Внутренний тепловой баланс Земли имеет основополагающее значение для тепловой истории Земли . Поток тепла из недр Земли на поверхность оценивается в 47±2 тераватт (ТВт) [1] и поступает из двух основных источников в примерно равных количествах: радиогенное тепло, производимое радиоактивным распадом изотопов в мантии и коре, и первичное тепло, оставшееся от образования Земли . [2]
Внутреннее тепло Земли распространяется вдоль геотермических градиентов и питает большинство геологических процессов. [3] Оно управляет конвекцией мантии , тектоникой плит , горообразованием , метаморфизмом горных пород и вулканизмом . [2] Также предполагается, что конвективный перенос тепла внутри высокотемпературного металлического ядра планеты поддерживает геодинамо , которое генерирует магнитное поле Земли . [4] [5] [6]
Несмотря на свою геологическую значимость, внутреннее тепло Земли вносит лишь 0,03% в общий энергетический бюджет Земли на поверхности, который в основном состоит из 173 000 ТВт входящего солнечного излучения . [7] Этот внешний источник энергии питает большую часть атмосферных, океанических и биологических процессов планеты. Тем не менее, на суше и на дне океана явное тепло, поглощенное из неотражённой инсоляции, течёт внутрь только посредством теплопроводности и, таким образом, проникает всего на несколько десятков сантиметров в суточном цикле и всего на несколько десятков метров в годовом цикле. Это делает солнечное излучение минимально значимым для процессов, происходящих внутри земной коры . [8]
Глобальные данные о плотности теплового потока собираются и обобщаются Международной комиссией по тепловому потоку Международной ассоциации сейсмологии и физики недр Земли . [9]
На основе расчетов скорости остывания Земли, которые предполагали постоянную проводимость в недрах Земли, в 1862 году Уильям Томсон , позже лорд Кельвин , оценил возраст Земли в 98 миллионов лет, [10] что контрастирует с возрастом в 4,5 миллиарда лет, полученным в 20 веке с помощью радиометрического датирования . [11] Как указал Джон Перри в 1895 году [12], переменная проводимость в недрах Земли может расширить вычисленный возраст Земли до миллиардов лет, что позже подтвердилось радиометрическим датированием. Вопреки обычному представлению аргумента Томсона, наблюдаемый тепловой градиент земной коры не может быть объяснен добавлением радиоактивности в качестве источника тепла. Что еще более важно, конвекция мантии изменяет способ переноса тепла внутри Земли, опровергая предположение Томсона об охлаждении исключительно за счет проводимости.
Оценки общего теплового потока из недр Земли на поверхность составляют от 43 до 49 тераватт (ТВт) (тераватт равен 10 12 Вт ). [13] Одна из последних оценок составляет 47 ТВт, [1] что эквивалентно среднему тепловому потоку 91,6 мВт/м 2 и основана на более чем 38 000 измерениях. Соответствующие средние тепловые потоки континентальной и океанической коры составляют 70,9 и 105,4 мВт/м 2. [1]
В то время как общий внутренний поток тепла 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. [13]
Структура Земли представляет собой жесткую внешнюю кору , состоящую из более толстой континентальной коры и более тонкой океанической коры , твердой, но пластично текущей мантии , жидкого внешнего ядра и твердого внутреннего ядра . Текучесть материала пропорциональна температуре; таким образом, твердая мантия все еще может течь в длительных временных масштабах, как функция ее температуры [2] и, следовательно, как функция потока внутреннего тепла Земли. Мантия конвектирует в ответ на тепло, выходящее из недр Земли, при этом более горячая и более плавучая мантия поднимается, а более холодная и, следовательно, более плотная мантия опускается. 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. [14]
Перенос тепла Землей происходит за счет теплопроводности , конвекции мантии , гидротермальной конвекции и вулканической адвекции . [15] Считается, что внутренний поток тепла Земли к поверхности на 80% обусловлен конвекцией мантии, а оставшееся тепло в основном возникает в земной коре, [16] и около 1% за счет вулканической активности, землетрясений и горообразования. [2] Таким образом, около 99% внутренних потерь тепла Землей на поверхности происходит за счет теплопроводности через кору, а конвекция мантии является доминирующим регулятором переноса тепла из глубины Земли. Большая часть теплового потока из более толстой континентальной коры приписывается внутренним радиогенным источникам; в отличие от этого, более тонкая океаническая кора имеет только 2% внутреннего радиогенного тепла. [2] Оставшийся тепловой поток на поверхности будет обусловлен базальным нагревом коры от конвекции мантии. Тепловые потоки отрицательно коррелируют с возрастом горных пород [1], при этом самые высокие тепловые потоки исходят от самых молодых горных пород в центрах спрединга срединно-океанических хребтов (зоны подъема мантии), как это наблюдается на глобальной карте теплового потока Земли [1] .
