Внутренняя энергия земли: ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ЗЕМЛИ: НОВАЯ ГИПОТЕЗА (ОБЗОР)

Содержание

Влияние внутренней энергии земли на формирование ландшафтной оболочки

Внутренняя энергия Земли обнаруживает себя в разнообразных, но взаимно связанных движениях земной коры. Движения эти необходимо рассматривать как частное проявление общего процесса развития всей планеты.

Процесс развития вещества нашей планеты находит своё выражение в движениях земной коры, качественно различных, но неразрывно друг с другом связанных.

Складкообразование, эпейрогенез, горообразование, землетрясения, вулканизм и возникновение изверженных пород — всё это явления, отражающие в разных аспектах внутреннюю, далеко ещё не разгаданную жизнь земного шара.

Нет ни одного элемента ландшафтной оболочки, который не испытывал бы на себе прямого или косвенного влияния эндогенных процессов.

Поднятие огромных участков земной коры влечёт за собой расширение площади континентов, осушение части морского дна, соединение островов и материков, возникновение морских и речных террас, оживление глубинной эрозии, усиление континентальности климата, создаёт дополнительную возможность миграции наземных растений и животных и т. п. Поднятие ограниченных по размерам территорий на значительную высоту, если оно не аннулируется процессами разрушения земной коры экзогенными факторами, приводит к возникновению гористого рельефа, к увеличению разнообразия климатов, к вертикальной поясности географических явлений со всеми вытекающими отсюда последствиями.

В результате опускания участков литосферы имеют место морские трансгрессии, подвергается абразии суша, разъединяются материки, от них отчленяются острова, расширяются области океанического климата, ослабевает эрозия, возрастает аккумулятивная работа рек, на Земле получает господство тенденция к развитию равнинных форм рельефа, благоприятнее становятся предпосылки для миграции морских организмов и т. п.

Извержения вулканов обогащают атмосферу пылью и углекислым газом, вызывают преобразования рельефа, влияют на органическую жизнь, гидрографическую сеть.

Землетрясения порождают деформации на земной поверхности, меняют режим грунтовых вод, стимулируют обвалы, оползни, оплывины.

Иными словами, рельеф, климат, почвы, реки, озёра, подземные воды, растения, животные, горные породы — всё это рано или поздно, в большей или меньшей степени, в той или иной форме реагирует на разнообразные движения твёрдых и огненно-жидких масс в каменной оболочке земного шара.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник внутренней энергии Земли — реакции синтеза. | Познание — расширяет границы!

Лишь синтез элементов смог наполнить планету необходимой энергией тепла и магнитного поля.

На базе существующей космологической модели формирования солнечной системы, а также новых экспериментальных фактов геохимического строения нашей планеты показано, что основным источником энергии Земли могут быть только термоядерные процессы синтеза, происходящие во внутреннем ядре планеты[1], состоящим из гидридов металлов. Предлагаемая гипотеза объясняет тепловую энергию Земли существованием водородных потоков образующих центробежный флюид — протонный газ, генерирующий магнитное поле и водород в менее плотных слоях планет, который, в свою очередь, образует воду и углеводороды.

Эта энергия является первопричиной эндогенных геодинамических и тектонических процессов происходящих в разных планетарных телах вселенной.

Идея протекания квазиядерных реакций синтеза в недрах Земли принадлежит первопроходцу во многих областях знаний профессору Э. И. Терезу [1]. Надеюсь, наше плодотворное сотрудничество приведет к удивительным открытиям и интересным для любознательных читателей статьям, с новым взглядом на парадоксы науки, таким как:

· Термоядерная природа происхождения Луны;

· Недооцененное влияние глубинного тепла на климат планеты;

· Гелий-3 — термоядерный «выдох» Земли.

Внутренняя энергия Земли

Изучение океанического дна последних десятилетий выявило значительную геотермальную активность в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов, что заставило ученых пересмотреть тепловой баланс планеты c 30 ТВт (Андерсон, 2007) [2], увеличив влияние внутреннего тепла Земли до 45 ± 3 ТВт [3-4].

Карта выхода геотермальной энергии Земли на основании наблюдений спутника «Aqua»[4].

Карта выхода геотермальной энергии Земли на основании наблюдений спутника «Aqua»[4].

Поскольку магнитное поле генерируется во внутреннем ядре планеты [5], энергия, которая требуется для его поддержания, также является неотъемлющей составляющей полной внутренней энергии Земли. В оценке этой энергии, существует большая неопределённость. Если в настоящее время уверенно определяется величина магнитного поля внешнего ядра [6], то для вычисления энергии магнитного поля на поверхности, необходимо значение относительной магнитной проницаемости μ/μo, а её величина может меняться от 1 (при прохождении магнитных силовых линий снаружи земного шара) до 100 (для внутреннего металлического ядра Земли). Следовательно, если использовать разные значения μ/μo, то расчётная энергия магнитного поля может быть в пределах от 1.7 до 170 ТВт. Условно примем среднее значение 86 ТВт. В этом случае полная энергия Земли равна сумме энергии излучения тепла через поверхность (45 ТВт) и энергии, необходимой для поддержания магнитного поля (86 ТВт), то есть 131 ТВт.

Недавно при участии 15 университетов США, Западной Европы и Японии была проведена фундаментальная работа по экспериментальному измерению величины теплового потока из недр Земли в атмосферу [7], вызванного распадом радиоактивных изотопов. Обнаружено, что радиоактивный распад 238U и 232Th даёт суммарный вклад 20 ТВт в тепловой поток планеты. Нейтрино, эмитированные вследствие распада 40K, были ниже предела чувствительности данного эксперимента, но известно, что они дают вклад не более 4 ТВт. Величина радиоактивного распада была определена по точным измерениям потока геонейтрино с помощью прибора Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector (Япония) и по имеющимся данным детектора Borexino (Италия) суммарно составляет 24 ТВт.

Получается значительное расхождение: внутри Земли генерируется 34 ТВт, а расходуется 131 ТВт.

Значительный дисбаланс (97 ТВт) вызывает серьёзные основания сомневаться, что первичный запас способен обеспечить необходимую добавочную энергию Земли. Разумнее предположить существование иного источника, позволяющего нашей планете находится в одном ряду с другими планетами по соотношению масса – светимость.

Диаграмма масса – светимость для планет.

Диаграмма масса – светимость для планет.

Гидридная теория ядра Земли

Ядро нашей планеты состоит из внешнего и внутреннего с переходным слоем между ними. Плотность внешнего ядра 10-11.5 г/см3, внутреннего ядра — порядка 13.5-25.6 г/см3. Большой разброс значений объясняется тем фактором, что данные разных исследований сильно различаются в зависимости от принятой модели геохимического строения. При использовании в вычислениях общепринятой «классической» модели: ядро – железное, мантия – силикатная получаются минимальные значения плотности внутреннего ядра (13.5-14.3 г/см3) (Жарков [8]). Согласно гипотезе В.Н. Ларина, изложенной в работе «Наша Земля» [9, стр. 61], внутреннее ядро Земли состоит из гидридов металла с плотностью 25 г/см3. Более точные вычисления авторов [5] на основании послойной модели строения Земли по массе и моменту инерции, дают величину плотности гидридов в центре ядра – 22.6 г/см3.

Квазиядерные реакции синтеза

Давление во внутреннем ядре Земли достигает порядка 3,6*106 бар. В местах пучностей продольных волн землетрясений в локальных областях давление повышается до 108 бар, при температуре порядка 6000К, достигая уровня, при котором возможно туннели́рование и протекание термоядерных реакций, как показано в работах Зельдовича и Ванг Хонг-цханга [10,11].

В местах, где возникают локальные очаги термоядерных реакций, должна резко возрастать температура. При этом происходит разложение гидридов, переход водорода из гидрид-ионной формы в протонный газ и, соответственно, выделение большого количества водорода. При этом объем вещества существенно увеличивается без изменения массы (в одном кубическом сантиметре гидрида железа заключено 550 кубических сантиметров водорода). Что, в свою очередь, приводит к увеличению объёма вещества ядра планеты, при незначительном изменении массы. Иными словами, гидриды внутреннего ядра разлагаются на металл внешнего ядра и водород, что должно приводить и к увеличению объема Земного шара [12]. Следует отметить, что цепной термоядерной реакции происходить не может, т.к. избыток тепла уходит с водородом-теплоносителем во внешние сферы (глубинные флюиды [13]), и температура падает.

Внутреннее ядро Земли как бы очень медленно “кипит” подобно смоле, т. е. при сложении упругих волн спорадически в разных местах внутреннего ядра возникают локальные реакции синтеза. Назовем этот процесс “квазитермоядерным”[5].

Энергетический баланс разложения гидридов в ядре можно представить в следующем виде:

dQT + m = p dV + dQH,

где m – химический потенциал водорода в гидридах,

dQТ – термоядерное тепло, спорадических реакций синтеза водорода в ядре

p dV – работа по разуплотнению (dV) при давлении (p) в зоне разуплотнения,

dQH– тепло, уносимое из зоны разуплотнения протонным газом (ядрами водорода) как теплоносителем, поэтому температура на поверхности твёрдого ядра должна быть выше, чем внутри [5].

Расширение Земли

В течение многих лет в геологии конкурируют две идеи: «фиксистов», утверждающих, что земная кора стоит на месте относительно своих «глубинных корней», т.е. зон магмагенерации в мантии, и «мобилистов», утверждающих, что земной шар растет, и части земной коры постоянно смещаются (плавают) по верхней части мантии (астеносфере). В свете вышесказанного наиболее правдоподобной представляется гипотеза роста земной поверхности, которая происходила и продолжается в рифтовых зонах, в основном за счет увеличения площади дна мирового океана при неизменности очертаний материковых плит.

Месторождения гелия-3 веское доказательство протекания реакций синтеза в недрах

Существенным доказательством реакций ядерного синтеза во внутреннем ядре Земли, состоящем из гидридов металлов, является распределение концентрации изотопов гелия. Группой профессора Мамырина (Ленинградский физико-технический институт) в 1968 г. [14] при исследовании химсостава газов вулканических выбросов на Камчатке было обнаружено, что отношение 3He/4He в мантии Земли стабильно и в тысячу раз больше, чем в земной коре. Позже эффект истечения 3He из глубоких трещин в земной коре и при извержении вулканов был обнаружен и в других регионах земного шара.

Подчеркнем, что Гелий-3 образуется исключительно при протекании реакций синтеза. Ни при каких реакциях распада тяжелых элементов его образование невозможно.

Следует отметить, что 3He не может быть и “первичным гелием”- остатками вещества сверхновой звезды, из которого образовались планеты, ибо в этом случае максимальная температура Земли при её формировании не должна была превышать 800 – 1000К, что нереально [5].

Соотношение 3He/4He в земной коре резко уменьшается, так как 3He смешивается с изотопом 4He, в основном образующимся при радиоактивном распаде урана и тория. Далее гелий через разломы в земной коре и вулканы попадает в атмосферу Земли и улетучивается в космос.

Если конец ХХ века и начало ХХI века характеризуются бумом информационных и коммуникационных технологий, то последующие десятилетия будут веком революции в энергетической сфере, и в первую очередь в водородной энергетике, в понимании происхождения потоков водорода из недр Земли, порождённых «квазиядерными» реакциями синтеза. Практическое решение этих проблем может прийти неожиданно. И та страна (тот коллектив ученых), кому удастся найти это решение, сделает гигантский технологический скачок в будущее, станет законодателем мод не только в науке и технике, но и в политике.

Источники:

1. Терез Э.И., Терез И.Э./ «Реакции синтеза – основной источник внутренней энергии Земли» / Известия Крымской астрофизической обсерватории. Т. 107. № 1. — 2011. С.152-164.

2. Андерсон (.Anderson Don L.) New Theory of the Earth // Cambridge U. Press, New York, 2007, 384 pp.

3. Лей, Нернлунд, Баффит ( Lay T, Hernlund J. and .Buffett B.A.) // Nature geoscience, V.1, 2008, p.25-32.

4. J. H. Davies and D. R. Davies / Earth’s surface heat flux / Solid Earth, 1, 5–24, 2010

5. Терез Э.И., Дабахов И.А. / Реакции синтеза — основной источник внутренней энергии Земли и абиогенного происхождения углеводородов / ResearchGate / 01.2019

6. Баранов М.И. / Электротехника и электроника. 2010. Т. 6. C. 46–48.

7. Gando A., Gando Y., Ichimura K., et al. // Nature Geoscience. 2011. V. 4. P. 647–651.

8. Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет.М.: Наука, 1983.

9. Ларин В.Н. Наша Земля / М.- Изд. «Агар». – 2005. – 242 с.

10. Зельдович Я.Б. // Жур. экспер. и теор. физики. – 1957.- т.33. – вып.4. – С.991-993.

11. Ванг Хонг-цханг (Wang Hong-zhang) // Chin. Astron. Astrophys. 1990. V. 14/4, P. 361

12. Дабахов И.А. / Земля под нами расширяется / 10.10.2017

13. Летников Ф.А. Сверхглубинные флюидные системы Земли и проблемы рудогенеза // Глубинный магматизм, магматические источники и проблемы плюмов. Труды 2 Международного семинара, Владивосток, 2002 Иркутск; Владивосток: Изд-во ИрГТУ, 2002. С.5-24.

