Общая характеристика теплового поля Земли

Источниками теплового поля Земли являются процессы, протекающие в ее недрах, и тепловая энергия Солнца. К внутренним источникам тепла относят радиогенное тепло, которое создается благодаря распаду рассеянных в горных породах изотопов урана, тория, калия и иных радиоактивных элементов, и тепло, обусловленное различными процессами, протекающими в Земле (гравитационной дифференциацией, плавлением, химическими реакциями с выделением или поглощением тепла, деформацией за счет приливов под действием Луны и Солнца и некоторыми другими). Тепловая энергия перечисленных источников, высвобождающаяся на земной поверхности в единицу времени, значительно выше энергии тектонических, сейсмических, гидротермальных процессов.

Внутреннее тепловое поле отличается высоким постоянством. Оно не оказывает влияния на температуру вблизи земной поверхности или климат, так как энергия, поступающая на земную поверхность от Солнца, в 1000 больше, чем из недр. Вместе с тем среднее тепловое воздействие Солнца не определяет теплового состояния Земли и способно поддерживать постоянную температуру на поверхности Земли около 0 С. Фактически же благодаря изменению солнечной активности температура приповерхностного слоя воздуха, а с некоторым запаздыванием и температура горных пород изменяются.

Суточные, сезонные, многолетние и многовековые вариации солнечной активности приводят к соответствующим циклическим изменениям температур воздуха. Чем больше период цикличности, тем больше глубина их теплового воздействия. Например, суточные колебания температуры воздуха проявляются в почвенном слое глубиной 1 — 1,5 м. Это связано с переносом солнечного теплового потока за счет молекулярной теплопроводности пород и конвекции воздуха, паров воды, инфильтрирующихся осадков и подземных вод. Сезонные (годовые) колебания вызывают изменения температур на глубинах до 20 — 40 м. На таких глубинах теплопередача осуществляется в основном за счет молекулярной теплопроводности, а также движения подземных вод. На глубинах 20 — 40 м располагается нейтральный слой (или зона постоянных годовых температур). В нем температура остается практически постоянной и в каждом районе в среднем на 3,7 С выше среднегодовой температуры воздуха. Многовековые климатические изменения сказываются на вариациях температур сравнительно больших глубин. Например, похолодания и потепления в четвертичном периоде влияли на тепловой режим Земли до глубин 3 — 4 км.

Таким образом, если не учитывать многовековых климатических изменений, то можно считать, что ниже зоны постоянных температур (на глубинах свыше 40 м) влиянием цикличности солнечной активности можно пренебречь, а температурный режим пород определяется глубинным потоком тепла и особенностями термических свойств пород.

Ниже нейтрального слоя температура пород повышается в среднем на 3 С при погружении на каждые 100 м. Это объясняется наличием регионального теплового потока от источников внутреннего тепла Земли, поднимающегося к поверхности. Его величину принято характеризовать плотностью теплового потока (или просто тепловым потоком). Среднее значение теплового потока как на суше, так и в океанах одинаково и составляет 0,06 Вт/м2, отклоняясь от него не более чем в 5 — 7 раз. Постоянство средних тепловых потоков суши и океанов при резком изменении мощностей и строения земной коры свидетельствует о различии в тепловом строении верхней мантии. Поэтому аномалии тепловых потоков, т. е. отклонения от установленных средних потоков, несут информацию о строении и земной коры, и верхней мантии.

Установлено, что основной источник тепла на континентах — энергия радиоактивного распада. Это объясняется большей концентрацией радиоактивных элементов в земной коре, чем в мантии. В океанах, где мощность земной коры мала, основным источником тепла являются процессы в мантии на глубинах до 700 — 1000 км. Радиогенное тепло является основным среди других видов тепловой энергии недр. За время существования Земли оно более чем в 2 раза превысило потери за счет теплопроводности.

Тепловой поток определяется не только природой и мощностью источников тепла, но и его переносом через горные породы. Тепло передается посредством молекулярной теплопроводности горных пород, конвекции и излучения. На больших глубинах (свыше 10 км) передача тепла осуществляется в основном за счет излучения нагретого вещества недр и конвекции, обусловленной движением блоков земной коры, расплавленных лав, гидротерм. На меньших глубинах перенос тепла связан с молекулярной теплопроводностью и конвекцией подземными водами.

Тепловое поле существует за счет неравномерного нагревания вещества Земли — горных пород, вод и воздуха, в результате чего возникает пространственная неравномерность распределения температуры. Источниками термического поля являются внутренние и внешние процессы.

Внешний источник — солнечная радиация, проникает на глубину лишь в несколько метров. Дальнейшее увеличение температуры с глубиной (в среднем 0,3°С на 100 м) связано с внутренними источниками — распадом радиоактивных элементов, гравитационной дифференциацией вещества, приливным трением, процессами метаморфизма и фазовыми переходами вещества. Большинство исследователей главным источником внутреннего тепла считает гравитационную дифференциацию вещества. Скорость возрастания температур с глубиной зависит от теплопроводности, проницаемости горных пород и генерации тепла источниками. Основная потеря внутреннего тепла Земли (4· 1012 Вт) происходит за счет теплового потока, меньшую роль играют вулканизм, землетрясения, гидротермальные источники. Плотность теплового потока из недр определяет энергетическое состояние поверхности Земли и тектонические особенности региона. Эта величина различна и в среднем составляет (мВт/м2): для глубоководных океанических впадин — 28−65, в пределах щитов — 29−49, в геосинклинальных областях и срединно-океанических хребтах — 100−300 и более. Среднее значение для Земли равно 64−75 мВт/м2, что в несколько десятков тысяч раз меньше потока лучистой энергии Солнца.

Тепловые взаимодействия во многом зависят от вещественного состава тел (воздух, вода, горные породы), их физических свойств (теплоемкость, теплопроводность, температура фазовых превращений), а также плотности вещества.

Современное тепловое поле оказывает несомненное влияние на процессы, происходящие в оболочке, особенно на развитие Живого вещества.

Тепловые взаимодействия описываются уравнениями, вытекающими из физических законов. Фундаментальное значение для понимания процесса переноса тепла в географической оболочке имеют законы (начала) термодинамики. Первое начало термодинамики реализует закон сохранения энергии применительно к термодинамической системе и определяет влияние на систему поступления внешней энергии следующим образом: поступившее в систему тепло равно сумме приращений внутренней энергии системы и совершенной системой работой. Второе начало термодинамики объясняет поток тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.

Эти постулаты послужили основой для объяснения различных форм циркуляции вещества (круговоротов) в географической оболочке. В. В. Шулейкин ввел понятие «географическая тепловая машина». Географическая тепловая машина — это термодинамическая система, в которой из-за разности температур ее отдельных частей происходит перенос тепла и совершается работа. Часть системы с более высокой температурой называется нагревателем, другая, где температура ниже, — холодильником (рис. а). Нагреватель получает тепло от внешней среды и, согласно второму закону термодинамики, должен служить холодильником для другой системы, иначе он не может черпать тепло из внешней среды — pppa.ru. В то же время холодильник отдает тепло внешней среде, иначе он не может принимать энергию от нагревателя (рис. б). Таким образом, холодильник данной тепловой машины служит нагревателем другой системе, сопряженной с ним термодинамически. В структуре географических тепловых машин пространственно разобщенные нагреватели и холодильники объединены многочисленными потоками энергии.