Внутренний тепловой баланс Земли
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 исходит из двух основных источников примерно в равных количествах: радиогенного тепла, образующегося в результате радиоактивного распада изотопов в мантии и коре, и первичного тепла, оставшегося от образования Земли . [ 2 ]
Внутреннее тепло Земли распространяется по геотермальным градиентам и приводит в действие большинство геологических процессов. [ 3 ] Он вызывает мантийную конвекцию , тектонику плит , горообразование , метаморфизм горных пород и вулканизм . [ 2 ] конвективный теплообмен планеты внутри высокотемпературного металлического ядра Предполагается, что поддерживает геодинамо , генерирующее магнитное поле Земли . [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
Несмотря на свою геологическую значимость, внутреннее тепло Земли составляет лишь 0,03% от общего энергетического баланса Земли на поверхности, в котором преобладают 173 000 ТВт поступающей солнечной радиации . [ 7 ] Этот внешний источник энергии питает большинство атмосферных, океанических и биологических процессов планеты. Тем не менее на суше и на дне океана явное тепло, поглощенное неотраженной инсоляцией, течет внутрь только посредством теплопроводности и, таким образом, проникает всего на несколько десятков сантиметров в суточном цикле и только на несколько десятков метров в годовом цикле. Это делает солнечную радиацию минимально значимой для процессов внутри земной коры . [ 8 ]
Глобальные данные о плотности теплового потока собираются и обобщаются Международной комиссией по тепловым потокам Международной ассоциации сейсмологии и физики недр Земли . [ 9 ]
Жара и ранняя оценка возраста Земли
[ редактировать ]На основе расчетов скорости охлаждения Земли, предполагавших постоянную проводимость в недрах Земли, в 1862 году Уильям Томсон , впоследствии лорд Кельвин , оценил возраст Земли в 98 миллионов лет. [ 10 ] что контрастирует с возрастом в 4,5 миллиарда лет, полученным в 20 веке методом радиометрического датирования . [ 11 ] Как отметил Джон Перри в 1895 г. [ 12 ] переменная проводимость в недрах Земли может увеличить расчетный 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 передачи тепла внутри Земли, опровергая предположение Томсона о чисто кондуктивном охлаждении.
Глобальный внутренний тепловой поток
[ редактировать ]
Оценки общего теплового потока из недр Земли на поверхность составляют от 43 до 49 тераватт (ТВт) (тераватт равен 10 12 ватт ). [ 13 ] По одной из недавних оценок, мощность составляет 47 ТВт. [ 1 ] эквивалентен среднему тепловому потоку 91,6 мВт/м 2 , и основано на более чем 38 000 измерениях. Средние тепловые потоки континентальной и океанической коры соответственно составляют 70,9 и 105,4 мВт/м. 2 . [ 1 ]
Хотя общий внутренний поток тепла Земли к поверхности хорошо ограничен, относительный вклад двух основных источников тепла Земли, радиогенного и первичного тепла, весьма неопределенен, поскольку их прямое измерение затруднено. Химические и физические модели дают расчетные диапазоны 15–41 ТВт и 12–30 ТВт для радиогенного тепла и первичного тепла соответственно. [ 13 ]
Структура Земли представляет собой твердую внешнюю кору , состоящую из более толстой континентальной коры и более тонкой океанической коры , твердой, но пластически 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, как функция потока внутреннего тепла Земли. Мантия конвектирует в ответ на тепло, выходящее из недр Земли, при этом более горячая и плавучая мантия поднимается, а более холодная и, следовательно, более плотная мантия опускается. Этот конвективный поток мантии приводит в движение литосферные плиты 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 на Земле происходит за счет проводимости , мантийной конвекции , гидротермальной конвекции и вулканической адвекции . [ 15 ] Считается, что внутренний тепловой поток Земли к поверхности на 80% обусловлен мантийной конвекцией, а оставшееся тепло в основном поступает из земной коры. [ 16 ] около 1% связано с вулканической активностью, землетрясениями и горообразованием. [ 2 ] Таким образом, около 99% внутренних