14. Мамырин Б.А., Ануфриев Г.С., Хабарин Л.В. и др. / Закономерность распределения концентрации изотопов гелия Земли. / Госреестр открытий СССР. Приоритет № 253 от 2.07.1968.

Внутренняя энергия Земли — презентация онлайн

1. Внутренняя энергия Земли

Лилия Мокеева
Анастасия Васильева

2. Внутренняя энергия Земли

Она появилась вследствие нескольких процессов, главные из
которых — аккреция и радиоактивность. По мнению ученых,
становление Земли и ее массы произошло за несколько
миллионов лет, причем произошло это вследствие
образования планетезималей. Они слипались,
соответственно, масса Земли становилась все больше. После
того как наша планета стала иметь современную массу, но
еще была лишена атмосферы, на нее беспрепятственно
падали метеорные и астероидные тела. Этот процесс как раз
и называется аккрецией, и приводил он к тому, что
выделялась значительная гравитационная энергия. И чем
большие по размеру тела попадали на планету, тем в
большем объеме выделялась энергия, содержащаяся в
недрах Земли
Эта гравитационная дифференциация привела к тому, что
вещества стали расслаиваться: тяжелые вещества просто
тонули, а легкие и летучие всплывали. Дифференциация
сказывалась также и на дополнительном выделении
гравитационной энергии.

3. Геотермальная энергия

— это тепло земных недр. Вырабатывается оно в
глубинах и поступает к поверхности Земли в разных
формах и с различной интенсивностью.
Геотермальная энергия земли получается
следующим образом: лава и водные ресурсы
планеты соприкасаются, в результате чего вода
начинает резко нагреваться. Это приводит к
извержению гейзера, формированию так
называемых горячих озер и подводных течений. То
есть именно тем явлениям природы, свойства
которых активно используются как неиссякаемый
источник энергии.

4. Искусственные геотермальные источники

Есть идея создания подземных котлов. Для
этого нужно пробурить две скважины достаточной
глубины, которые будут соединяться внизу. То
есть получается, что практически в любом уголке
суши можно получать геотермальную энергию
промышленным способом: через одну скважину
будет закачиваться холодная вода в пласт, а
через вторую – извлекаться горячая вода или
пар. Искусственные источники тепла будут
выгодны и рациональны, если получаемое тепло
будет давать больше энергии. Пар можно
направлять в турбогенераторы, в которых будет
вырабатываться электричество.

5. Особенности источников

Источники, позволяющие получить
геотермальную энергию, практически
невозможно использовать полностью.
Существуют они в 60 с лишним странах
мира, при этом больше всего наземных
вулканов на территории Тихоокеанского
вулканического огненного кольца. Но на
практике оказывается, что геотермальные
источники в разных регионах мира
совершенно разные по своим свойствам, а
именно средней температуре,
минерализации, газовому составу,
кислотности и так далее.
Гейзеры – источники энергии на
Земле, особенности которых в том,
что они с определенными
промежутками извергают кипящую
воду. После того как произошло
извержение, бассейн становится
свободным от воды, на его дне
можно заметить канал, который
уходит глубоко в землю. Гейзеры как
источники энергии используются в
таких регионах, как Камчатка,
Исландия, Новая Зеландия и
Северная Америка, а одиночные
гейзеры встречаются и в некоторых
других областях.

7. Источники:

http://fb.ru/article/134908/energiyasoderjaschayasya-v-nedrah-zemligeotermalnaya-energiya-zemli
http://iconbird.com/browse/54/2
http://bigarchive.ru/geography/general_geograph
y/13.php
https://geographyofrussia.com/vnutrenni
e-i-vneshnie-istochniki-energii-zemli/

8. Спасибо за внимание

ЭНЕРГЕТИКА ЗЕМЛИ

ЭНЕРГЕТИКА ЗЕМЛИ 

Приливообразующие силы в плоскости экватора и схема, поясняющая отставание приливного выступа в твердом теле Земли вследствие приливного трения. По Р. Бострому, 1979

Source http://www.evolbiol.ru/sorohtin11.pdf

http://avspir.narod.ru/geo/khain1995/hain_18_1.htm

Тектоническая активность Земли

Тектономагматическая активность Земли связана с движениями земных масс и плавлением земного вещества. Однако все перемещения земных масс приводят к преобразованию кинетической энергии движения вещества в тепло, которое с течением времени рассеивается в окружающем пространстве и теряется с тепловым излучением Земли. Поэтому естественным мерилом тектономагматической активности Земли является поступающий из мантии глубинный тепловой поток.

Основными процессами, управляющими тектонической активностью Земли, могут быть только те глубинные энергетические процессы, которые в наибольшей степени снижают потенциальную (внутреннюю) энергию нашей планеты и системы Земля–Луна. При этом снижение потенциальной
энергии происходит за счет ее перехода в тепло и в кинетическую энергию движения земных масс – конвекцию, движение литосферных плит, дрейф континентов, горообразование и т.д. В свою очередь любые перемещения земных масс также сопровождаются диссипацией кинетической энергии и выделением тепла, которое приводит к частичному расплавлению вещества верхней мантии или пород континентальной коры, питая тем самым своей энергией магматизм Земли. Однако все это тепло теряется с тепловым излучением через земную поверхность и рассеивается в космосе. Отсюда естественной и количественной мерой тектонической активности Земли является идущее из ее недр тепло. Таким образом, если удастся оценить глубинные теплопотери в прошлые геологические эпохи, можно определить эволюцию тектонической активности планеты.

К наиболее мощным энергетическим процессам, развивающимся в недрах Земли, относятся три глобальных процесса. Во-первых, это процесс гравитационной дифференциации земного вещества по плотности, приводящий к расслоению Земли на плотное окисно-железное ядро, остаточную силикатную мантию, легкую алюмосиликатную кору и гидросферу с атмосферой. Во-вторых, это распад радиоактивных элементов, приводящий к выделению существенной доли тепловой энергии. Третьим процессом является приливное взаимодействие Земли с Луной. Все остальные эндогенные источники энергии либо несоизмеримо меньше перечисленных, либо полностью обратимы благодаря конвективному массообмену в мантии (например, энергия переходов минеральных ассоциаций под влиянием давлений в восходящих и нисходящих конвективных потоках противоположны по знаку). Поэтому влиянием таких реакций на эндогенный энергетический баланс Земли можно пренебречь. Значительно больший тепловой поток солнечного излучения, падающий на Землю, после ряда преобразований в атмосфере, гидросфере, биосфере и приповерхностных слоях земной коры частично консервируется в осадочных толщах Земли и в форме залежей горючих ископаемых, но в еще большей мере отражается обратно в космос. Поэтому Солнечное излучение активно влияет лишь на протекание экзогенных процессов – выветривание пород, поверхностный перенос продуктов их разрушения, осадконакопление, образование месторождений горючих полезных ископаемых и на развитие земной жизни.

При отсутствии процесса гравитационной дифференциации земного вещества и среднем значении коэффициента объемного теплового расширения этого вещества, Земля должна была бы расшириться с увеличением ее радиуса на 120 км. Однако в процессе дифференциации земного вещества и образования земного ядра радиус Земли должен был уменьшиться на 116 км, т.е. примерно на ту же величину. Это позволяет в первом приближении считать радиус Земли неизменным в течение всей истории ее геологического развития.

Значение потенциальной энергии первичной Земли равно –23,249*1038 эрг (потенциальная энергия отрицательная по определению). Потенциальная же энергия современной Земли определяется интегрированием соответствующих уравнений состояния вещества и оказывается равной –24,933*1038 эрг. Следовательно полная энергия гравитационной дифференциации Земли равна 1,684*1038эрг.

Найденное значение энергии гравитационной дифференциации Земли огромно и существенно превышает суммарное выделение в ее недрах всех остальных видов энергии. Большая часть этой энергии, около 1,264*1038 эрг, переходит в кинетическую энергию конвективных движений мантийного вещества, а затем и в тепло. Около 0,42*1038 эрг расходуется на дополнительное сжатие земных недр, возникающее благодаря концентрации плотных фаз (железа и его эвтектического сплава с окисью железа в земном ядре.

Во время образования земного ядра в конце архея произошло радикальное перераспределение плотных масс в недрах Земли. Действительно, в позднем архее тяжелые массы расплавленного железа и его окислов из зоны дифференциации широкого кольцевого пояса Земли переместились в ее центральные области, при этом резко изменилось распределение плотности в разрезах Земли. Соответственно этому изменилась и потенциальная энергия Земли: до образования ядра она равнялась -23,62*1038 эрг, после же образования земного ядра она снизилась до -24,31*1038 эрг.

Выделившаяся энергия сформировала астеносферу. Выделение энергии гравитационной дифференциации Земли началось достаточно резко около 4 млрд лет назад. В раннем архее выделялось в виде тепла примерно до 7*1020 эрг/с гравитационной энергии, почти в 2,5 раза больше, чем сейчас (около 2,77*1020 эрг/с). После некоторого снижения скорости выделения гравитационной энергии в среднем архее, в позднем архее вновь произошел существенный всплеск выделения гравитационной энергии, превышая в 20раз современный уровень. Дальнейший процесс гравитационной дифференциации Земли протекал значительно спокойнее, постепенно снижаясь до современного уровня выделения энергии – около 2,8*1020 эрг/с. Затухание этого процесса продолжится и в будущем.

Энергия распада радиоактивных элементов
Энергия приливного торможения Земли, потеря тепла
Энергетический баланс Земли
ЭНЕРГЕТИКА ТЕКТОНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Влияние внутренней энергии Земли на функционирование географической оболочки

| на главную | доп. материалы | географическая оболочка |

Организационные, контрольно-распорядительные и инженерно-технические услуги
в сфере жилой, коммерческой и иной недвижимости. Московский регион. Официально.

Внутренняя энергия обнаруживает себя в разнообразных, но взаимосвязанных движениях земной коры. Их необходимо рассматривать как частное проявление общего процесса развития планеты и, следовательно, нет оснований считать, что внутренние массы Земли инертны или находятся в состоянии равновесия. Выделяют вертикальные (колебательные) и горизонтальные (тангенциальные) движения, которые сопровождаются целой серией вторичных движений со специфическими явлениями типа надвигов, шарьяжей и др.

Колебательные движения земной коры проявляются в волнообразных поднятиях или опусканиях огромных участков литосферы. Среди колебательных движений выделяют медленные (вековые) мало контрастные и относительно быстрые (активные) контрастные.

В первом случае залегание пластов горных пород практически не нарушается, но изменяется их абсолютная, а иногда и относительная высота. Такие колебательные движения, которые происходят в течение длительного времени, называют эпейрогеническими. Они прослеживаются по положению береговой линии, когда граница между сушей и морем смещается. Если море отступает, то процесс называется регрессией, если море наступает, то трансгрессией. Сменяющиеся периоды трансгрессий и регрессий не обязательно равны по продолжительности.

Признаки поднятия берегов наблюдаются по террасам, остаткам морских организмов вдали от берега, удаленным от моря причалам и др. Признаки опускания суши — затопленные речные долины, состав донных отложений, стоящие в воде или затопленные строения. С трансгрессиями и регрессиями связаны эвстатические колебания уровня Мирового океана, обусловленные изменениями объемов воды. Процесс незначительного наступления моря на сушу, когда затапливаются только ее пониженные участки, называют ингрессией. В этих случаях формируются специфические типы побережий с изрезанными очертаниями — лиманные, фьордовые, шхерные, риасовые.

Значительное увеличение площади суши или моря не может не сказаться на характере климата, который становится более морским или более континентальным, что с течением времени должно отразиться на характере органического мира, растительного и почвенного покровов. Увеличение площади суши облегчает миграции наземной фауны и флоры, способствует смешению видов, тогда как увеличение площади морей облегчает перемещение и обмен морской фауны и флоры. Другим следствием является размывание берегов, пляжей вследствие абразии, когда море последовательно трансгрессируя, срезает часть побережья.

Во втором случае происходят значительные нарушения залегания горных пород и создание специфических возвышенных и пониженных структур. Такие движения называют орогеническими, или дислокационными.

Тангенциальные движения земной коры вызывают изменение залегания пластов горных пород. Наиболее часто горизонтальные движения вызывают образование складок (складчатые деформации) — волнообразных изгибов пластов. Выпуклая часть складки называется антиклиналью, вогнутая — синклиналью.

В связи с развитием гипотезы литосферных плит горизонтальным движениям придается большое значение. Установлено, что при формировании океанических структур земной коры тангенциальные движения являются ведущими. Их современные скорости измеряются первыми сантиметрами в год, что значительно превышает скорость орогенических движений и на два-три порядка выше, чем при эпейрогенических смещениях.

Помимо складчатых, существуют разрывные деформации, связанные с перемещениями земных масс, предварительно разбитыми на отдельные блоки. Поднятые блоки называют горстами, опущенные — грабенами, в условиях растяжения земной коры формируются грабенообразные понижения — рифты. Процесс создания рифтогенных структур называют тафрогенезом, который в определенной мере противоположен орогенезу.

