 91,6 МВт / м2, и основана на более чем 38 000 измерениях. Соответствующие средние тепловые потоки континентальной и океанической коры составляют 70,9 и 105,4 МВт/м2.[1]
В то время как общий внутренний тепловой поток Земли к поверхности хорошо ограничен, относительный вклад двух основных источников тепла Земли, радиогенного и первичного тепла, является весьма неопределенным, поскольку их прямое измерение затруднено. Химические и физические модели дают оценочные диапазоны 15-41 ТВт и 12-30 ТВт для радиогенного тепла и первичного тепла соответственно.[13]
Структура Земли представляет собой жесткую внешнюю кору, которая состоит из более толстой континентальной коры и более тонкой океанической коры, твердой, но пластично текучей мантии, жидкого внешнего ядра и твердого внутреннего ядра. Текучесть материала пропорциональна температуре; таким образом, твердая мантия все еще может течь в длительных временных масштабах в зависимости от ее температуры[2] и, следовательно, в зависимости от потока внутреннего тепла Земли. Мантия конвектируется в ответ на тепло, выходящее из недр Земли, при этом более горячая и более плавучая мантия поднимается, а более холодная и, следовательно, более плотная мантия опускается. Этот конвективный поток мантии управляет движением литосферных плит Земли; таким образом, дополнительный резервуар тепла в нижней мантии имеет решающее значение для функционирования тектоники плит, и одним из возможных источников является обогащение радиоактивными элементами в нижней мантии.[14]
Перенос тепла Землей происходит за счет теплопроводности, мантийной конвекции, гидротермальной конвекции и вулканической адвекции.[15] Считается, что внутренний тепловой поток Земли к поверхности составляет 80% за счет мантийной конвекции, а оставшееся тепло в основном поступает из земной коры[16], около 1% из-за вулканической активности, землетрясений и горообразования.[2] Таким образом, около 99% внутренних тепловых потерь Земли на поверхности происходит за счет теплопроводности через кору, а мантийная конвекция является доминирующим фактором контроля переноса тепла из глубин Земли. Большая часть теплового потока от более толстой континентальной коры связана с внутренними радиогенными источниками; напротив, более тонкая океаническая кора имеет только 2% внутреннего радиогенного тепла.[2] Оставшийся тепловой поток на поверхности был бы обусловлен базовым нагревом коры от мантийной конвекции. Тепловые потоки отрицательно коррелируют с возрастом горных пород[1], причем самые высокие тепловые потоки исходят от самых молодых пород в центрах распространения срединно-океанических хребтов (зоны апвеллинга мантии), как видно на глобальной карте теплового потока Земли.[1]
Источники тепла[править / править код]
Радиогенное тепло[править / править код]
Эволюция радиогенного теплового потока Земли с течением времени
Радиоактивный распад элементов в мантии и коре Земли приводит к образованию дочерних изотопов и выделению геонейтрино и тепловой энергии, или радиогенного тепла. Около 50% внутреннего тепла Земли образуется в результате радиоактивного распада.[17] Четыре радиоактивных изотопа ответственны за большую часть радиогенного тепла из-за их обогащения по сравнению с другими радиоактивными изотопами: уран-238 (238 U), уран-235 (235 U), торий-232 (232 Th) и калий-40 (40 K).[18]Из-за отсутствия образцов горных пород с глубины менее 200 км трудно точно определить радиогенное тепло во всей мантии[18], хотя некоторые оценки доступны[19].
