Внутренний тепловой баланс Земли имеет фундаментальное значение для тепловой истории Земли . Поток тепла из недр Земли к поверхности оценивается в 47 ± 2 тераватт (ТВт) [1] и исходит от двух основных источников примерно в равных количествах: радиогенного тепла, производимого радиоактивным распадом изотопов в мантии и коре, и изначальное тепло, оставшееся от образования Земли . [2]
Внутреннее тепло Земли приводит в действие большинство геологических процессов [3] и движет тектоникой плит . [2] Несмотря на свое геологическое значение, эта тепловая энергия, поступающая из недр Земли, на самом деле составляет всего 0,03% от общего энергетического баланса Земли на поверхности, на который преобладает 173 000 ТВт приходящей солнечной радиации . [4] инсоляция , что в конце концов, после отражения, достигает поверхность проникает всего несколько десятков сантиметров на дневном цикле и только несколько десятков метров на годовом цикле. Это делает солнечное излучение минимально важным для внутренних процессов. [5]
Глобальные данные о плотности теплового потока собираются и обрабатываются Международной комиссией по тепловому потоку Международной ассоциации сейсмологии и физики недр Земли . [6]
Жара и ранняя оценка возраста Земли
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 [7], что контрастирует с полученным возрастом в 4,5 миллиарда лет. в 20 веке методом радиометрического датирования . [8] Как указал Джон Перри в 1895 году [9], переменная проводимость в недрах Земли может увеличить вычисленный возраст Земли до миллиардов лет, что позже подтвердило радиометрическое датирование. В отличие от обычного представления 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
Оценки общего теплового потока от недр Земли к поверхности охватывают диапазон от 43 до 49 тераватт (ТВт) (тераватт составляет 10 12 ватт ). [10] По одной из недавних оценок, 47 ТВт [1] эквивалентно среднему тепловому потоку в 91,6 мВт / м 2 , и она основана на более чем 38 000 измерений. Средние тепловые потоки континентальной и океанической коры соответственно составляют 70,9 и 105,4 мВт / м 2 . [1]
Хотя общий внутренний тепловой поток Земли к поверхности хорошо ограничен, относительный вклад двух основных источников тепла Земли, радиогенного и первичного тепла, весьма неопределен, 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. [10]
Структура Земли представляет собой жесткая наружная корка , которая состоит из более толстой континентальной коры и более тонкой океанической коры , твердой , но пластический текучей мантии , жидкого внешнего ядра и твердого внутреннего ядра . Текучесть материала пропорциональна температуре; таким образом, твердая мантия все еще может течь в течение длительного времени в зависимости от ее температуры [2] и, следовательно, как функция потока внутреннего тепла Земли. В мантии convects в ответ на тепло спасаясь от внутренней Земли, с более горячим и более плавучей мантией роста и охладителем, и , следовательно , более плотными, мантией тонуть. Этот конвективный поток мантии приводит в движение литосферные плиты Земли ; таким образом, дополнительный резервуар тепла в нижней мантии имеет решающее значение для работы тектоники плит, и одним из возможных источников является обогащение радиоактивными элементами в нижней мантии. [11]
Перенос тепла на Земле происходит за счет теплопроводности , мантийной конвекции , гидротермальной конвекции и вулканической адвекции . [12] Внутренний тепловой поток Земли к поверхности, как полагают, составляет 80% из-за мантийной конвекции, а остающееся тепло в основном происходит из земной коры [13], 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 контролем над переносом тепла из глубины 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 будет происходить из-за базального нагрева коры от мантийной конвекции. Тепловые потоки отрицательно коррелируют с возрастом горных пород [1] с самыми высокими потоками тепла от самых молодых горных пород в центрах спрединга срединно-океанических хребтов (зоны мантийного апвеллинга), как это наблюдается на глобальной карте теплового потока Земли . [1]
Источники тепла
Радиогенное тепло