Складчатые и разрывные деформации сопровождаются магматизмом и землетрясениями. Если магма застыла на глубине с образованием специфических тел (батолитов, лакколитов, даек и др.), имеет место интрузивный магматизм. При излиянии магмы на поверхность и образовании вулканов, лавовых потоков и покровов имеет место эффузивный магматизм — pppa.ru. В этом случае в географическую оболочку поступает большое количество энергии. В истории Земли, особенно на начальных этапах, магматическая деятельность проявлялась очень активно и по мнению многих исследователей сыграла решающую роль в возникновении и развитии земных сфер: каменной, жидкой и газообразной.

Скорости движения земной коры изменяются неравномерно и в истории Земли выделяют периоды интенсивных движений, которые называют эпохами тектонической активизации. Долгое время их рассматривали как эпохи складкообразования и формирования горных систем, обусловленных внутренней энергией Земли. Сегодня некоторые исследователи эпохи усиления и ослабления тектонической активности связывают с положениями планеты в Солнечной системе и во Вселенной. В процессах тектонической активизации высвобождается огромное количество внутренней энергии планеты, которая частично реализуется в деформации горных пород и сопутствующих явлениях, а частично поступает в географическую оболочку, где участвует в экзогенных процессах и явлениях.

Эпохи тектонической активизации — это время усиления экзогенных процессов. Тектонические поднятия и опускания контролируют неровности земной поверхности и распределение силы тяжести. Поступление тепла из недр при разрывах земной коры, вулканическая и гидротермальная деятельности способствуют возрастанию энергии на поверхности Земли, что заметно активизирует внешние процессы. Усиливается тепловое поле земной поверхности, приземного слоя атмосферы и части гидросферы, что ускоряет физико-химические и механические процессы и биологические реакции. Повышенная дегазация земных недр с выбросами обычно горячих и энергетически емких веществ также отражается на географических процессах — pppa.ru. Таким образом, эпохи своеобразных тектонических «катастроф», волнующих земную твердь и ее поверхность, это и время «оживления» земной энергетики и связанных с ней энергозатратных процессов и явлений.

В истории Земли выделяют несколько эпох тектонической активизации, приведших к созданию складчатых поясов и горных систем как своеобразных выражений частичной разрядки внутриземной энергии: байкальская (конец протерозоя — начало палеозоя), каледонская (ранний палеозой), герцинская (поздний палеозой), киммерийская (середина мезозоя), альпийская (кайнозой).

Движения альпийской тектонической эпохи не закончились и называются новейшими. Несмотря на то, что эпохи тектонической активизации повторяются, они различаются по мощности, районам проявления и длительности.


Внутренние и внешние источники энергии Земли

Как внутри Земли, так и на ее поверхности происходят процессы, которые определяют формирование рельефа.

Каждому региону на Земле, на суше и на дне океана свойствен собственный тектонический режим, определяющей развитие рельефа. Эндогенный фактор образования рельефа включает тектонические, сейсмические и вулканические явления. До глубины 400 — 700 км прослеживаются особенно крупные разрывные нарушения, гипоцентры землетрясений, магматические очаги, с которыми связаны вулканические процессы. На этих глубинах происходят переходы вещества из твердого состояния в пластичное и даже жидкое (и обратно), разогревание и плавление его в результате радиоактивного распада, гравитационная и химическая дифференциация веществ.

Эндогенные процессы (от греч. endon — внутри и genes — рожденный) бывают как активными и длительными, например, в вулканических поясах, так и импульсивными. Внешние процессы, называемые экзогенные (от греч. ехо — вне и genes — рожденный), протекают на поверхности литосферы благодаря воздействию солнечной энергии, силе тяжести, физико-химическим изменениям горных пород и осадков, перемещению веществ из недр Земли в вертикальном и горизонтальном направлениях. Накопление осадков на дне морей и океанов, перемещение рыхлого материала на суше — также результат экзогенных процессов.

Основной источник энергии внешних сил планеты — это солнечная энергия. Из нее на экзогенные процессы расходуется около 60%, остальная часть возвращается во внеземное пространство. Солнечная энергия поглощается Мировым океаном. Это определяет высокую степень подвижности его вод: течений, вихрей и др. Но и суше достается значительная доля энергии, которая не только расходуется, но и идет на накопление, уплотнение и преобразование осадков и минералов. Немалая часть ее сохраняется в биосфере Земли. Помимо солнечной энергии на создание форм рельефа расходуется энергия падающих на Землю космических тел — метеоритов. Нетрудно заметить, что у эндогенных и экзогенных процессов имеются общие источники энергии: солнечное излучение, вращение планеты и физико-химические превращения вещества. Однако экзогенные процессы теснее связаны с географическими и, прежде всего, с ландшафтно-климатическими условиями. Для каждого ландшафтного пояса характерны свои действующие экзогенные процессы. Установлено, что главным фактором в распределении и свойствах экзогенных процессов является непосредственное соотношение тепла и влаги. Это энергетическая основа многих географических процессов на поверхности Земли, в том числе процессов образования рельефа. Распределение тепла и влаги на поверхности планеты никогда не было постоянным. Это зависело от величины угла наклона оси вращения планеты, которая менялась от 15 — 20° до 30 — 40°. Сейчас этот угол составляет около 27°.

На проблему происхождения и развития рельефа суши и дна морей ученые смотрят по-разному. Одни полагают, что океаны возникли одновременно с появлением планеты. Однако они постоянно сокращают свою площадь, поскольку идет рост континентов. Другие считают, что океаны возникли при разрыве и дрейфе первичных материков, когда пространство между ними стало заполняться водой. Третьи предполагают, что океаны возникли на месте существовавших некогда континентов в результате «океанизации» Земли.

Ядерное тепло Земли

И.М. Капитонов

Ядерное тепло Земли

Земное тепло

    Земля – довольно сильно нагретое тело и является источником тепла. Она нагревается, прежде всего, за счёт поглощаемого ею солнечного излучения. Но Земля имеет и собственный тепловой ресурс сопоставимый с получаемым теплом от Солнца. Считается, что эта собственная энергия Земли имеет следующее происхождение. Земля возникла около 4.5 млрд лет назад вслед за образованием Солнца из вращающегося вокруг него и уплотняющегося протопланетного газо-пылевого диска. На раннем этапе своего формирования происходил разогрев земной субстанции за счёт сравнительно медленного гравитационного сжатия. Большую роль в тепловом балансе Земли играла также энергия, выделявшаяся при падении на неё мелких космических тел. Поэтому молодая Земля была расплавленной. Остывая, она постепенно пришла к своему нынешнему состоянию с твёрдой поверхностью, значительная часть которой покрыта океаническими и морскими водами. Этот твёрдый наружный слой называют земной корой и в среднем на участках суши его толщина около 40 км, а под океаническими водами – 5-10 км. Более глубокий слой Земли, называемый мантией, также состоит из твёрдого вещества. Он простирается на глубину почти до 3000 км и в нём содержится основная часть вещества Земли. Наконец самая внутренняя часть Земли – это её ядро. Оно состоит из двух слоёв – внешнего и внутреннего. Внешнее ядро это слой расплавленного железа и никеля при температуре 4500-6500 K толщиной 2000-2500 км. Внутреннее ядро радиусом 1000-1500 км представляет собой нагретый до температуры 4000-5000 K твёрдый железо-никелевый сплав плотностью около 14 г/см3, возникший при огромном (почти 4 млн бар) давлении.
    Помимо внутреннего тепла Земли, доставшегося её в наследство от самого раннего горячего этапа её формирования, и количество которого должно уменьшаться со временем, существует и другой, – долговременный, связанный с радиоактивным распадом ядер с большим периодом полураспада – прежде всего, 232Th, 235U, 238U и 40K. Энергия, выделяющаяся в этих распадах – на их долю приходится почти 99% земной радиоактивной энергии – постоянно пополняет тепловые запасы Земли. Вышеперечисленные ядра содержатся в коре и мантии. Их распад приводит к нагреву как внешних, так и внутренних слоёв Земли.
    Часть огромного тепла, содержащегося внутри Земли, постоянно выходит на её поверхность часто в весьма масштабных вулканических процессах. Тепловой поток, вытекающий из глубин Земли через её поверхность известен. Он составляет (47±2)·1012 Ватт [1], что эквивалентно теплу, которое могут генерировать 50 тысяч атомных электростанций (средняя мощность одной АЭС около 109 Ватт). Возникает вопрос, играет ли какую-либо существенную роль радиоактивная энергия в полном тепловом бюджете Земли и если играет, то какую? Ответ на эти вопросы долгое время оставался неизвестным. В настоящее время появились возможности ответить на эти вопросы. Ключевая роль здесь принадлежит нейтрино (антинейтрино), которые рождаются в процессах радиоактивного распада ядер, входящих в состав вещества Земли и которые получили название гео-нейтрино.

Гео-нейтрино

    Гео-нейтрино – это объединённое название нейтрино или антинейтрино, которые испускаются в результате бета-распада ядер, расположенных под земной поверхностью. Очевидно, что благодаря беспрецедентной проникающей способности, регистрация именно их (и только их) наземными нейтринными детекторами может дать объективную информацию о процессах радиоактивного распада, происходящих глубоко внутри Земли. Примером такого распада является β-распад ядра 228Ra, которое является продуктом α-распада долгоживущего ядра 232Th (см. таблицу):

.

Период полураспада (T1/2) ядра 228Ra равен 5.75 лет, выделяющаяся энергия составляет около 46 кэВ. Энергетический спектр антинейтрино непрерывен с верхней границей близкой к выделяющейся энергии.
    Распады ядер 232Th, 235U, 238U представляют собой цепочки последовательных распадов, образующих так называемые радиоактивные ряды. В таких цепочках α-распады перемежаются β-распадами, так как при α-распадах конечные ядра оказываются смещёнными от линии β-стабильности в область ядер, перегруженных нейтронами. После цепочки последовательных распадов в конце каждого ряда образуются стабильные ядра с близким или равным магическим числам количеством протонов и нейтронов (Z = 82, N = 126). Такими конечными ядрами являются стабильные изотопы свинца или висмута. Так распад T1/2 завершается образованием дважды магического ядра 208Pb, причем на пути 232Th → 208Pb происходит шесть α-распадов, перемежающихся четырьмя β-распадами (в цепочке 238U → 206Pb восемь α- и шесть β-распадов; в цепочке 235U → 207Pb семь α- и четыре β-распада). Таким образом, энергетический спектр антинейтрино от каждого радиоактивного ряда представляет собой наложение парциальных спектров от отдельных β-распадов, входящих в состав этого ряда. Спектры антинейтрино, образующихся в распадах  232Th, 235U, 238U, 40K, показаны на рис. 1. Распад 40K это однократный β-распад (см. таблицу). Наибольшей энергии (до 3.26 МэВ) антинейтрино достигают в распаде
214
Bi → 214Po, являющемся звеном радиоактивного ряда 238U. Полная энергия, выделяющаяся при прохождении всех звеньев распада ряда 232Th → 208Pb, равна 42.65 МэВ. Для радиоактивных рядов 235U и 238U эти энергии соответственно 46.39 и 51.69 МэВ. Энергия, освобождающаяся в распаде
40
K → 40Ca, составляет 1.31 МэВ.

Таблица

Характеристики ядер 232Th, 235U, 238U, 40K

Ядро Доля в %
в смеси
изотопов
Число ядер
относит.
ядер Si [11]
T1/2,
млрд лет
Первые звенья
распада
232Th 100 0.0335 14.0
235U 0.7204 6.48·10-5 0.704
238U 99.2742 0.00893 4.47
40K 0.0117 0.440 1.25

    Оценка потока гео-нейтрино, сделанная на основе распада ядер 232Th, 235U, 238U, 40K, содержащихся в составе вещества Земли, приводит к величине порядка 106 см-2сек-1. Зарегистрировав эти гео-нейтрино, можно получить информацию о роли радиоактивного тепла в полном тепловом балансе Земли и проверить наши представления о содержании долгоживущих радиоизотопов в составе земного вещества.


Рис. 1. Энергетические спектры антинейтрино от распада ядер

232Th, 235U, 238U, 40K, нормализованные к одному распаду родительского ядра

    Для регистрации электронных антинейтрино используется реакция

+ p → e+ + n, (1)

в которой собственно и была открыта эта частица. Порог этой реакции 1.8 МэВ. Поэтому только гео-нейтрино, образующиеся в цепочках распада, стартующих с ядер 232Th и 238U, могут быть зарегистрированы в вышеуказанной реакции. Эффективное сечение обсуждаемой реакции крайне мало: σ ≈ 10-43 см2. Отсюда следует, что нейтринный детектор с чувствительным объёмом 1 м3 будет регистрировать не более нескольких событий в год. Очевидно, что для уверенной фиксации потоков гео-нейтрино необходимы нейтринные детекторы большого объёма, размещённые в подземных лабораториях для максимальной защиты от фона. Идея использовать для регистрации гео-нейтрино детекторы, предназначенные для изучения солнечных и реакторных нейтрино, возникла в 1998 г. [3,4]. В настоящее время имеется два нейтринных детектора большого объёма, использующих жидкий сцинтиллятор и пригодные для решения поставленной задачи. Это нейтринные детекторы экспериментов KamLAND (Япония, [5,6]) и Borexino (Италия, [7]). Ниже рассматривается устройство детектора Borexino и полученные на этом детекторе результаты по регистрации гео-нейтрино.

