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: первичные и 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 преобразуют в тепло энергию внутриземного происхождения (энергию фазовых переходов и химических превращений, энергию тектонических движений). Первичные источники формируют тепловой режим Земли в целом, а вторичные – тепловые аномалии. Первичные источники длительны по времени – тепловые аномалии. Первичные источники длительны по времени (практически бесконечны) и значительны по мощности, вторичные – относительно кратковременны и маломощны.

Тепло радиоактивного распада называют радиогенным. Количество тепла, образующегося в единицу времени в результате распада одного грамма радиоактивного вещества, называется удельным радиогенным теплом. 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 энергия превращается в тепло. Все радиоактивные источники выделяют внутри Земли 4∙10²⁰-4∙10²¹ Дж ежегодно.

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. Учитывая, что в году около 3∙10⁷ с, и принимая во внимание, что под воздействием солнечного излучения находится постоянно только половина поверхности Земли, то количество тепла, передаваемое Солнцем верхним слоям атмосферы Земли за год примерно составляет 27∙10²³ Дж/год. Примерно половина этого тепла поглощается атмосферой и рассеивается в мировое пространство, а вторая половина поглощается на Земле.

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. Суммарное количество тепла, выделяющееся в Земле за время ее существования за счет приливов и отливов, составляет примерно 36∙10²⁶ Дж.

Гравитационная составляющая первичных источников тепла обусловлена выпадением на Землю мелких частиц и метеоритов и переходом их кинетической энергии в тепловую. Кроме того, 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 10³⁰ Дж.

Основными вторичным источником тепла является энергия тектонических движений, которая выделяется при землетрясениях в результате трения 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.