Тепловое поле Земли и его циклические изменения. 
Термодинамика океана

Тепловое поле, равно как и другие физические поля, связывают с материальной средой, в которой возникают и взаимодействуют тепловые потоки. Последние, воздействуя на материальные, в частности природные объекты, определяют их тепловой режим, обусловливая деформацию теплового поля.

Есть физический смысл характеризовать тепловое поле посредством параметров потенциала U и напряженности Е. Однако, в результате сложившихся многолетних представлений оперируют понятиями теплового потока, геотермической ступени и др.

К тепловым свойством природных объектов относятся теплопроводность л (единица измерения Вт/м*К) и теплоемкость С (единица измерения Дж/кг*К) .

Земля, как природный объект, представляет собой тепловой космический модуль, характеризующийся тепловым полем. Это поле складывается из постоянного внутреннего поля Земли (основное поле) и переменного теплового поля, присущего земным оболочкам (литосфере, гидросфере и атмосфере).

Тепловое поле Земли формируется под действием следующих энергетических процессов:

• 1) Солнечная энергия (получаемая и переизлучаемая обратно);
• 2) Геотермическая потеря теплоты;
• 3) Энергия, теряющаяся при замедлении вращения Земли;
• 4) Упругая энергия, высвобождающаяся при землетрясениях.

Одним из главных источников современной тепловой энергии в земной коре является радиоактивный распад долгоживущих изотопов. Источником тепла является также процесс дифференциалами вещества мантии.

Основной характеристикой теплового поля Земли является поток теплоты через земную поверхность, т. е. тепловой поток Q (единица измерения Вт/м 2). Параметр Q описывается уравнением теплопроводности:

где.

л — коэффициент теплопроводности (Вт/м*К);

— вертикальный градиент изменения температуры (К/м).

Знак «-» указывает на убывание температуры.

Зональность земных недр по распределению теплового потока, изучена недостаточно в силу отсутствия инструментов проникновения вглубь геосфер.

По геотермическим и косвенным данным (термальные воды, излияния раскалённых лав) выделяют в земной толще три характерных термических зоны:

• 1) Приповерхностная (гелиометрическая). Толщина h = 0,03 км. Температура t зависит от солнечной радиации. Имеет место ярко выраженный суточный, сезонный, годовой и многовековой ход.
• 2) Нейтральная (слой постоянной температуры). Это тонкий слой постоянной среднегодовой температуры, который в зависимости от температурных поясов находится на глубинах от 10 до 30−50 м.
• 3) Геотермическая. Это вся нижележащая толща земной коры, мантия и земное ядро. Температура определяется тепловыми источниками Земли.

Исходя из представлений, что ядро состоит из железа, проведены расчеты температуры плавления с учетом давления. Согласно расчетам t на границе мантии и ядра должна быть 37 000, а t внутреннего ядра — 50 000. Температура внутри Земли интенсивно возрастает до глубины 200 км, после чего ее рост с глубиной замедляется.

Тепловое состояние Земли и закономерности его изменения определяются:

• 1) энергией космического и солнечного излучения;
• 2) внутренним теплом земных оболочек.

В связи с этим разделяют тепловые источники внешние (космические) и внутренние (планетарные).

Внешние источники: — солнечная радиация;

• — излучение звезд;
• — энергия метеоритов, падающих на Землю;
• — гравитационное воздействие Луны и Солнца;

Внутренние источники:

• — дифференциация вещества мантии;
• — выделение радиационного тепла, вследствие ядерных реакций;
• — химические реакции;
• — гидротермальные процессы.

Натурные измерения теплового потока на поверхности Земли выполнены не равномерно. Мало измерений получено в Южной Америке, Африке, Антарктиде. На основании имеющихся измерений построена карта распределения теплового потока на поверхности Земли. Сделан вывод, что закономерностей изменения теплового потока от континентов к океанам не обнаруживается, притом, что внутри континентальных и океанических областей существует тесная корреляционная зависимость Q и основных геологических структур. На континентах Q характеризуется минимумами на щитах, а максимумами в орогенных областях. В океанах, в противоположность к материкам Q min имеет место на крыльях хребтов и в глубоководных желобах.

Для решения ряда теоретических и практических проблем, связанных с механизмом преобразования солнечной энергии в географической оболочке Земли, определяется так называемый тепловой баланс Земли. Тепловой баланс (Т.Б.) обычно представляется в виде уравнений, учитывающих все источники поступления и расходования тепла. Первые имеют знак плюс, а вторые — минус.