Детектор Borexino и регистрация гео-нейтрино

    Нейтринный детектор Борексино [8] расположен в центральной Италии в подземной лаборатории под горным массивом Гран Сассо, высота горных пиков которого достигает 2.9 км (рис. 2).


Рис. 2. Схема расположения нейтринной лаборатории под горным массивом Гран Сассо (центральная Италия)

    Борексино это несегментированный массивный детектор, активной средой которого являются
280 тонн органического жидкого сцинтиллятора. Им заполнен нейлоновый сферический сосуд диаметром 8.5 м (рис. 3). Сцинтиллятором является псевдокумол (С9Н12) со сдвигающей спектр добавкой РРО (1.5 г/л). Свет от сцинтиллятора собирается 2212 восьмидюймовыми фотоумножителями (ФЭУ), размещёнными на сфере из нержавеющей стали (СНС).


Рис. 3. Схема устройства детектора Борексино

    Нейлоновый сосуд с псевдокумолом является внутренним детектором, в задачу которого и входит регистрация нейтрино (антинейтрино). Внутренний детектор окружён двумя концентрическими буферными зонами, защищающими его от внешних гамма-квантов и нейтронов. Внутренняя зона заполнена несцинтиллирующей средой, состоящей из 900 тонн псевдокумола с добавками диметилфталата, гасящими сцинтилляции. Внешняя зона располагается поверх СНС и является водным черенковским детектором, содержащим 2000 тонн сверхчистой воды и отсекающим сигналы от мюонов, попадающих в установку извне. Для каждого взаимодействия, происходящего во внутреннем детекторе, определяется энергия и время. Калибровка детектора с использованием различных радиоактивных источников позволила весьма точно определить его энергетическую шкалу и степень воспроизводимости светового сигнала.
    Борексино является детектором очень высокой радиационной чистоты. Все материалы прошли строгий отбор, а сцинтиллятор был подвергнут очистке для максимального уменьшения внутреннего фона. Вследствие высокой радиационной чистоты Борексино является прекрасным детектором для регистрации антинейтрино.
    В реакции (1) позитрон даёт мгновенный сигнал, за которым через некоторое время следует захват нейтрона ядром водорода, что приводит к появлению γ-кванта с энергией 2.22 МэВ, создающего сигнал, задержанный относительно первого. В Борексино время захвата нейтрона около 260 мкс. Мгновенный и задержанный сигналы коррелируют в пространстве и во времени, обеспечивая точное распознавание события, вызванного e.
    Порог реакции (1) равен 1.806 МэВ и, как видно из рис. 1, все гео-нейтрино от распадов 40K и 235U оказываются ниже этого порога и лишь часть гео-нейтрино, возникших в распадах 232Th и 238U, может быть зарегистрирована.
    Детектор Борексино впервые зарегистрировал сигналы от гео-нейтрино в 2010 г. и недавно [9] опубликованы новые результаты, основанные на наблюдениях в течение 2056 дней в период с декабря 2007 г. по март 2015 г. Ниже мы приведём полученные данные и результаты их обсуждения, основываясь на статье [10].
    В результате анализа экспериментальных данных были идентифицированы 77 кандидатов в электронные антинейтрино, прошедшие все критерии отбора. Фон от событий, имитирующих e, оценивался величиной . Таким образом, отношение сигнал/фон было ≈100.
    Главным источником фона были реакторные антинейтрино. Для Борексино ситуация была достаточно благоприятной, так как вблизи лаборатории Гран Сассо нет ядерных реакторов. Кроме того, реакторные антинейтрино более энергичные по сравнению с гео-нейтрино, что позволяло отделить эти антинейтрино по величине сигнала от позитрона. Результаты анализа вкладов гео-нейтрино и реакторных антинейтрино в полное число зарегистрированных событий от e показаны на рис. 4. Количество зарегистрированных гео-нейтрино, даваемое этим анализом (на рис. 4 им соответствует затемнённая область), равно . В извлечённом в результате анализа спектре гео-нейтрино видны две группы – менее энергичная, более интенсивная и более энергичная, менее интенсивная. Эти группы авторы описываемого исследования связывают с распадами соответственно тория и урана.
    В обсуждаемом анализе использовалось отношение масс тория и урана в веществе Земли
m(Th)/m(U) = 3.9 (в таблице эта величина ≈3.8). Указанная цифра отражает относительное содержание этих химических элементов в хондритах – наиболее распространённой группе метеоритов (более 90% метеоритов, упавших на Землю, относятся к этой группе). Считается, что состав хондритов за исключением лёгких газов (водород и гелий) повторяет состав Солнечной системы и протопланетного диска, из которого образовалась Земля.


Рис. 4. Спектр светового выхода от позитронов в единицах числа фотоэлектронов для событий-кандидатов в антинейтрино (экспериментальные точки). Затемнённая область – вклад гео-нейтрино. Сплошная линия – вклад реакторных антинейтрино.

    Полученные данные о числе гео-нейтрино соответствуют следующим их потокам в детекторе Борексино, возникшим от распада в цепочках урана и тория:

φ(U) = (2.7±0.7)·106 см−2c−1,
φ(Th) = (2.3±0.6)·106 см−2c−1,

    Далее авторы работы [10], используя вышеупомянутое отношение масс m(Th)/m(U) = 3.9 и отношение масс m(K)/m(U) = 104, оценивают полную земную радиационную мощность: . Сравнение этой величины с полной излучаемой земной мощностью Ptot = 47±2 Твт, приведённой в начале данной статьи, показывает, что на долю радиационного тепла приходится, по-видимому, основная (порядка 70%) часть излучаемого Землёй теплового потока. Однако, неопределённость в итоговой оценке велика и необходимы дальнейшие исследования.

Литература

  1. J.N. Connelly et al., Science 338 (2012) 651.
  2. S. Dye, Rev. of Geophys. 50 (2012) RG3007.
  3. R.S. Raghavan et al., Phys. Rev. Lett. 80 (1998) 635
  4. C.G. Rotschild et al., Geo. Res. Lett. 25 (1998)1083.
  5. K. Abe et al. (KamLAND Collaboration), Phys. Rev. Lett.100 (2008) 221803.
  6. Giando et al., Phys. Rev. D 88 (2013) 033001.
  7. G. Bellini et al. (Borexino Collaboration), Phys. Lett. B687 (2010) 290.
  8. G. Alimonti et al., (Borexino Collaboration), Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 600 (2009) 568.
  9. G. Bellini et al. (Borexino Collaboration), Phys. Lett. B722 (2013) 295.
  10. E. Meroni, S. Zavatarelli, Nuclear Physics News 26, №3 (2016) 21.
  11. E. Anders, N. Grevesse, Geohimia et Cosmohimia Acta 53 (1987) 197.

 

Основные источники внутренней и внешней энергии Земли

Внутренние источники энергии

Тепло от силы тяжести

Существующую теорию образования Земли можно сравнить с большим количеством кусков глины, которые сталкиваются и прилипают друг к другу. Это массовое накопление называется моделью аккреции ядра , и в ней говорится, что Земля начала формироваться около 4,6 миллиарда лет назад. Небольшие кусочки материи, оставшиеся от образования Солнца, начали сталкиваться и слипаться из-за гравитационного притяжения .Столкновения генерируют тепло, и при столкновении все больших и больших сгустков вещества тепловая энергия генерирует температуры, достаточно высокие, чтобы расплавить вещество. Относительно плотные элементы, такие как железо и никель, опустились к центру новообразованной планеты. Менее плотные элементы оставались ближе к поверхности Земли. В конце концов, земля остыла, позволив внешнему материалу затвердеть в так называемую кору .

Nuclear Decay

Перенесемся на 4 миллиарда лет вперед, к сегодняшнему дню.Ядро Земли остыло всего на пару сотен градусов. Он в основном достиг теплового равновесия, известного как устойчивое температурное состояние . Вспомните видеоролики, на которых лава льется из вулкана, которую вы видели. Эта лава представляет собой жидкую породу, которая исходит из глубины земли. Камни не тают, если их не нагреть как минимум до 700 — 1250 градусов по Цельсию (C). По оценкам, температура ядра Земли составляет от 5000 до 7000 градусов по Цельсию. Это так же жарко, как фотосфера Солнца! Почему же тогда земля не светит, как солнце? Это потому, что ядро ​​Солнца более чем в 2000 раз горячее, его оценочная температура составляет 15 миллионов градусов по Цельсию!

Лава извергающегося вулкана

Есть две причины, по которым недра Земли не сильно остыла за миллиарды лет.Во-первых, внутренняя часть земли изолируется вышележащим материалом. Вы можете понять это, если вспомните, когда белье выходит из сушилки и сбрасывается в корзину, чтобы потом сложить. Вы возвращаетесь позже, и верхний слой одежды остывает, но одежда по направлению к середине и низу все еще сохраняет тепло. Другая причина, по которой недра Земли не сильно остыла, — это радиоактивный распад элементов внутри нее. Некоторые элементы, такие как уран, имеют период полураспада в миллиарды лет, что означает, что они будут выделять частицы из своих ядер в течение очень долгого времени.Радиоактивный распад вызывает столкновения, но на этот раз в атомном масштабе, и это происходит в настоящее время. Эти частицы из радиоактивных ядер сталкиваются с окружающим материалом, который выделяет тепло.

Эти внутренние источники тепла позволяют континентам Земли двигаться, вызывая рост гор, углубление трещин и появление горячих источников и вулканов!

Внешний источник энергии

Солнце является основным источником внешней энергии Земли. Он нагревает нашу планету до такой степени, что жизнь может процветать.За одну секунду Солнце преобразует 4 миллиона тонн массы в энергию в виде тепла и электромагнитного излучения. Солнечная постоянная — это то, сколько энергии солнечного света достигает Земли. В среднем это значение составляет примерно 1400 Вт на квадратный метр (Вт / м2). С точки зрения энергии это примерно 1,8 x 1017 джоулей в секунду (Дж / с). Из средней массы, которую Солнце преобразует в энергию, Земля улавливает только 6,25 x 10-8%. Это чрезвычайно маленький процент, но если бы все это можно было использовать для наших нужд в электроэнергии, у нас было бы более чем достаточно.

Погода на Земле является прямым результатом поглощения энергии Солнца. В более теплые месяцы как в северном, так и в южном полушариях образуются огромные штормы (торнадо, ураганы и циклоны), которые позволяют Земле избавляться от избыточной энергии. Преобразует тепловую энергию в кинетическую энергию (ветер).

Ураган Ирен из космоса, 2011 г.

Краткое содержание урока

Тепло и свет — две основные формы энергии Земли. Внутренние и внешние источников энергии отвечают за это тепло и свет.

Внутренняя тепловая энергия Земли была образована при формировании планеты. Из-за гравитационного притяжения, масса, оставшаяся после создания Солнца более 4 миллиардов лет назад, начала сталкиваться, генерируя тепло. Температура стала настолько высокой, что эти слипшиеся массы расплавились, и более плотные элементы опустились к середине, в то время как менее плотный материал поднялся на поверхность и затвердел, образуя корку.Радиоактивные элементы, такие как уран, выделяют частицы из своих ядер, которые сталкиваются с окружающим материалом, выделяя тепло. Некоторые атомы урана будут делать это в течение миллиардов лет. Это, а также тот факт, что внутренняя часть Земли хорошо изолирована, поддерживают относительно постоянную внутреннюю температуру Земли; считается, что он достиг устойчивого температурного состояния . Внутренняя энергия Земли заставляет континенты Земли двигаться, создавая горы, перекаты и вулканическую активность.

Главный внешний источник энергии на Земле обеспечивается Солнцем.Несмотря на то, что Земля поглощает лишь очень небольшой процент солнечной энергии, этого достаточно, чтобы позволить жизни процветать и вызывать погодные условия, которые мы испытываем, включая сильные штормы, такие как торнадо, ураганы и циклоны.

Внутренняя энергия Земли — Стипендия Чикаго

Страница из

НАПЕЧАТАНО ИЗ СТИПЕНДИИ ЧИКАГО ОНЛАЙН (www.chicago.universitypressscholarship.com). (c) Авторские права Чикагского университета, 2021. Все права защищены. Отдельный пользователь может распечатать PDF-файл одной главы монографии в CHSO для личного использования.дата: 27 октября 2021 г.

Глава:
(стр.149) 14 Внутренняя энергия Земли
Источник:
Энергия природы
Автор (ы):

EC Pielou

Издатель:
University of Chicago Press

DOI: 10.7208 / chicago / 9780226668055.003.0014

Строение Земли состоит из нескольких слоев в виде сферических оболочек, окружающих ядро; слои отличаются друг от друга химически и физически.Самым внешним слоем, который не является однородным, является кора: океаническая кора под дном океана представляет собой тонкий слой относительно тяжелых горных пород, в основном базальта, тогда как континентальная кора, которая лежит в основе континентов и континентальных шельфов, представляет собой более толстый слой менее плотных пород. плотная порода — главным образом гранит и родственные ему породы. Следующий слой — мантия. Это пластичное твердое тело, состоящее из силикатной породы. Под мантией находится ядро ​​Земли. Он имеет два слоя: внешний жидкий слой, окружающий внутренний твердый слой.Почти весь материал земных недр, за исключением (возможно) твердого железа внутреннего ядра, постоянно движется. Все это движение потребляет энергию, а Земля обладает несколькими видами энергии — тепловой энергией, кинетической энергией и магнитной энергией. Эта глава начинается с рассмотрения тепловой энергии — тепла, основным источником которой является радиоактивность. Важным вторичным источником является остаточное тепло, оставшееся со времени сотворения Земли.