Радиоактивный распад элементов в мантии и коре приводит Земли в производстве дочерних изотопов и выпуска геонейтрино и тепловой энергии, или радиогенного тепла . До 90% внутреннего тепла Земли происходит от радиоактивного распада. [14] 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). [15] Из-за отсутствия образцов горных пород с глубины менее 200 км трудно точно определить радиогенное тепло по всей мантии [15], хотя некоторые оценки доступны. [16]
Что касается ядра Земли, геохимические исследования показывают, что оно вряд ли будет значительным источником радиогенного тепла из-за ожидаемой низкой концентрации радиоактивных элементов, распадающихся на железо. [17] Производство радиогенного тепла в мантии связано со структурой мантийной конвекции , предметом многочисленных дискуссий, и считается, что мантия может иметь слоистую структуру с более высокой концентрацией радиоактивных теплопроизводящих элементов в нижних слоях. мантия, или небольшие резервуары, обогащенные радиоактивными элементами, рассредоточенными по всей мантии. [18]
Изотоп | Тепловыделение W/кг изотопа | Годы полураспада | Средняя мантийная концентрация кг изотопа/кг мантия | Тепловыделение W/кг мантия |
---|---|---|---|---|
232 Чт | 26,4 × 10 −6 | 14,0 × 10 9 | 124 × 10 −9 | 3,27 × 10 −12 |
238 U | 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 U | 569 × 10 −6 | 0,704 × 10 9 | 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 текущий радиогенный тепловой баланс, в то время как 235 U и 40 K, таким образом, не обнаруживаются. Тем не менее, 40 K, по оценкам, вносят 4 ТВт тепла. [19] Однако из-за коротких периодов полураспада распад 235 U и 40 К привел к значительной части радиогенного теплового потока на раннюю Землю, которая также была намного горячее, чем в настоящее время. [11] Первоначальные результаты измерения geoneutrino продукты радиоактивного распада внутри Земли, прокси - сервер для радиогенного тепла, дали новую оценку половины от общего внутреннего источника тепла Земли будучи радиогенный, [19] , и это согласуется с предыдущими оценками . [18]
Первозданное тепло
Изначальное тепло - это тепло, теряемое Землей, поскольку она продолжает охлаждаться от своего первоначального образования, и это контрастирует с ее все еще активно производимым радиогенным теплом. Тепловой поток ядра Земли - тепло, покидающее ядро и перетекающее в вышележащую мантию, - считается результатом изначального тепла и оценивается в 5–15 ТВт. [20] Оценки первичных потерь тепла в мантии находятся в диапазоне от 7 до 15 ТВт, который рассчитывается как остаток тепла после удаления теплового потока ядра и радиогенного производства тепла в объеме Земли из наблюдаемого поверхностного теплового потока. [10]
Раннее формирование плотного ядра Земли могло вызвать перегрев и быструю потерю тепла, а скорость потери тепла снизилась бы после затвердевания мантии. [20] Тепловой поток от ядра необходим для поддержания конвектирующего внешнего ядра и геодинамо и магнитного поля Земли ; поэтому изначальное тепло ядра позволило создать атмосферу Земли и, таким образом, помочь удержать жидкую воду на Земле. [18]
Тепловой поток и тектонические плиты
Разногласия по поводу точной природы мантийной конвекции затрудняют понимание взаимосвязанной эволюции теплового баланса Земли и динамики и структуры мантии. [18] Есть свидетельства того, что процессы тектоники плит не были активны на Земле до 3,2 миллиарда лет назад, и что внутренние потери тепла на ранней Земле могли определяться адвекцией через вулканизм с тепловыми трубками . [21] Земные тела с более низкими тепловыми потоками, такими как Луна и Марс , проводят свое внутреннее тепло через одну литосферную плиту, а более высокие тепловые потоки, такие как на спутнике Юпитера Ио , приводят к адвективному переносу тепла через усиленный вулканизм, в то время как Активная тектоника плит Земли протекает с промежуточным тепловым потоком и конвектирующей мантией . [21]
Смотрите также
- Геотермальная энергия
- Геотермальный градиент
- Планетарная дифференциация
- Тепловая история Земли
Рекомендации
- ^ Б с д е е Davies, JH, и Дэвис, Д. Р. (2010). Тепловой поток на поверхности Земли. Твердая Земля, 1 (1), 5–24.
- ^ a b c d e е Дональд Л. Таркотт; Джеральд Шуберт (25 марта 2002 г.). Геодинамика . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-66624-4.