потерь тепла Земли на поверхности происходит за счет проводимости через земную кору, а мантийная конвекция является доминирующим фактором, контролирующим перенос тепла из глубин Земли. Большая часть теплового потока от более толстой континентальной коры приходится на внутренние радиогенные источники; напротив, более тонкая океаническая кора имеет только 2% внутреннего радиогенного тепла. [ 2 ] Оставшийся тепловой поток на поверхности будет происходить за счет базального нагрева коры в результате мантийной конвекции. Тепловые потоки отрицательно коррелируют с возрастом горных пород. [ 1 ] с наибольшими тепловыми потоками от самых молодых пород в центрах спрединга срединно-океанических хребтов (зонах мантийного апвеллинга), как это наблюдается на глобальной карте тепловых потоков Земли . [ 1 ]
Источники тепла
[ редактировать ]Радиогенное тепло
[ редактировать ]
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 возникает 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 К). [ 18 ] Из-за отсутствия образцов горных пород с глубины менее 200 км трудно точно определить радиогенное тепло по всей мантии. [ 18 ] хотя некоторые оценки имеются. [ 19 ]
Что касается ядра Земли, геохимические исследования показывают, что оно вряд ли будет значительным источником радиогенного тепла из-за ожидаемой низкой концентрации радиоактивных элементов, переходящих в железо. [ 20 ] Радиогенное теплопродуцирование в мантии связано со структурой мантийной конвекции , которая является темой многочисленных дискуссий, и считается, что мантия может либо иметь слоистую структуру с более высокой концентрацией радиоактивных тепловыделяющих элементов в нижней мантии, либо небольшие резервуары, обогащенные радиоактивными элементами, рассеянные по всей мантии. [ 21 ]
| Изотоп | Выделение тепла Вт / кг изотопа |
Период полураспада годы |
Средняя мантийная концентрация кг изотопа / кг мантии |
Выделение тепла Вт / Мантия кг |
|---|---|---|---|---|
| 232 че | 26.4 × 10 −6 | 14.0 × 10 9 | 124 × 10 −9 | 3.27 × 10 −12 |
| 238 В | 94.6 × 10 −6 | 4.47 × 10 9 | 30.8 × 10 −9 | 2.91 × 10 −12 |
| 40 К | 29.2 × 10 −6 | 1.25 × 10 9 | 36.9 × 10 −9 | 1.08 × 10 −12 |
| 235 В | 569 × 10 −6 | 0.704 × 10 9 | 0.22 × 10 −9 | 0.125 × 10 −12 |
Детекторы геонейтрино могут обнаружить распад 238 У и 232 Th и, таким образом, позволяют оценить их вклад в современный радиогенный баланс тепла, в то время как 235 У и 40 Таким образом, K не обнаруживаются. Несмотря ни на что, 40 По оценкам, K обеспечивает 4 ТВт отопления. [ 22 ] Однако из-за короткого периода полураспада распад 235 У и 40 К внес большую часть радиогенного теплового потока на раннюю Землю, которая также была намного горячее, чем сейчас. [ 14 ] Первоначальные результаты измерения геонейтринных продуктов радиоактивного распада изнутри Земли, являющихся показателем радиогенного тепла, дали новую оценку того, что половина всего внутреннего источника тепла Земли является радиогенным. [ 22 ] и это согласуется с предыдущими оценками. [ 21 ]
Первозданное тепло
[ редактировать ]Первичное тепло — это тепло, потерянное Землей по мере того, как она продолжает остывать от своего первоначального образования, и это контрастирует с ее все еще активно вырабатываемым радиогенным теплом. Считается, что тепловой поток ядра Земли - тепло, покидающее ядро и перетекающее 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 удаления теплового потока ядра и радиогенного производства тепла в объеме Земли из наблюдаемого поверхностного теплового потока. [ 13 ]
Раннее формирование плотного ядра Земли могло вызвать перегрев и быструю потерю тепла, а скорость потери тепла замедлилась бы после затвердевания мантии. [ 23 ] Тепловой поток от ядра необходим для поддержания конвекции внешнего ядра, геодинамо и магнитного поля Земли ; следовательно, изначальное тепло ядра позволило создать атмосферу Земли и, таким образом, помогло сохранить жидкую воду Земли. [ 21 ]
Первичная тепловая энергия возникает из потенциальной энергии, высвобождаемой при коллапсе большого количества материи в гравитационный колодец , и кинетической энергии аккрецированной материи.