Ключевые слова: кора, мантия, ядро, тепло, тепловая энергия, радиоактивность

Для получения доступа к полному тексту книг в рамках службы для получения стипендии

Chicago Scholarship Online требуется подписка или покупка.Однако публичные пользователи могут свободно искать на сайте и просматривать аннотации и ключевые слова для каждой книги и главы.

Пожалуйста, подпишитесь или войдите для доступа к полному тексту.

Если вы считаете, что у вас должен быть доступ к этой книге, обратитесь к своему библиотекарю.

Для устранения неполадок, пожалуйста, проверьте наш Часто задаваемые вопросы, и если вы не можете найти там ответ, пожалуйста, связаться с нами.

Внутренняя энергия Земли — Энергия природы

Слоистая структура Земли

Внутренняя часть нашей Земли полна тепла, шума и движения — одним словом, она полна энергии.Чтобы понять, что происходит, мы должны рассмотреть структуру Земли; состоит из нескольких слоев в виде сферических оболочек, окружающих ядро; слои отличаются друг от друга химически и физически.

На рис. 14.1a показано сечение того, как выглядела бы Земля, если бы она была разрезана по центру; Рисунок 14.1b — это увеличенное изображение самой внешней части, показывающее больше деталей. Каждому слою присвоено название, и, как поясняется в заголовке, затенение показывает, твердый он, жидкий или пластичный (пластик).Податливый материал ведет себя как ледяной лед или как стекло: он чисто ломается в ответ на резкую силу, но под действием длительной, медленно действующей силы он постепенно деформируется, так что он «ползет» или течет очень сильно. медленно. На рис. 14.1а также показана температура на разных глубинах. Информация на диаграммах может быть воспринята с первого взгляда, но для ее обнаружения потребовались годы исследований. Еще многое предстоит узнать, и исследования подтверждают-

Рис. 14.1 (a) Сектор Земли в поперечном разрезе, показывающий слои, описанные в тексте; IC — это внутреннее ядро.Обратите внимание на температуру на разной глубине. (b) Внешняя часть разреза на (a) увеличена в десять раз, чтобы показать детали коры и остальной части литосферы. Жидкие и пластичные (пластичные) слои заштрихованы пунктирными линиями. Примечание: кора классифицируется как часть литосферы, а астеносфера — как часть мантии.

Рис. 14.1 (a) Сектор Земли в поперечном разрезе, показывающий слои, описанные в тексте; IC — это внутреннее ядро. Обратите внимание на температуру на разной глубине.(b) Внешняя часть разреза на (a) увеличена в десять раз, чтобы показать детали коры и остальной части литосферы. Жидкие и пластичные (пластичные) слои заштрихованы пунктирными линиями. Примечание: кора классифицируется как часть литосферы, а астеносфера — как часть мантии.

tinue: часто делаются новые открытия и записываются новые данные; методы наблюдения уточняются, теории видоизменяются. То, что мы собираемся рассмотреть, находится в стадии разработки.

Цифра знаний 14.1 основан на том, что по большей части была получена путем регистрации скорости, с которой сейсмические волны проходят через землю на различных расстояниях. Иногда используются сейсмические волны, вызванные землетрясениями, а иногда (с 1960-х годов) волны, вызванные ядерными взрывами. Время, необходимое сейсмическим волнам, чтобы пройти от их точки происхождения до точки, где они были зарегистрированы, очевидно, зависит от расстояния, на которое они проходят, а также от температуры породы, через которую они проходят. Волны медленнее проходят через горячие мягкие породы и быстрее проходят через сравнительно прохладные твердые породы.Волны редко распространяются по прямым линиям; они по-разному пере-

убегали и преломлялись всякий раз, когда сталкивались с перепадами температуры. Неудивительно, что интерпретация данных затруднена.

Предположим, что все трудности были решены, и вкратце посмотрим на текущее состояние знаний, понимая, что исправления и расширения появляются постоянно. Затем мы можем спросить и попытаться ответить, как и где генерируется энергия и (в следующей главе) как она в конечном итоге рассеивается.Генерация и рассеивание одинаково важны.

Теперь о строении Земли: значительно упрощая, слои, начиная с поверхности вниз, выглядят следующим образом.

Самый внешний слой, который не является однородным, — это кора: океаническая кора под дном океана представляет собой тонкий слой относительно тяжелых горных пород, в основном базальта, тогда как континентальная кора, которая лежит под континентами и континентальными шельфами, представляет собой более толстый слой менее плотная порода — главным образом гранит и родственные ему породы.

Под корой расположена литосфера. Это слой хрупкой породы, разбитой на отдельные части, тектонические плиты; они медленно дрейфуют по поверхности земли в разные стороны. Когда они собираются вместе, обод одного поднимается над другим; нижняя плита опускается на большую глубину — говорят, что она погружается, — в то время как передний край верхней плиты соскабливает любые осадки, с которыми она сталкивается. Континентальную кору по праву можно считать отбросом земли. В самом деле, его обычно классифицируют как самую удаленную часть литосферы.

Под литосферой находится астеносфера, слой мягкой, частично расплавленной породы. Он действует как смазывающий слой, позволяя тектоническим плитам над ним скользить или «дрейфовать» по твердому слою под ним; в следующем разделе будет сказано больше о дрейфе пластин.

Следующий слой — мантия. Это пластичное твердое тело, состоящее из силикатной породы. Астеносфера, представляющая собой мягкую внешнюю оболочку мантии, классифицируется как часть мантии точно так же, как кора классифицируется как часть литосферы.

Под мантией находится ядро ​​Земли. Он имеет два слоя: внешний жидкий слой, окружающий внутренний твердый слой.

На всем пути от поверхности к центру, 6370 км вниз, температура и давление повышаются, на одних уровнях резко, а на других — медленнее. Повышение температуры плавит породу, если давление не увеличивается; и наоборот, при повышении давления расплавленная порода затвердевает, если температура не повышается. Когда температура и давление повышаются вместе, преобладающий фактор чередуется, что объясняет, почему твердые твердые слои чередуются с пластичными или жидкими слоями.Слои отличаются друг от друга и химически. Мантия состоит в основном из силикатов и ядра из железа, которое намного тяжелее.

Вот и все, что касается сухих фактов, которые не дают мысленного представления о том, что на самом деле представляет собой подземный мир. В самом деле, человеческий разум неспособен вообразить это — не то, что видение в обычном смысле может помочь, потому что темнота абсолютна, а температура и давление смертельны. Однако это не означает, что условия одинаковы. Отнюдь не.Контраст плотности на границе между мантией и ядром, почти на 3000 км ниже нас, намного превышает контраст на границе между континентальной корой и атмосферой. Последний интерфейс — это, конечно, поверхность, на которой мы живем; это «наша» поверхность, та самая земля, по которой мы ходим, строим дома и дороги и ездим на автомобилях. С точки зрения геофизика, это гораздо менее примечательная поверхность, чем поверхность, отделяющая мантию от ядра.1

На «нашей» поверхности разница в весе между кубометром материала над ней (воздух) и кубометром под ней (скала) в среднем составляет 2700 кг.На поверхности ядра разница в весе кубического метра материала над ним (мантия) и кубометра под ним (жидкое железо) составляет в среднем 4330 кг. Последняя пара плотностей — текущие оценки, полученные очень косвенно. Неудивительно, что невозможно измерить плотность горных пород на глубине 3000 км в земле; значения должны быть выведены из свидетельств различного рода: из наблюдений за скоростью и направлением сейсмических волн; по результатам экспериментов, проведенных на образцах горных пород при температурах и давлениях, намного превышающих те, которые можно найти на поверхности земли за пределами физической лаборатории; и путем математического анализа этих данных.

А теперь представьте посетителя из космоса, осматривающего нашу планету, более экзотического посетителя, чем стереотипный маленький зеленый человечек. Прибыв без предубеждений и с чувствами, совершенно не похожими на наши, посетитель мог бы разумно рассматривать ядро ​​Земли как твердую планету с мантией и всем, что находится за ее пределами, образующими многослойную «атмосферу»; это было бы столь же разумным разделением, как и то, к которому мы привыкли. Поверхность, на которой мы живем, кажется нам единственной, но это просто потому, что мы живем на ней.Повторяю, это гораздо менее примечательная поверхность, чем граница раздела ядро-мантия.

«Внутренняя планета» — ядро ​​- немного больше Марса. Его поверхность считается топографически такой же интересной, как и поверхность в нашем понимании этого слова, а именно поверхность суши и дно океанов. Как и они, на поверхности ядра есть высокие горы и глубокие долины. Более того, условия на этой внутренней поверхности постоянно меняются, так же как они постоянно меняются из-за геологических сил на нашей поверхности.С человеческой точки зрения изменения происходят медленно на обеих сторонах, но человеческие представления о скорости не имеют значения.

Почти весь материал земных недр, за исключением (возможно) твердого железа внутреннего ядра, постоянно движется. Дрейфуют тектонические плиты литосферы; пластичный материал мантии ползет; и течет жидкое железо внешнего ядра.

Все это движение потребляет энергию, а Земля обладает несколькими видами энергии — тепловой энергией, кинетической энергией и магнитной энергией.Мы начнем с рассмотрения тепловой энергии — тепла — вспоминая, что она исходит из двух источников: как объяснялось в главе 13, радиоактивность является основным источником. Важным вторичным источником является остаточное тепло, оставшееся со времени сотворения Земли.

Радиоактивный источник тепла

Как мы отмечали в главе 13, главный источник тепла Земли — это довольно особый вид ядерного деления, радиоактивный a-распад; Наиболее важными радиоактивными элементами в этом контексте являются уран-238, уран-235 и торий-232.

Радиоактивные материалы наиболее сконцентрированы в коре, а их концентрация в континентальной коре вдвое больше, чем в океанической коре. В среднем скорость производства энергии континентальной земной корой составляет менее половины микроватта (миллионной доли ватта) на тонну породы 2: естественную радиоактивность трудно назвать мощным источником энергии. Тем не менее, без него земные недра были бы замороженными и инертными. Не было бы землетрясений и вулканов.Тектонические плиты были бы неподвижны в течение сотен миллионов лет, и без столкновений между плитами горообразование прекратилось бы: Скалистые горы, Анды, Гималаи и Альпы никогда бы не существовали. (Подробнее о горообразовании см. В главе 15.)

Радиоактивных элементов в земной коре в сотни раз больше, чем в мантии; даже в этом случае в мантии вырабатывается в пятьдесят раз больше тепла, чем в коре, из-за гораздо большего объема мантии.Хотя радиоактивные элементы более тонко распространены под земной корой, чем внутри нее, температура продолжает расти по мере увеличения глубины под поверхностью. Но в одних слоях он поднимается гораздо быстрее, чем в других. Наиболее быстро он поднимается вниз через кору и снова на 3000 км ниже, через границу между мантией и ядром; это граница «внутренней планеты», где плотность, как мы видели ранее, так резко возрастает. Между тепловыми пограничными слоями температура повышается более плавно.

Вышеизложенное относится к настоящим условиям. Как мы видели в главе

13, концентрации радиоактивных элементов в недрах Земли постоянно меняются. Прежде чем исследовать последствия, мы должны исследовать причину этого постоянного изменения.

Напомним, что событие a-распада (испускание a-частицы) в радиоактивном материале — это случайное происшествие, управляемое вероятностью. Это делает невозможным точно предсказать, когда отдельное радиоактивное ядро ​​распадется, но вероятность того, что оно произойдет, скажем, в следующую минуту, или в следующий час, или в следующем году, может быть определена.Вероятность различается от одного радиоактивного элемента к другому: например, вероятность того, что ядро ​​урана-235 распадется в заданный интервал времени, намного больше, чем вероятность того, что ядро ​​урана-238 распадется. Поэтому тонна урана-235 распадается намного быстрее, чем тонна урана-238. Скорость, с которой распадается каждый радиоактивный элемент, измеряется его периодом полураспада, временем, которое требуется половине заданного числа ядер элемента для распада. Не имеет значения, велико ли количество, с которого вы начнете, или мало; к тому времени, когда истечет один период полураспада, половина его распадется.Периоды полураспада трех радиоактивных элементов, наиболее важных для нагрева Земли, для урана-238 составляют около 5 миллиардов лет; для урана-235 0,7 миллиарда лет; а для тория — 232,14 миллиарда лет.

Отсюда следует, что в далеком прошлом всех трех элементов было больше, чем сейчас, а также что они должны были присутствовать в разных пропорциях. Например, когда Земля впервые возникла, около 4,5 миллиарда лет назад, она должна была содержать чуть более чем в два раза больше урана-238, чем сегодня, а сильно радиоактивный уран-235 должен был образовать гораздо более крупный доля от общего радиоактивного материала.

Считается, что 2,5 миллиарда лет назад и ранее, в период, называемый архейским временем, присутствовал ряд сильно радиоактивных элементов, которые с тех пор распались до точки исчезновения: они вымерли. Количество радиоактивного тепла, произведенного тогда, было, вероятно, в три или четыре раза больше, чем в настоящее время3. Что касается радиоактивных элементов как смеси топлива, мы можем сказать, что общее количество тепла значительно сократилось с первых лет существования Земли и что некоторые из них топливо теперь полностью исчерпано.