- Перейти ↑ Buffett, BA (2007). Измерение температуры Земли. Наука, 315 (5820), 1801–1802.
- ^ Арчер, Д. (2012). Глобальное потепление: понимание прогноза . ISBN 978-0-470-94341-0.
- ^ Лоури, W. (2007). Основы геофизики . Кембридж: КУБОК, 2-е изд.
- ^ www.ihfc-iugg.org IHFC: Международная комиссия по тепловому потоку - домашняя страница. Проверено 18.09.2019.
- ^ Томсон, Уильям. (1864 г.). О светском похолодании земли прочтите 28 апреля 1862 г. Труды Эдинбургского королевского общества , 23, 157–170.
- ^ 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 древние породы Земли (События в геологии докембрия, том 15, 2007 г.) . Эльзевир. С. 21–30. ISBN 978-0-08-055247-7.
- ^ Англия, Филипп; Мольнар, Питер; Рихтер, Франк (2007). «Пренебрегаемая критика Джона Перри возраста Земли по Кельвину: упущенная возможность в геодинамике» . GSA сегодня . 17 (1): 4–9. DOI : 10.1130 / GSAT01701A.1 .
- ^ a b c Краситель, СТ (2012). Геонейтрино и радиоактивная энергия Земли. Обзоры геофизики, 50 (3). DOI: 10.1029 / 2012RG000400
- ^ a b Аревало-младший, Р., МакДонаф, У. 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.
- ^ Jaupart, С, & Марешаль, JC (2007). Тепловой поток и термическая структура литосферы. Трактат по геофизике, 6, 217–251.
- ^ Korenaga, J. (2003). Энергетика мантийной конвекции и судьба ископаемого тепла. Письма о геофизических исследованиях, 30 (8), 1437.
- ^ «Пробный вопрос: что нагревает ядро Земли?» . Phys.org . Проверено 4 апреля 2021 .
- ^ a b Коренага, Дж. (2011). Бюджет тепла Земли: Ясновидящие геонейтрино. Природа Геонауки, 4 (9), 581–582.
- ^ Шрамек, Ондржей; McDonough, William F .; Кайт, Эдвин С .; Лекич, Ведран; Краска, Стивен Т .; Чжун, Шицзе (01.01.2013). «Геофизические и геохимические ограничения на потоки геонейтрино из мантии Земли». Письма о Земле и планетах . 361 : 356–366. arXiv : 1207.0853 . Bibcode : 2013E и PSL.361..356S . DOI : 10.1016 / j.epsl.2012.11.001 . ISSN 0012-821X . S2CID 15284566 .
- ^ Макдоноу, У.Ф. (2003), "Композиционная модель ядра Земли", Трактат по геохимии , Эльзевир, стр. 547–568, Bibcode : 2003TrGeo ... 2..547M , doi : 10.1016 / b0-08-043751-6 / 02015-6 , ISBN 9780080437514
- ^ а б в г Коренага, Дж. (2008). Коэффициент Юри, структура и эволюция мантии Земли. Обзоры геофизики, 46 (2).
- ^ a b Гандо, А., Дуайер, Д.А., Маккеун, Р.Д., и Чжан, К. (2011). Модель частичного радиогенного тепла для Земли, выявленная при измерениях геонейтрино. Природа Геонауки, 4 (9), 647–651.
- ^ Б Лей, Т., Hernlund J., & Баффет, Б.А. (2008). Граничный тепловой поток ядро – мантия. Природа Геонауки, 1 (1), 25–32.
- ^ а б в Мур, ВБ, и Уэбб, AAG (2013). Тепловая трубка Земля. Природа, 501 (7468), 501–505.
- ^ Пиз, В., Персиваль, J., Смитис, Х. Стивенс, Г., и Кранендонк, M. (2008). Когда началась тектоника плит? Свидетельства из орогенной записи. Когда началась тектоника плит на планете Земля, 199–208 гг.
- Перейти ↑ Stern, RJ (2008). Тектоника плит в современном стиле началась в неопротерозое: альтернативная интерпретация тектонической истории Земли. Когда началась тектоника плит на планете Земля, 265–280 гг.