Тепловой поток и тектонические плиты
[ редактировать ]Споры по поводу точной природы мантийной конвекции затрудняют разгадку связанной эволюции теплового баланса Земли, а также динамики и структуры мантии. [ 21 ] Есть свидетельства того, что процессы тектоники плит не были активны на Земле ранее 3,2 миллиарда лет назад и что во внутренних потерях тепла на ранней Земле могла преобладать адвекция с тепловыми трубками через вулканизм . [ 24 ] Земные тела с меньшими тепловыми потоками, такие как Луна и Марс , передают свое внутреннее тепло через одну литосферную плиту, а более высокие тепловые потоки, такие как на спутнике Юпитера Ио , приводят к адвективному переносу тепла посредством усиленного вулканизма, в то время как активная тектоника плит Земли происходят с промежуточным тепловым потоком и конвективной мантией . [ 24 ]
См. также
[ редактировать ]- Геотермальная энергия
- Геотермический градиент
- Планетарная дифференциация
- Термическая история Земли
- Антропогенная жара
Внешние ссылки
[ редактировать ]
СМИ, связанные с внутренним тепловым балансом Земли, на Викискладе?
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Дэвис, Дж. Х.; Дэвис, Д.Р. (22 февраля 2010 г.). «Тепловой поток на поверхности Земли» . Твердая Земля . 1 (1): 5–24. Бибкод : 2010SolE....1....5D . doi : 10.5194/se-1-5-2010 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Дональд Л. Теркотт; Джеральд Шуберт (25 марта 2002 г.). Геодинамика . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-66624-4 .
- ^ Баффет, бакалавр (2007). Измерение температуры Земли. Наука, 315 (5820), 1801–1802.
- ^ Морган Беттекс (25 марта 2010 г.). «Объяснение: теория динамо» . Новости Массачусетского технологического института.
- ^ Кагеяма, Акира; Сато, Тецуя; Группа моделирования сложности (1 января 1995 г.). «Компьютерное моделирование магнитогидродинамического динамо. II». Физика плазмы . 2 (5): 1421–1431. Бибкод : 1995PhPl....2.1421K . дои : 10.1063/1.871485 .
- ^ Глатцмайер, Гэри А.; Робертс, Пол Х. (1995). «Трехмерное конвективное динамо с вращающимся внутренним ядром и мантией с конечной проводимостью». Физика Земли и недр планет . 91 (1–3): 63–75. Бибкод : 1995PEPI...91...63G . дои : 10.1016/0031-9201(95)03049-3 .
- ^ Арчер, Д. (2012). Глобальное потепление: понимание прогноза . ISBN 978-0-470-94341-0 .
- ^ Лоури, В. (2007). Основы геофизики . Кембридж: CUP, 2-е изд.
- ^ www.ihfc-iugg.org IHFC: Международная комиссия по тепловому потоку – Домашняя страница. Проверено 18.09.2019.
- ^ Томсон, Уильям. (1864). О вековом похолодании Земли читайте от 28 апреля 1862 года. Труды Королевского общества Эдинбурга , 23, 157–170.
- ^ Перейти обратно: а б Росс Тейлор, Стюарт (26 октября 2007 г.). «Глава 2: Формирование Земли и Луны» . У Мартина Дж. ван Кранендонка; Вики Беннетт; Хью Р. Х. Смитис (ред.). Самые старые породы Земли (Развитие геологии докембрия, том 15, 2007 г.) . Эльзевир. стр. 21–30. ISBN 978-0-08-055247-7 .