Наиболее полно к настоящему времени исследован Т.Б. системы земля — атмосфера. Расчеты Т. Б. обычно производят в условных единицах. Например, если количество солнечной радиации, поступающей на верхнюю границу всей атмосферы принять за 100 усл. ед., то в результате получают, что из этих 100 усл. ед. Земля, как планета, рассеивает и отражает в мировое пространство 35 усл. ед., а остальные 65 усл. ед. поглощает.

Расчеты и наблюдения за температурой планеты Земля в целом, земной поверхности и атмосферы в отдельности, свидетельствуют о том, что температура в них не претерпевает каких-либо изменений от года к году, т.к. эти структуры находятся в тепловом равновесии.

Источники получения тепла: — поглощение солнечной радиации атмосферой и земной поверхностью.

Потеря тепла: — инфракрасное излучение земной поверхности в мировое пространство;

— инфракрасная радиация, излучаемая атмосферой в мировое пространство.

Уравнение Т.Б.: Приход = Расход.

При необходимости, составляющие Т.Б. выражают не в условных, а в энергетических единицах.

Если рассматривать Т.Б. отдельных широтных зон, то исследования показывают, что поток поглощаемой атмосферой и земной поверхностью солнечной радиации быстро уменьшается от экватора к полюсу. Это связано с уменьшением полуденной высоты Солнца от экватора к полюсам.

Наряду с солнечной радиацией некоторую роль в Т.Б. играет длинноволновая радиация атмосферы и земной поверхности. Она убывает от экватора к полюсам с меньшей интенсивностью. Это приводит к тому, что в тропических широтах создается избыток тепла, а в полярных широтах его потеря. Вследствие этого следует предполагать об избыточном притоке тепла и его возрастании от года к году в приэкваториальных зонах и постепенном понижении тепла в умеренных и приполярных зонах. Но этого не происходит, поскольку атмосфера является своего рода тепловой машиной.

КПД (коэффициент полезного действия) «Атмосферы» прямо пропорционален разности температур между «нагревателем» (экватором) и «холодильником» (полюсами). По ориентировочным оценкам он (КПД атмосферы) равен 2%. Это значит, что эти 2% поглощаемых Землей солнечной радиации превращается в кинетическую энергию ветра. Перенос тепла от экватора к полюсам осуществляют в основном циклоны и антициклоны, притом, что из количества избыточного тепла переносится 90%. Остальные 10% переносятся водой.

Морские течения — это своего рода водяное отопление планеты Земля. Теплые течения обогревают высокоширотные области, а холодные — охлаждают жаркие тропические области.

Таким образом, атмосферная циркуляция и морские течения стремятся выровнять температуру между экватором и полюсами, а солнечная радиация, наоборот, увеличить её (температуру). Оба процесса очень изменчивы, поэтому равновесие между ними пульсирующее. Изменение их длительности вызывает изменение климата планеты Земля.

Следует дополнительно отметить, что в атмосфере «работают» и «тепловые машины» второго рода, которые возникают (обусловливаются) контрастом температур между океанами и сушей. (В отличие от суши океаны обладают огромной теплоемкостью и их нагрев, и охлаждение более медленные). Тепловые машины второго рода работают по циклам зима-лето. Т. е. зимой океаны «нагреватели», а континенты «холодильники», летом наоборот. Движение воздуха, вызываемое тепловыми машинами 2-го рода, осуществляется в форме муссонов. Последние представляют собой преобладающие ветры, дующие у поверхности Земли зимой с материка на океан, а летом — с океана на материк. Тепловые машины 2-го рода по мере приближения к океану смягчают земную стужу и уменьшают летнюю жару, а по мере приближения к материкам климат становится более континентальным.

Общая характеристика температурного (теплового) поля Земли складывается из температурного режима её недр и поверхности вследствие превращения в тепловую энергию других видов энергии (солнечной, радиоактивного распада, вулканической деятельности, гравитационного сжатия, приливного трения и др.). Природа и мощность источников тепла, механизм его переноса через горные породы определяется тепловым потоком Q.

На больших глубинах передача тепла осуществляется за счет излучения нагретого вещества недр и конвекции. Ближе к поверхности наряду с конвекцией при переносе тепла влияет молекулярная теплопроводность.

Наряду с региональным тепловым потоком из недр существуют локальные тепловые потоки (циркуляция подземных вод, влияние многолетнемерзлых пород и др.). К локальным тепловым потокам следует отнести и тепловые потоки от температурных техногенных полей. К ним относятся источники теплового загрязнения (горячие цеха, подземные газоходы и теплотрассы, сбросы горячих технологических вод и др.). Концентрация техногенных тепловых источников, в частности под городами и поселками, приводит к формированию тепловых куполов.

В целом, техногенные температурные поля охватывают своим влиянием примерно 5−10% всей территории суши. В соответствии с этим определенным образом «изменяют свой ритм» тепловые машины 2-го рода.