Первоначальное тепло Земли или преобразованная гравитация

Не все тепло на Земле происходит от радиоактивности. Не менее важно (возможно, не менее важно) выделяется тепло, когда движущиеся тела — тела, наделенные кинетической энергией — останавливаются. Это произошло впечатляющим образом, когда появилась Земля. Облако из обломков горных пород, пыли и газа было стянуто вместе под действием силы тяжести и превратилось в твердую протопланету; 4 по мере того, как наша протопланета продолжала расти, меньшие зарождающиеся протопланеты — большие астероиды — которые оказались рядом, упали на он и стал его частью.В общей сложности почти 6 x 1024 метрических тонны материала врезались в один большой кусок — землю. Сила тяжести заставляла множество участвующих частей ускоряться до высоких скоростей при падении, приобретая при этом высокую кинетическую энергию. Когда эти энергетические тела столкнулись, почти вся их объединенная кинетическая энергия (не совсем вся, как мы увидим ниже) была преобразована в тепловую энергию — тепло. Полная энергия составляла примерно 2 · 1032 Дж; неудивительно, что молодая земля растаяла.

Когда это произошло, снова вмешалась сила тяжести, отсортировав смесь жидкостей по весу.Более плотные и тяжелые жидкости, преимущественно расплавленное железо, притягивались к центру, в результате чего более легкие силикаты всплывали наверх и образовывали внешние слои Земли. Аккуратное расположение жидкого материала с самым тяжелым в центре и более легким подальше от него — вот что заставило Землю превратиться из неправильного комка в сферу. При опускании более тяжелых жидкостей и подъеме более легких выделяется еще больше гравитационной энергии, а значит, и тепла.

Со времен архея Земля, вероятно, остыла на несколько сотен градусов.5 По мере охлаждения активной зоны центр, где давление было наибольшим, сначала затвердевает; во внешних слоях, где давление было ниже, железо оставалось жидким. Внешнее ядро ​​все еще жидкое, и по мере того, как планета продолжает охлаждаться, жидкость продолжает затвердевать, добавляя новые слои к внутреннему ядру, в то время как внешнее ядро ​​соответственно истончается. В процессе затвердевания жидкое железо теряет часть энергии, высвобождая скрытую теплоту замерзания (см. Главу 10). Это компенсирует потерю тепла и замедляет охлаждение.

На поверхности ядра, где температура резко падает, железо непрерывно кристаллизуется; затем твердые кристаллы проходят через внешнее ядро ​​и останавливаются, когда достигают внутреннего ядра.6 Это происходит и сегодня, и это влечет за собой продолжающееся медленное преобразование гравитационной энергии в тепло; все это часть продолжающегося процесса сортировки, посредством которого исходные ингредиенты Земли, с тех пор как они впервые срослись, продолжали перемещаться таким образом, чтобы наиболее плотный материал приближался к центру.

Короче говоря, изначальное тепло Земли, даже если оно постоянно излучается в космос, все же генерируется умеренными темпами. У нас все еще есть остатки тепла творения. Но со временем все это неизбежно исчезнет.

Энергия вращения

Как мы уже отмечали, считается, что Земля образовалась в результате гравитационного коллапса облака из осколков горных пород, пыли и газа. Облако было частью гораздо более крупного вращающегося дискообразного облака — солнечной туманности — предшественника всей солнечной системы.Солнце, планеты и все другие тела системы, когда они конденсировались из родительской туманности, унаследовали ее вращение; все они вращаются, каждый со своей скоростью. В случае с Землей скорость вращения составляет один раз каждые двадцать четыре часа, что мы все испытываем день за днем.

Поскольку Земля вращается, она обладает энергией вращения. Сумма, близкая к 2 x 1029 Дж (см. Главу 8), составляет всего одну тысячную тепловой энергии, высвободившейся при возникновении Земли. Тем не менее, это часть всей энергии, которая была дарована этой планете при рождении.

Вся энергия Земли рассеивается; не стесняясь, наша родная планета неуклонно избавляется от своей энергии, сбрасывает ее, излучает прочь. То, как отводится 99,9% тепловой энергии, обсуждается в главе 15. Одним из способов отвода оставшихся 0,1 процента, спиновой энергии, является приливное сопротивление, как описано в главе 8. Сопротивление также имеет место. глубоко под землей.

Текущее жидкое железо внешнего ядра дает Земле еще одну форму внутренней энергии, магнитную энергию (см. Главу 16).Эта энергия также зависит от движения, вызванного теплом; он будет неуклонно уменьшаться по мере того, как тепло излучается, а текущее железо замедляется и затвердевает.

Читать дальше: Как земля отдает тепло

Была ли эта статья полезной?

Внутренние источники энергии Передача тепла и поток из глубины Земли

в геологии тепловой поток земной коры — это мера количества тепловой энергии, покидающей Землю из внутренних источников энергии, измеряемая в калориях на квадратный сантиметр в секунду.Типичные значения теплового потока составляют около 1,5 микрокалорий на квадратный сантиметр в секунду, обычно указывается как 1,5 единицы теплового потока. большая часть теплового потока коры происходит из-за производства тепла в коре за счет радиоактивного распада урана, тория и калия. тепловой поток линейно зависит от производства тепла в гранитных породах. Однако некоторый тепловой поток коры исходит из глубин Земли, под корой.

Температура Земли сильно колеблется: от нескольких тысяч градусов в ядре до практически нуля градусов Цельсия на поверхности.Тепло и внутренняя энергия Земли были получены несколькими механизмами, включая следующие:

• тепло от аккреции как потенциальная энергия падающих метеоритов была преобразована в тепловую энергию

• тепло, выделяющееся при формировании ядра, при этом гравитационная потенциальная энергия преобразуется в тепло, когда тяжелое металлическое железо и другие элементы отделяются и опускаются, образуя ядро ​​вскоре после аккреции.

• производство тепла при распаде радиоактивных элементов

• и тепло, добавленное поздними ударами метеоритов и астероидов, некоторые из которых были чрезвычайно большими в ранней истории Земли. Тепло, производимое этими различными механизмами, постепенно течет к поверхности за счет теплопроводности, конвекции или адвекции и составляет компонент тепла земной коры. поток, который исходит из глубины корки.

Тепловой поток

за счет теплопроводности включает внутреннюю тепловую энергию, перетекающую из теплых в более холодные области, причем тепловой поток пропорционален разнице температур, а константа пропорциональности k, известная как теплопроводность, связана со свойствами материала. Теплопроводность большинства горных пород низкая, примерно в одну сотую меньше, чем у медной проволоки.

Адвекция включает в себя передачу тепла движением материала, например перенос или тепло в магме, в горячей воде через трещины или поровые пространства, и, что более важно, в глобальном масштабе, за счет крупномасштабного подъема нагретых, плавучий материал с относительно низкой плотностью и дополнительное погружение охлажденного материала с относительно высокой плотностью в мантию.Крупномасштабное движение мантии, когда горячий материал поднимается в одних местах и ​​более холодный материал опускается в других местах, известно как конвекция, адвективный механизм теплопередачи. Для возникновения конвекции в мантии силы плавучести нагретого материала должны быть достаточно сильными, чтобы преодолеть сопротивление породы потоку, известное как вязкость. Кроме того, силы плавучести должны преодолевать тенденцию породы терять тепло за счет теплопроводности, так как это охладит породу и снизит ее плавучесть.Баланс между всеми этими силами измеряется величиной, называемой числом Рэли. Конвекция в земных материалах происходит выше критического значения числа Роли, но ниже этого критического значения теплопередача осуществляется за счет кондуктивных процессов. Хорошо развитые конвективные ячейки в мантии очень эффективно переносят тепло с глубины на поверхность и являются основной движущей силой тектоники плит.

В теплопередаче в мантии преобладает конвекция (адвективная теплопередача), за исключением нижней мантии вблизи границы с внутренним ядром (область D), вдоль верха мантии и в коре (в литосфере). ), где преобладают кондуктивные и гидротермальные (в том числе адвективные) процессы.Зоны, где теплопроводность преобладает над теплопередачей, известны как проводящие пограничные слои, а литосфера может рассматриваться как конвектирующий, кондуктивно охлаждающий пограничный слой.

Основным механизмом теплопередачи, который забирает внутреннюю энергию из глубины мантии Земли в приповерхностную область, является конвекция. Это термический процесс, при котором нагрев на глубине заставляет материал расширяться и становиться менее плотным, заставляя его подниматься, заменяя его дополнительным холодным материалом, который опускается.Это перемещает тепло от глубины к поверхности в эффективном цикле, поскольку материал, который поднимается, выделяет тепло по мере того, как он поднимается и охлаждается, а материал, который опускается, нагревается только для того, чтобы в конечном итоге снова подняться. Конвекция — самый важный механизм, с помощью которого Земля выделяет тепло, наряду с другими механизмами, включая теплопроводность, излучение и адвекцию. Однако многие из этих механизмов работают вместе в тектоническом цикле плит. Мантийная конвекция переносит тепло из глубины мантии на поверхность, где выделяющееся тепло образует магмы, которые образуют океаническую кору.Ось срединно-океанического хребта является местом активной гидротермальной циркуляции и потери тепла, образуя дымовые трубы и другие выходы. По мере того, как кора и литосфера удаляются от срединно-океанических хребтов, они охлаждаются за счет теплопроводности, постепенно опускаясь (в соответствии с квадратным корнем из их возраста) примерно на 1,5–2,5 мили (2,5–4,0 км) ниже уровня моря. Таким образом, потеря тепла за счет мантийной конвекции является основным движущим механизмом тектоники плит, а движущиеся плиты можно рассматривать как проводящий охлаждающий пограничный слой для крупномасштабных систем мантийной конвекции.

Тепло, передаваемое поверхности за счет конвекции, образуется в результате распада радиоактивных изотопов, производящих тепло, таких как уран 235, торий 232 и калий 40, остаточного тепла от ранних изотопов, производящих тепло, таких как I 129, остаточного тепла от аккреции Земля, тепло, выделяющееся при формировании ядра, и тепло, выделяющееся при ударах метеоритов и астероидов. На раннем этапе истории планеты по крайней мере часть мантии была расплавленной, и с тех пор Земля охлаждается конвекцией.Оценить, насколько мантия остыла со временем, сложно, но разумные оценки предполагают, что в раннем архее она могла быть на пару сотен градусов горячее.

Скорость мантийной конвекции зависит от способности материала течь. Сопротивление потоку — это величина, измеряемая как вязкость, определяемая как отношение напряжения сдвига к скорости деформации. Жидкости с высокой вязкостью более устойчивы к течению, чем материалы с низкой вязкостью. Текущая вязкость мантии оценивается в 1020-1021 Па / с в верхней мантии и 1021-1023 Па / с в нижней мантии, вязкости достаточны, чтобы позволить мантии конвектировать и завершить цикл опрокидывания один раз. каждые 100 миллионов лет.Вязкость мантии зависит от температуры, поэтому вполне возможно, что в ранней истории Земли мантия могла двигаться и переворачиваться конвективно намного быстрее, что сделало конвекцию еще более эффективным процессом и ускорило скорость тектонических процессов плит.

В настоящее время продолжаются дискуссии и исследования, касающиеся стиля мантийной конвекции на Земле. Относительно неоднородная верхняя мантия простирается до глубины 416 миль (670 км), где наблюдается заметное увеличение сейсмических скоростей.Более однородная нижняя мантия простирается до области D на высоте 1678 миль (2700 км), отмечая переход во внешнее жидкое ядро. Согласно одной из школ мантийной конвекции, вся мантия, включая как верхнюю, так и нижнюю части, является конвекция как единое целое. Другая школа утверждает, что мантийная конвекция делится на два слоя, причем нижняя мантия конвектирует отдельно от верхней мантии. Разнообразие этих моделей, которых в настоящее время придерживается большинство геофизиков, заключается в том, что существует двухслойная конвекция. конвекция, но эти погружающиеся плиты могут проникать через 415-мильный (670-километровый) разрыв сверху, а мантийные шлейфы, поднимающиеся из области D, могут проникать через 415-мильный (670-километровый) разрыв снизу.

Формы, принимаемые мантийными конвективными ячейками, включают множество возможных форм, отраженных в первом порядке распределением зон субдукции и систем срединно-океанических хребтов. Зоны субдукции отмечают области даунвеллинга, тогда как система хребтов отмечает широкие области апвеллинга. Материал поднимается вверх в широкой ячейке под Атлантическим и Индийским океанами и спускается вниз в околотихоокеанских зонах субдукции. Считается, что под частью Тихого океана находится большой плюмовидный «сверхъестественный колодец», который питает подъем в восточной части Тихого океана.Мантийные плюмы, берущие начало в глубокой мантии, подчеркивают эту широкую картину конвекции в верхней мантии, а их хвосты искажаются потоком в конвектирующей верхней мантии.