- ^ Англия, Филип; Мольнар, Питер; Рихтер, Франк (2007). «Забытая критика Джона Перри возраста Земли по Кельвину: упущенная возможность в геодинамике» . ГСА сегодня . 17 (1): 4–9. Бибкод : 2007GSAT...17R...4E . дои : 10.1130/GSAT01701A.1 .
- ^ Перейти обратно: а б с Дай, СТ (2012). Геонейтрино и радиоактивная энергия Земли. Обзоры геофизики, 50 (3). doi:10.1029/2012RG000400
- ^ Перейти обратно: а б Аревало-младший, Р., Макдонаф, В.Ф., и Луонг, М. (2009). Отношение K/U силикатной Земли: понимание состава, структуры и термической эволюции мантии. Письма о Земле и планетологии, 278 (3), 361–369.
- ^ Жопар, К., и Марешаль, Дж.К. (2007). Тепловой поток и термическая структура литосферы. Трактат по геофизике, 6, 217–251.
- ^ Коренага, Дж. (2003). Энергетика мантийной конвекции и судьба ископаемого тепла. Письма о геофизических исследованиях, 30 (8), 1437.
- ^ «Какая часть тепла, рассеиваемого Землей в космос, обусловлена радиоактивным распадом ее элементов? Около половины приходится на это «радиогенное тепло» » . Стэнфордский университет . 2015. Архивировано из оригинала 25 июня 2017 года.
- ^ Перейти обратно: а б Коренага, Дж. (2011). Тепловой баланс Земли: ясновидящие геонейтрино. Природные геолого-геофизические исследования, 4(9), 581–582.
- ^ Шрамек, Ондржей; Макдонаф, Уильям Ф.; Кайт, Эдвин С.; Лекич, Ведран; Дай, Стивен Т.; Чжун, Шицзе (1 января 2013 г.). «Геофизические и геохимические ограничения на потоки геонейтрино из мантии Земли». Письма о Земле и планетологии . 361 : 356–366. arXiv : 1207.0853 . Бибкод : 2013E&PSL.361..356S . дои : 10.1016/j.epsl.2012.11.001 . ISSN 0012-821X . S2CID 15284566 .
- ^ Макдонаф, В.Ф. (2003), «Модель состава ядра Земли», Трактат по геохимии , том. 2, Elsevier, стр. 547–568, Bibcode : 2003TrGeo...2..547M , doi : 10.1016/b0-08-043751-6/02015-6 , ISBN 9780080437514
- ^ Перейти обратно: а б с д Коренага, Дж. (2008). Отношение Юри, строение и эволюция мантии Земли. Обзоры геофизики, 46 (2).
- ^ Перейти обратно: а б Гандо А., Дуайер Д.А., МакКаун Р.Д. и Чжан К. (2011). Частичная радиогенная тепловая модель Земли, выявленная с помощью измерений геонейтрино. Природные геонауки, 4(9), 647–651.
- ^ Перейти обратно: а б Лэй Т., Хернлунд Дж. и Баффет Б.А. (2008). Тепловой поток на границе ядро-мантия. Природа и геонауки, 1(1), 25–32.
- ^ Перейти обратно: а б с Мур, ВБ, и Уэбб, AAG (2013). Земля с тепловыми трубками. Природа, 501(7468), 501–505.
- ^ Пиз, В., Персиваль, Дж., Смитис, Х., Стивенс, Г., и Ван Кранендонк, М. (2008). Когда началась тектоника плит? Данные орогенной летописи. Когда на планете Земля началась тектоника плит, 199–208 гг.
- ^ Стерн, Р.Дж. (2008). Тектоника плит в современном стиле началась в неопротерозойское время: альтернативная интерпретация тектонической истории Земли. Когда на планете Земля началась тектоника плит, 265–280 гг.