Вопрос №20. Тепловой режим Земли.

Соотношение солнечного и внутреннего тепла. Главным источником тепла на поверхности Земли является излучение Солнца. Общее количество тепла, поступающего на Землю от Солнца, составляет 5,5·10²⁴ Дж в год. Около трети этого излучения сразу же отражается в космос от земной поверхности и от облаков, тогда как около двух третей поглощаются земной поверхностью и атмосферой. Поглощённое солнечное тепло, в основном, переизлучается в космос в виде инфракрасного излучения. Таким образом, практически вся энергия, поступающая на Землю от Солнца, в конечном счёте, уходит в космос. Лишь очень небольшая доля солнечной энергии аккумулируется в процессе фотосинтеза в виде органического вещества и в ряде геохимических процессов в виде некоторых минеральных превращений.

Общее количество тепла, поступающего к поверхности Земли из её недр, почти на четыре порядка меньше – лишь около 8·10²⁰ Дж в год. Тем не менее, тепловой режим недр планеты полностью определяется внутренними источниками тепла. Солнечное же тепло непосредственно не проникает в глубокие недра Земли, и уже на глубине несколько десятков метров (горизонт постоянной температуры) температура не испытывает ни суточных, ни сезонных колебаний.

Источники тепла в недрах Земли. В настоящее время тепло в недрах Земли генерируется за счёт трёх источников:

- гравитационная дифференциация (погружение тяжелого материала и подъём относительно лёгкого сопровождаются выделением тепла);

- распад радиоактивных элементов (главным образом, ²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th и ⁴⁰K);

- приливное трение (в настоящую эпоху вклад незначителен).

Точное соотношение вкладов этих трёх источников оценить затруднительно. Но можно утверждать, что все эти три источника, а также суммарный поток тепла из земных недр с течением геологического времени ослабевают: гравитационная дифференциация в недрах Земли, в целом, становится менее интенсивной, содержание радиоактивных элементов в земных недрах уменьшается, а приливные взаимодействия с Луной становятся слабее из-за постепенного увеличения расстояния от Луны до Земли.

На стадии образования Земли очень большой вклад в разогрев Земли вносили удары планетезималей. Возможно, в этот период был очень значительным и вклад за счёт распада ряда короткоживущих радиоактивных изотопов, к настоящему времени уже полностью распавшихся (²⁶Al, ⁶⁰Fe и другие). Ударный разогрев должен был играть существенную роль и на стадии интенсивной метеоритной бомбардировки, завершившейся 3,9 млрд. лет назад.

Увеличение температуры с глубиной. Ниже горизонта постоянной температуры, находящегося на глубине несколько десятков метров, температура начинает довольно быстро расти (это установлено по измерениям температуры в шахтах и скважинах). Рост температуры с глубиной характеризуется либо геотермическим градиентом (увеличением температуры на единицу длины), либо геотермической ступенью (глубиной, при погружении на которую температура увеличивается на 1 °С). Среднее значение геотермического градиента составляет около 30°С на 1 км, но в разных регионах оно может резко различаться – от 5-6 °С на 1 км на некоторых древних щитах до 150 °С на 1 км в некоторых районах современного вулканизма.

Быстрое увеличение температуры с глубиной характерно только для земной коры (особенно для верхней коры), так как именно в ней наиболее высоки содержания радиоактивных элементов. Температура на границе Мохоровичича оценивается от 600 °С до 1000 °С в разных регионах. В мантии, в которой содержание радиоактивных элементов должно быть невелико, температура с глубиной растёт медленно, примерно 1 °С на 1 км. Температура на границе мантии и ядра оценивается по-разному, но в современных моделях её принимают близкой к 3700 °С (на границе мантии и ядра температура заведомо должна быть выше температуры плавления железа, но ниже температуры плавления силикатного материала, разумеется, при соответствующем давлении, ведь, как известно, мантия находится в твердом состоянии, а внешнее ядро - в жидком). Температура в центре Земли оценивается от 4000 °С до 4500 °С.

Распределение теплового потока на Земле. Тепловой поток – это количество тепла, которое поступает снизу на площадь в 1 квадратный метр за 1 секунду. Измерение теплового потока, включает в себя определение градиента температуры и лабораторное определение теплопроводности горных пород.

Величина теплового потока q рассчитывается по формуле

q = - l grad T,

где l – теплопроводность горных пород, определяемая в лаборатории,

grad T – градиент температуры, определяемый путем измерения температуры на разных глубинах в скважинах.

Среднее значение теплового потока для земного шара составляет около 50 милливатт на квадратный метр, причём, что интересно средние значения теплового потока примерно одинаковы и для континентов, и для океанов. Вместе с тем, и на континентах и в океанах они испытывают очень резкие колебания. В целом, чем моложе та или иная геологическая структура, тем выше тепловой поток. Наиболее высокие значения теплового потока зафиксированы в районах современного вулканизма, особенно в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов (иногда до 1500 милливатт на квадратный метр).