Источники тепла земных недр

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 γ- фотонов, 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 m_ч и скоростью V_ч, при этом ядро приобретает некоторую скорость V_я 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 V_я 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.