Что касается ядра Земли, то геохимические исследования показывают, что оно вряд ли является значительным источником радиогенного тепла из-за ожидаемой низкой концентрации радиоактивных элементов, разделяющихся на железо.[20] Производство радиогенного тепла в мантии связано со структурой мантийной конвекции, что является предметом многочисленных дискуссий, и считается, что мантия может иметь либо слоистую структуру с более высокой концентрацией радиоактивных тепловыделяющих элементов в нижней мантии, либо небольшие резервуары, обогащенные рассеянными радиоактивными элементамипо всей мантии.[21]
| Оценка современных основных изотопов, выделяющих тепло[2] | ||||
| Изотоп | Выделение тепла Вт/кг изотопа | Период полураспада годы | Средняя концентрация в мантии кг изотопа/кг мантии | Выделение тепла Вт/кг мантии |
| 232 тыс. | 26.4×10−6 | 14.0×109 | 124×10−9 | 3.27×10−12 |
| 238U | 94.6×10−6 | 4.47×109 | 30.8×10−9 | 2.91×10−12 |
| 40 К | 29.2×10−6 | 1.25×109 | 36.9×10−9 | 1.08×10−12 |
| 235U | 569×10−6 | 0.704×109 | 0.22×10−9 | 0.125×10−12 |
Детекторы геонейтрино могут обнаруживать распад 238 U и 232 Th и, таким образом, позволяют оценить их вклад в нынешний радиогенный тепловой баланс, в то время как 235 U и 40 K, таким образом, не обнаруживаются. Несмотря на это, 40 К, по оценкам, дают 4 ТВт тепла.[22] Однако из-за коротких периодов полураспада распад 235 U и 40 K привел к значительной доле радиогенного теплового потока на ранней Земле, которая также была намного горячее, чем в настоящее время.[14] Первоначальные результаты измерения геонейтринных продуктов радиоактивного распада внутри Земли, прокси для радиогенного тепла, дали новую оценку того, что половина общего внутреннего источника тепла Земли является радиогенным,[22] и это согласуется с предыдущими оценками.[21]
Первобытное тепло[править / править код]
Первичное тепло - это тепло, теряемое Землей по мере того, как она продолжает остывать после своего первоначального образования, и это контрастирует с ее все еще активно вырабатываемым радиогенным теплом. Считается, что тепловой поток ядра Земли — тепло, выходящее из ядра и поступающее в вышележащую мантию — обусловлен первичным теплом и оценивается в 5-15 ТВт.[23] Оценки первичных тепловых потерь мантии варьируются от 7 до 15 ТВт, что рассчитывается как остаток тепла после удалениятеплового потока в ядре и объемного производства радиогенного тепла от наблюдаемого поверхностного теплового потока.[13]
Раннее формирование плотного ядра Земли могло вызвать перегрев и быструю потерю тепла, а скорость потери тепла замедлилась бы, как только мантия затвердела.[23] Тепловой поток от ядра необходим для поддержания конвективного внешнего ядра, геодинамики и магнитного поля Земли; поэтому первичное тепло от ядра позволило создать атмосферу Земли и, таким образом, помогло сохранить жидкую воду на Земле.[21]
Тектоническая эволюция Земли с течением времени от расплавленного состояния при 4,5 млрд лет[11] до одноплитной литосферы[24] и современной тектоники плит где-то между 3,2 млрд лет[25] и 1,0 млрд лет[26]
Тепловой поток и тектонические плиты[править / править код]
Споры о точной природе мантийной конвекции затрудняют объяснение взаимосвязанной эволюции теплового баланса Земли, динамики и структуры мантии.[21] Есть свидетельства того, что процессы тектоники плит не были активны на Земле до 3,2 миллиарда лет назад, и что внутреннее тепло ранней Землипотери могли быть вызваны адвекцией через вулканизм тепловых труб.[24] Земные тела с более низкими тепловыми потоками, такие как Луна и Марс, проводят свое внутреннее тепло через единую литосферную плиту, а более высокие тепловые потоки, такие как на спутнике Юпитера Ио, приводят к адвективному переносу тепла за счет усиленного вулканизма, в то время как активная тектоника плит Земли происходит с промежуточнымтепловой поток и конвектирующая мантия.[24]
Смотрите также[править / править код]
- Геотермальная энергия
- Геотермальный градиент
- Дифференциация планет
- Термическая история Земли
- Антропогенное тепло
Внешняя ссылка[править / править код]
Материалы, связанные с внутренним тепловым бюджетом Земли на Викискладе
Список литературы[править / править код]
1. ^ Перейти к:a b c d e f Дэвис, Дж.Х., & Дэвис, Д. Р. (2010). Тепловой поток земной поверхности. Твердая Земля, 1(1), 5-24.
2. ^ Перейти к:a b c d e f Дональд Л. Теркотт; Джеральд Шуберт (25 марта 2002). Геодинамика. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-66624-4.