Характер мантийной конвекции и передачи внутренней энергии на поверхность глубоко в геологическом времени остается неопределенным. Некоторые периоды, такие как меловой период, по-видимому, имели гораздо более строгую мантийную конвекцию и поверхностный вулканизм. Более или менее разные типы или скорости мантийной конвекции, возможно, помогли ранней Земле более эффективно терять тепло.некоторые компьютерные модели допускают периоды конвекции с преобладанием шлейфов, а другие — с преобладанием опрокидывающихся плоских ячеек, подобных современной Земле. некоторые модели предполагают циклические отношения, когда плиты объединяются на разрыве 425 миль (670 км), а затем внезапно все погружаются в нижнюю мантию, вызывая огромное событие опрокидывания мантии. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы связать сохранившиеся записи мантийной конвекции на деформированных континентах, чтобы помочь интерпретировать прошлую историю конвекции.

Читать дальше: Солнце и изменения внешней энергии, вызванные колебаниями орбиты

Была ли эта статья полезной?

Энергия из недр земли

  1. Дом
  2. ТУМ.Проекты энергетических исследований
  3. Геотермальный альянс Бавария
  4. Что такое геотермальная энергия?
  5. Энергия из недр земли

Энергия из недр земли


Термин геотермальная энергия происходит от греческого («gé» = земля и «thermós» = горячий), что в буквальном переводе означает тепло земли.

Гейсир в долине Хаукадалур, Исландия.Предоставлено: Джеймс Левин (распространяется через imaggeo.egu.eu)

Внутри земли жарко, как показывают вулканы, гейзеры и горячие источники. Под нашими ногами скрывается огромный энергетический потенциал.

В глубинной геотермальной энергии используется тепловая энергия, запасенная в верхних километрах земной коры.

Тепловая структура земли (Фото: GFZ)

Внутри Земли температура составляет от 5000 до 6000 градусов по Цельсию.Конечно, есть региональные различия, но в большинстве регионов мира температура на расстоянии 3-5 километров по-прежнему составляет 90-150 градусов по Цельсию. Это соответствует среднему геотермическому градиенту повышения температуры на 3 градуса Цельсия на 100 метров глубины.

Из-за распада естественных радиоактивных элементов в мантии Земли устойчивый поток тепловой энергии из недр Земли поднимается к поверхности Земли. Это тепло хранится в горных породах и в отложениях грунтовых вод.Эти резервуары можно вскрыть глубинными бурами. Это, естественно, приводит к возникновению многих исследовательских вопросов, включая методы бурения или Erhöhung der Fündigkeitswahrscheinlichkeit der Bohrungen . Если водохранилище разрабатывается, важно обеспечить устойчивое управление тепловыми отложениями.

Цель исследования Geothermal-Alliance Bavaria — сделать тепловую энергию, хранящуюся в земной коре, устойчивой и экономически пригодной для использования в течение длительных периодов времени.

Энергетика твердой Земли: комплексная перспектива

https://doi.org/10.1016/j.engeos.2020.04.001Получить права и контент

Основные моменты

Передача внутренней энергии твердой Земли в основном через мантию конвекция.

Оценка и количественная оценка путей и выхода энергии твердой Земли.

Оценка выделения энергии от шлейфов горячих точек, вулканических жерл и землетрясений.

Abstract

Внутренняя энергия твердой Земли в основном передается за счет тепловой конвекции мантии. Здесь мы обсуждаем энергию в масштабе 10 20 Дж, относящуюся к динамике недр твердой Земли. Энергия, выделяемая из недр современной Земли в космическое пространство за год, оценивается как E земля = 1,4 × 10 21 Дж год −1 на основе недавнего набора данных глобально наблюдаемых земных коров. тепловой поток, который в два-три раза превышает годовое энергопотребление всего населения мира, 5.7 × 10 20 Дж год −1 . Из энергии глобального теплового потока земной коры, энергия, выделяемая всеми основными очагами в вулканических жерлах в год, оценивается как E шлейф = 7,2 × 10 19 Дж год −1 , что составляет примерно 6% от E земли . Мы предполагаем, что большое количество мантийных плюмов не возникло в качестве горячих точек на поверхности Земли, с возможностью того, что E плюм больше, чем ожидалось, если учесть энергию, выделяемую небольшими подводными горами Земли.Учитывая тепловой (энергетический) бюджет Земли, производство тепла при распаде радиоактивных изотопов в мантии и коре почти сравнимо с теплом, выделяемым при вековом охлаждении Земли. Из E earth годовая энергия, выделяемая в результате векового охлаждения Земли, оценивается как 6,6 × 10 20 Дж год −1 . Эта энергия тесно связана с геотермальной энергией нашей планеты.

Ключевые слова

Твердая земля

Энергия

Горячие точки

Землетрясения

Извержения вулканов

Рекомендуемые статьиСтатьи (0)

© 2020 Sinopec Petroleum Exploration and Production Research Institute.Издательские услуги Elsevier B.V. от имени KeAi Communications Co. Ltd.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Литература: Энергия Земли | Геология

Большая часть энергии Земли поступает от Солнца. Практически вся жизнь на Земле зависит от солнечной энергии, поскольку растения используют солнечный свет для производства пищи в процессе фотосинтеза. Фотосинтез — это процесс, которым питаются растения и животные, которые, в свою очередь, в течение миллионов лет превращаются в ископаемое топливо.Солнце нагревает некоторые области Земли больше, чем другие области, что вызывает ветер. Энергия Солнца также управляет круговоротом воды, который перемещает воду по поверхности Земли. Некоторые из этих типов энергии могут использоваться людьми.

Другой основной источник энергии — это внутреннее тепло Земли. Это тепло имеет два источника: распад химических элементов за счет радиоактивности и тепло, оставшееся после того, как планета собралась вместе. Эти два источника будут описаны более подробно в следующих главах.

Энергетические ресурсы

Все требует энергии. Даже когда вы сидите максимально неподвижно, ваше тело использует энергию для дыхания, циркуляции крови, переваривания пищи и выполнения многих других функций. Производство света или тепла требует энергии. Создание чего-либо требует энергии. Все растения и животные нуждаются в энергии для своего функционирования. Повторюсь, все требует энергии!

Потребность в энергии

Рис. 1. Опоры электропередач, подобные показанной на этом рисунке, помогают доставлять электроэнергию, которую люди используют для получения энергии каждый день.

Энергия — это способность выполнять работу или производить изменения. Каждому живому существу нужна энергия для выполнения своих повседневных функций и еще больше энергии для роста. Растения получают энергию из «пищи», которую они производят путем фотосинтеза, а животные получают энергию прямо или косвенно из этой пищи. Люди также используют энергию для многих вещей, таких как приготовление пищи, хранение мороженого в морозилке, обогрев дома, строительство небоскреба или освещение своих домов. Поскольку миллиарды людей во всем мире используют энергию, существует огромная потребность в энергоресурсах (рисунок 1).Энергосбережение — это то, что каждый может сделать сейчас, чтобы снизить нагрузку на энергоресурсы.

Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена. Это означает, что даже если энергия меняет форму, общее количество энергии всегда остается неизменным. Как энергия преобразуется из одного типа в другой, когда вы пинаете футбольный мяч? Когда ваше тело расщепляет пищу, которую вы едите, оно накапливает энергию из пищи в виде химической энергии .Химическая энергия хранится в химических связях. Но нужно высвободить часть этой накопленной энергии, чтобы мышцы ног двигались. Химическая энергия преобразуется в другую форму энергии, называемую кинетической энергией . Кинетическая энергия — это энергия всего движущегося. Ваши мышцы двигают ногой, ваша ступня бьет по мячу, и мяч получает кинетическую энергию от удара. Таким образом, вы можете представить себе удар ногой по мячу как историю об изменении формы энергии.

Чтобы узнать квадратные уравнения, связанные с тем, чтобы быстро движущийся автомобиль преодолел кинетическую энергию и остановился, посмотрите это видео:

Потенциальная энергия — это запасенная энергия.Потенциальная энергия может выполнять работу или преобразовываться в другие формы энергии. Если мяч сидит на самом краю вершины холма, он не движется, но он обладает большой потенциальной энергией.

Анимации, показывающие преобразование потенциальной энергии в кинетическую, можно увидеть на следующих сайтах:

Энергия, топливо и тепло

Если вы читаете книгу при горящей лампе, эта лампа получает энергию от электричества. Энергия для производства электричества поступает из топлива. Топливо содержит энергию, которую оно выделяет. Топливо — это любой материал, который может выделять энергию при химическом изменении.

Какие есть образцы топлива и для чего они используются?

  1. Еда — это топливо для вашего тела.
  2. Солнечный свет — это энергия, необходимая растениям для производства пищи путем фотосинтеза.
  3. Бензин — топливо для автомобилей.
  4. Водород — топливо для Солнца.

Рисунок 2. Управляемый пожар.

Чтобы топливо было полезным, его энергия должна выделяться контролируемым образом.Контроль высвобождения энергии позволяет использовать энергию для выполнения работы. Когда топливо используется для получения энергии, оно обычно сжигается, и большая часть энергии выделяется в виде тепла (рис. 2). Затем тепло можно использовать для работы. Представьте себе человека, чиркнувшего спичкой, чтобы поджечь маленькие веточки. После того, как веточки обгорят какое-то время, они становятся достаточно горячими, чтобы загореться некоторые более крупные палочки. Огонь становится все жарче, и вскоре он становится достаточно горячим, чтобы сжечь целые поленья. Очень скоро огонь разгорится, и поставленная на огонь кастрюля с водой закипит.Часть жидкой воды испаряется.

Каков источник энергии для кипячения и испарения воды? Хотя некоторая химическая энергия спички была использована для разжигания огня, тепло для кипения и испарения воды исходит от энергии, которая хранилась в древесине. Дрова — топливо для огня.

Виды энергоресурсов

Рисунок 3. Антрацитовый уголь — невозобновляемый энергетический ресурс.

Энергетические ресурсы могут быть возобновляемыми или невозобновляемыми. Невозобновляемые ресурсы используются быстрее, чем их можно заменить, поэтому предложение, доступное обществу, ограничено (см. Пример на рисунке 3). Возобновляемые ресурсы не закончатся, потому что они заменяются так же быстро, как и используются. Можете ли вы подумать о возобновляемых и невозобновляемых источниках энергии?

Невозобновляемые ресурсы

Ископаемые виды топлива — уголь, нефть и природный газ — являются наиболее распространенным примером невозобновляемых источников энергии. Ископаемое топливо образуется из окаменелостей, частично разложившихся останков когда-то живых растений и животных.На формирование этих окаменелостей потребовались миллионы лет. Когда ископаемое топливо сжигается для получения энергии, оно выбрасывает в атмосферу загрязняющие вещества. Ископаемое топливо также выделяет углекислый газ и другие парниковые газы, которые вызывают повышение глобальной температуры. Влияние использования ископаемого топлива на окружающую среду обсуждается в главах «Климат» и «Действия человека и атмосфера».

Возобновляемые ресурсы

Возобновляемые источники энергии включают солнечную энергию, воду, ветер, биомассу и геотермальную энергию.Эти ресурсы либо практически безграничны, как Солнце, которое будет продолжать светить миллиарды лет, либо будут заменены быстрее, чем мы сможем их использовать. Количество падающей воды или ветра со временем будет меняться, но их довольно много. Энергия биомассы, как дрова для огня, может быть быстро заменена.

Использование возобновляемых ресурсов также может вызвать проблемы. Некоторые из них дороги, а некоторые, например деревья, используются для других целей. Некоторые вызывают экологические проблемы. По мере совершенствования технологий и увеличения количества людей, использующих возобновляемые источники энергии, цены могут снизиться.В то же время, по мере того, как мы используем ископаемое топливо, уголь, нефть и природный газ, эти невозобновляемые ресурсы будут дорожать. В какой-то момент, даже если стоимость возобновляемой энергии высока, невозобновляемая энергия станет еще дороже. В конечном итоге нам придется использовать возобновляемые источники.

Важные моменты, которые следует учитывать при рассмотрении энергетических ресурсов

При рассмотрении как возобновляемых, так и невозобновляемых ресурсов необходимо учитывать как минимум два важных момента. Во-первых, у нас должен быть практический способ превратить ресурс в полезную форму энергии.Во-вторых, мы должны учитывать, что происходит, когда мы превращаем ресурс в энергию.

Например, если мы получаем намного меньше энергии от сжигания топлива, чем мы вкладываем в его производство, то это топливо, вероятно, не является практическим энергетическим ресурсом. С другой стороны, если другое топливо дает нам большое количество энергии, но создает большое количество загрязнения, это топливо также может быть не лучшим выбором в качестве энергетического ресурса.

Сегодня мы полагаемся на электричество больше, чем когда-либо, но ресурсы, которые в настоящее время поставляют нашу энергию, ограничены.Гонка продолжается, чтобы использовать больше возобновляемых ресурсов, но доставка всей этой чистой энергии с производственных площадок в дома и на предприятия оказывается серьезной проблемой.

Невозобновляемые источники энергии

Миллионы лет назад растения использовали энергию Солнца для образования сахаров, углеводов и других богатых энергией углеродных соединений, которые позже были преобразованы в уголь, нефть или природный газ. Солнечная энергия, хранящаяся в этих видах топлива, является богатым источником энергии.Хотя ископаемое топливо дает очень качественную энергию, оно не является возобновляемым.

По большей части, невозобновляемые источники энергии ответственны за свет, который виден в этой анимации.

