Тепловое поле Земли. Геотермия

Геотермика изучает тепловое состояние Земли и распределение температуры в её недрах. Вопрос о распределении температуры тесно связан с распределением источников тепла в глубинах Земли. Оба этих вопроса имеют фундаментальное значение для любых гипотез о строении и эволюции Земли.

Изучение тепловых процессов, протекающих в Земле, - один из самых умозрительных разделов геофизики. Объясняется это тем, что данные о наблюдаемом на поверхности тепловом потоке и температуре в недрах Земли можно интерпретировать многими различными способами. Для областей Земли глубже 100 км наши знания о распределении температуры весьма ненадёжны. Однако изучение теплового режима весьма важно, поскольку потеря тепловой энергии Землёй может быть, прямо или косвенно, причиной большей части тектонических и магматических процессов.

Самое большое количество энергии Земля получает от Солнца (10³² эрг/год), но значительная её часть излучается обратно в пространство. Лишь малая доля солнечной энергии проникает на глубину, измеряемую метрами. В целом, термический режим на поверхности нашей планеты определяется, прежде всего, ее расстоянием до Солнца. Увеличение среднего расстояния до Солнца всего на 1% привело бы к падению температуры на поверхности Земли до -90 ⁰С и полному ее покрытию льдом и снегом. Приближение Земли к Солнцу на 5…6% современного среднего расстояния вызвало бы сильное разогревание ее. Другим важным фактором, влияющим на тепловой баланс и климат Земли, является атмосфера и в первую очередь ее прозрачность, а также концентрация СО₂. И третьим важным фактором, определяющим тепловой режим на поверхности Земли, является ее отражательная способность (альбедо). Так, например, наибольшее альбедо солнечной радиации у свежевыпавшего снега – до 95%, среднее альбедо водных поверхностей – до 10% и т. д. Поэтому солнечное излучение является основным источником энергии лишь для процессов, совершающихся на поверхности твёрдой Земли и над ней.

В целом, тепловое влияние солнечной энергии на процессы в недрах Земли пренебрежимо мало по сравнению с той энергией, которая выделяется внутренними источниками тепла. Энергия, высвобождающаяся при землетрясениях (10²⁵ эрг/год), как и энергия приливного трения (3·10²⁶ эрг/год), замедляющего вращение Земли, также невелика по сравнению с геотермической потерей тепла (10²⁸ эрг/год). По мере рассеяния тепла малая доля теплового потока Земли переходит в другие формы энергии, которые вызывают тектонические и магматические процессы, метаморфизм и создают магнитное поле Земли.

О том, что температура земных недр высока, свидетельствуют вулканические извержения и рост температуры при погружении в глубокие шахты. Скорость возрастания температуры с глубиной носит название геотермического градиента. Величина его заметно варьирует от места к месту и лежит в интервале 1…5 ºС на каждые 100 м. В среднем у поверхности Земли геотермический градиент составляет 20 град/км. Второй геотермической величиной, которая может быть определена экспериментально, является тепловой поток из земных недр:

где λ – коэффициент теплопроводности;

dT

dz – градиент температуры в направлении оси z.

P.S. эрг = 10 ^–7 Дж. (теплота) Дж = Вт·с = кг·м²/с² (работа)