Радиоактивный распад элементов в мантии и коре Земли приводит к образованию дочерних изотопов и высвобождению геонейтрино и тепловой энергии, или радиогенного тепла . Около 50% внутреннего тепла Земли возникает в результате радиоактивного распада. [17] Четыре радиоактивных изотопа ответственны за большую часть радиогенного тепла из-за их обогащения относительно других радиоактивных изотопов: уран-238 ( 238 U), уран-235 ( 235 U), торий-232 ( 232 Th) и калий-40 ( 40 K). [18] Из-за отсутствия образцов горных пород с глубины более 200 км трудно точно определить радиогенное тепло во всей мантии, [18] хотя некоторые оценки доступны. [19]
Что касается ядра Земли, то геохимические исследования показывают, что оно вряд ли будет значительным источником радиогенного тепла из-за ожидаемой низкой концентрации радиоактивных элементов, разделяющихся на железо. [20] Производство радиогенного тепла в мантии связано со структурой мантийной конвекции , темой многочисленных споров, и считается, что мантия может иметь либо слоистую структуру с более высокой концентрацией радиоактивных теплопроизводящих элементов в нижней мантии, либо небольшие резервуары, обогащенные радиоактивными элементами, рассеянными по всей мантии. [21]
Детекторы геонейтрино могут обнаружить распад 238 U и 232 Th и, таким образом, позволяют оценить их вклад в текущий бюджет радиогенного тепла, в то время как 235 U и 40 K таким образом обнаружить невозможно. Независимо от этого, 40 K оценивается как источник 4 ТВт тепла. [22] Однако из-за коротких периодов полураспада распад 235 U и 40 K внес большую долю радиогенного теплового потока в раннюю Землю, которая также была намного горячее, чем в настоящее время. [14] Первоначальные результаты измерения продуктов геонейтрино радиоактивного распада изнутри Земли, косвенный показатель радиогенного тепла, дали новую оценку половины общего внутреннего источника тепла Земли, являющегося радиогенным, [22] и это согласуется с предыдущими оценками. [21]
Первичное тепло — это тепло, теряемое Землей по мере ее дальнейшего охлаждения с момента ее первоначального формирования, и это контрастирует с ее все еще активно вырабатываемым радиогенным теплом. Считается, что тепловой поток ядра Земли — тепло, покидающее ядро и текущее в вышележащую мантию — обусловлен первичным теплом и оценивается в 5–15 ТВт. [23] Оценки первичных теплопотерь мантии колеблются от 7 до 15 ТВт, что рассчитывается как остаток тепла после удаления теплового потока ядра и производства радиогенного тепла основной частью Земли из наблюдаемого поверхностного теплового потока. [13]
Раннее формирование плотного ядра Земли могло вызвать перегрев и быструю потерю тепла, а скорость потери тепла замедлилась бы после затвердевания мантии. [23] Тепловой поток из ядра необходим для поддержания конвективного внешнего ядра, геодинамо и магнитного поля Земли ; поэтому изначальное тепло из ядра обеспечивало существование атмосферы Земли и, таким образом, помогало удерживать жидкую воду на Земле. [21]
Первичная тепловая энергия возникает из потенциальной энергии, высвобождаемой при коллапсе большого количества материи в гравитационную яму , и кинетической энергии аккрецированной материи.
Разногласия относительно точной природы конвекции мантии затрудняют понимание связанной эволюции теплового баланса Земли, динамики и структуры мантии. [21] Имеются доказательства того, что процессы тектоники плит не были активны на Земле до 3,2 миллиарда лет назад, и что ранние внутренние потери тепла Земли могли быть обусловлены адвекцией через вулканизм тепловой трубы . [24] Земные тела с более низкими тепловыми потоками, такие 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 происходит с промежуточным тепловым потоком и конвективной мантией . [24]
Медиа, связанные с внутренним тепловым балансом Земли на Wikimedia Commons