Образование ископаемого топлива

Рис. 4. Это заболоченное место может напоминать древнее болото, образующее уголь.

Можете назвать несколько окаменелостей? Как насчет костей динозавров или следов динозавров? Скелеты животных, зубы, раковины, копролиты (также известные как фекалии) или любые другие останки или следы живого существа, которое становится камнем, — это окаменелость .

Те же процессы, которые привели к образованию этих окаменелостей, также привели к созданию некоторых из наших самых важных энергетических ресурсов, ископаемых видов топлива . Уголь, нефть и природный газ — это ископаемые виды топлива. Ископаемое топливо происходит из живого вещества примерно 500 миллионов лет назад. Когда растения и животные умирали, их останки оседали на земле, в болотах, озерах и морях (рис. 4).

Рис. 5. Углеводороды состоят из атомов углерода и водорода. Эта молекула с одним углеродом и четырьмя атомами водорода — метан.

Со временем слой за слоем они накапливаются. В конце концов, слои были погребены настолько глубоко, что были раздавлены огромной массой земли. Вес этой земли, давящий на останки растений и животных, создавал сильную жару и давление. После миллионов лет тепла и давления материал в этих слоях превратился в химические вещества, называемые углеводородами (рис. 5). Вот анимированный вид углеводорода.

Углеводороды могут быть твердыми, жидкими или газообразными.Твердая форма — это то, что мы называем углем. Жидкая форма — нефть или сырая нефть. Природный газ — это газообразная форма.

Уголь

Уголь , твердое ископаемое топливо, образующееся из частично разложившихся остатков древних лесов, сжигается в основном для производства электроэнергии. Использование угля стремительно растет по мере того, как доступность нефти и природного газа уменьшается, а стоимость увеличивается. Этот рост использования угля происходит особенно в развивающихся странах, таких как Китай, где уголь дешев и его много.

Угольная формация

Уголь образуется из мертвых растений, поселившихся на дне древних болот. Пышные угольные болота были обычным явлением в тропиках в течение каменноугольного периода, который имел место более 300 миллионов лет назад (рисунок 6). Тогда климат был теплее.

Рис. 6. Расположение континентов в каменноугольный период. Обратите внимание, что довольно много суши находится в районе тропиков.

Рис. 7. Битуминозный уголь — это осадочная порода.

Грязь и другие мертвые растения погребли органический материал в болоте, а захоронение удерживало кислород. Когда растения хоронят без кислорода, органический материал может быть сохранен или окаменел. Песок и глина, оседая на гниющих растениях, выдавливали воду и другие вещества. Миллионы лет спустя осталась углеродсодержащая порода, известная нам как уголь.

Уголь черный или коричневато-черный. Наиболее распространенная форма угля — битуминозная, осадочная порода, содержащая примеси, такие как сера (рис. 7).Антрацитовый уголь, показанный на рисунке 3, подвергся метаморфозам и почти полностью состоит из углерода. По этой причине антрацитовый уголь горит более чисто, чем битуминозный.

Использование угля

Во всем мире уголь является крупнейшим источником энергии для производства электроэнергии. Соединенные Штаты богаты углем (диаграмма 8). В Калифорнии когда-то было несколько небольших угольных шахт, но штат больше не производит уголь. Чтобы превратить уголь в электричество, камень измельчают в порошок, который затем сжигают в печи с котлом.Как и другие виды топлива, уголь выделяет свою энергию в виде тепла при горении. Тепло от горящего угля кипятит воду в котле, превращая ее в пар. Пар вращает турбины, которые превращают генераторы в электричество. Таким образом, энергия, хранящаяся в угле, преобразуется в полезную энергию, такую ​​как электричество.

Рисунок 8. Угледобывающие регионы США в 1996 году. Оранжевый — антрацит высшего сорта; красный — низколетучий битумный; серый и серо-зеленый — битумный от средней до высокой летучести; зеленый — суббитуминозный; а желтый — бурый уголь низшего сорта

Уголь, который был обнаружен, но не используется, является частью наших запасов.Запасы важны, потому что, если цена ресурса повышается или стоимость его добычи снижается, они могут быть полезны.

Последствия использования угля

Для использования угля в качестве источника энергии его необходимо сначала добыть. Добыча угля осуществляется на поверхности или под землей методами, описанными в главе «Минералы Земли» (рис. 9). Добыча полезных ископаемых, особенно подземные, может быть опасной. В апреле 2010 года двадцать девять горняков погибли на угольной шахте Западной Вирджинии, когда газ, скопившийся в туннелях шахты, взорвался и вызвал пожар.

Рис. 9. Уголь, используемый на электростанциях, необходимо добывать. Один из методов добычи угля — это удаление с вершины горы.

Некоторые возможные типы экологического ущерба в результате добычи полезных ископаемых обсуждаются в главе «Минералы Земли». При добыче угля минералы и горные породы подвергаются воздействию из-под земли в воздух и воду на поверхности. Многие из этих минералов содержат элемент серу, который смешивается с воздухом и водой, образуя серную кислоту, очень коррозионно-агрессивное химическое вещество. Попадание серной кислоты в ручьи может привести к гибели рыб, растений и животных, обитающих в воде или рядом с ней.

Нефть

Нефть — это жидкое ископаемое топливо, которое чрезвычайно полезно, поскольку его можно легко транспортировать и использовать в автомобилях и других транспортных средствах. В настоящее время нефть является крупнейшим источником энергии в мире.

Нефтяная формация

Нефть из земли называется сырой нефтью , которая представляет собой смесь множества различных углеводородов. Сырая нефть представляет собой густой жидкий углеводород темно-коричневого или черного цвета. Нефть также образуется из захороненных мертвых организмов, но это крошечные организмы, которые живут на поверхности моря и затем опускаются на морское дно, когда умирают.Мертвые организмы удерживаются от кислорода слоями других мертвых существ и отложениями. По мере того, как слои накапливаются, температура и давление возрастают. За миллионы лет мертвые организмы превращаются в жидкое масло.

Добыча нефти

Рис. 10. Нефть (красная) находится в пористом слое породы (желтая) и удерживается непроницаемым слоем (коричневый). Складчатая конструкция позволила нефти скапливаться, поэтому в коллекторе можно было пробурить скважину.

Для сбора нефть должна находиться между пористым слоем породы и непроницаемым слоем (рисунок 10).Попав в ловушку над пористым слоем породы и под непроницаемым слоем, нефть будет оставаться между этими слоями до тех пор, пока не будет извлечена из породы.

Чтобы разделить различные типы углеводородов в сырой нефти для разных целей, сырая нефть должна быть переработана на нефтеперерабатывающих заводах, подобных показанному на рисунке 11. Очистка возможна, потому что каждый углеводород в сырой нефти кипит при разной температуре. Когда масло кипятится на нефтеперерабатывающем заводе, отдельное оборудование собирает различные соединения.

Рис. 11. Нефтеперерабатывающие заводы, подобные этому, разделяют сырую нефть на множество полезных видов топлива и других химикатов.

Использование масла

Большинство соединений, которые образуются в процессе очистки, представляют собой топливо, такое как бензин, дизельное топливо и топочный мазут. Поскольку это топливо является богатым источником энергии и его можно легко транспортировать, нефть обеспечивает около 90% энергии, используемой для транспортировки по всему миру. Остальные компоненты сырой нефти используются для изготовления восков, пластмасс, удобрений и других продуктов.

Бензин в удобной форме для использования в автомобилях и других транспортных средствах. В автомобильном двигателе сгоревший бензин в основном превращается в углекислый газ и водяной пар. Топливо выделяет большую часть своей энергии в виде тепла, что приводит к расширению газов. Это создает достаточную силу, чтобы перемещать поршни внутри двигателя и приводить в движение автомобиль.

Последствия использования масла

Соединенные Штаты действительно производят нефть, но ее объем составляет лишь четверть того количества, которое страна использует.В Соединенных Штатах имеется лишь около 1,5% доказанных мировых запасов нефти, поэтому большая часть нефти, используемой американцами, должна импортироваться из других стран.

Основными нефтедобывающими регионами США являются Мексиканский залив, Техас, Аляска и Калифорния. Большая часть морского бурения происходит в Мексиканском заливе, но есть и морские платформы в Калифорнии (Рисунок 12). Вот анимация расположения нефтяных бассейнов в прилегающих Соединенных Штатах.

Рисунок 12.Расположение морских скважин в Мексиканском заливе. Учтите, что некоторые колодцы находятся на очень большой глубине.

Как и любой другой вид добычи, добыча нефти имеет экологические последствия. Нефтяные вышки неприглядны (рис. 13), а разливы нефти случаются слишком часто (рис. 14).

Рис. 13. Буровые установки на нефтяном месторождении Сан-Ардо в Монтерее, Калифорния.

Рис. 14. Смертельный взрыв на нефтяной вышке в Мексиканском заливе в апреле 2010 г. привел к крупному разливу нефти. Когда этот снимок был сделан в июле 2010 года, нефть все еще текла в Персидский залив.Долгосрочные последствия разлива изучаются и пока неизвестны.

Природный газ

Природный газ , часто называемый просто газом, состоит в основном из углеводородного метана (см. Структуру на рисунке 5).

Образование природного газа

Природный газ образуется в тех же условиях, что и нефть. Органический материал, захороненный в отложениях, затвердевает и становится сланцевым пластом, который является источником газа. Хотя природный газ образуется при более высоких температурах, чем сырая нефть, они часто встречаются вместе.На этой анимации видно формирование месторождения полезных ископаемых.

Самые большие запасы природного газа в США находятся в Аппалачском бассейне, штат Техас, и в районе Мексиканского залива (Рисунок 15). В Калифорнии также есть природный газ, который в основном находится в Центральной долине. В северной части долины Сакраменто и дельты Сакраменто заполненный осадками желоб образовался вдоль места, где кора была сдвинута вместе (древняя сходящаяся окраина). Вот анимация мировых запасов природного газа.

Рисунок 15. Добыча газа в нижних 48 регионах США.

Использование природного газа

Как и сырая нефть, природный газ необходимо переработать, прежде чем его можно будет использовать в качестве топлива. Некоторые химические вещества в необработанном природном газе ядовиты для человека. Другие химические вещества, такие как вода, делают газ менее полезным в качестве топлива. При переработке природного газа удаляется почти все, кроме метана. После обработки газ готов к доставке и использованию. Природный газ доставляется в дома для таких целей, как приготовление пищи и отопление.Подобно углю и нефти, природный газ также сжигается для выработки тепла для работы турбин. Вращающиеся турбины вращают генераторы, а генераторы вырабатывают электричество.

Последствия использования природного газа

Рис. 16. Буровая установка на природном газе.

Природный газ горит намного чище, чем другие ископаемые виды топлива, а это означает, что он вызывает меньшее загрязнение воздуха. Природный газ также производит меньше углекислого газа, чем другие ископаемые виды топлива, при том же количестве энергии, поэтому его влияние на глобальное потепление меньше (рисунок 16).Посмотрите, какое загрязнение создается автомобилем, сжигающим бензин, и автомобилем, сжигающим природный газ, в этой анимации.

К сожалению, бурение на природный газ может быть разрушительным для окружающей среды. Одним из используемых методов является гидравлический разрыв пласта, также называемый гидроразрывом, который увеличивает скорость извлечения природного газа. Жидкости закачиваются через ствол скважины для создания трещин в породе-резервуаре, содержащей природный газ. В жидкость добавляется материал для предотвращения закрытия трещин. Ущерб происходит в основном из-за химических веществ в жидкостях для гидроразрыва.Химические вещества, обнаруженные в жидкостях, могут быть канцерогенами (вызывающими рак), радиоактивными материалами или эндокринными разрушителями, которые прерывают выработку гормонов в организме людей и животных. Жидкости могут попадать в грунтовые воды или могут стекать в ручьи и другие поверхностные воды.

Запасы ископаемого топлива

Ископаемое топливо в настоящее время обеспечивает около 85% мировой энергии. Мировое использование ископаемого топлива увеличилось во много раз за последние полвека (уголь: 2,6x, нефть: 8x, природный газ: 14x) из-за увеличения численности населения, из-за увеличения количества автомобилей, телевизоров и других видов топлива, потребляющих топливо. использования в развитых странах, а также в связи с улучшением образа жизни в развивающихся странах.На этой анимации можно увидеть прошлое и прогнозируемое использование различных типов энергии в Соединенных Штатах.

Рисунок 17. Мировые запасы нефти.

Количество ископаемого топлива, которое остается неиспользованным, неизвестно, но, вероятно, его можно измерить десятилетиями для нефти и природного газа и через несколько столетий для угля (рисунок 17). Все чаще используются альтернативные источники ископаемого топлива, такие как горючие сланцы и битуминозные пески (рис. 18).

Рис. 18. Спутниковый снимок карьера нефтеносных песков в Канаде.

Экологические последствия добычи этих видов топлива и использования ископаемого топлива в целом, наряду с тем фактом, что эти виды топлива не имеют безграничных запасов, побуждают к развитию альтернативных источников энергии.

Ядерная энергия

Рис. 19. При ударе крошечной частицы уран-235 распадается и выделяет энергию.

Когда ядро ​​атома расщепляется, оно выделяет огромное количество энергии, называемой ядерной энергией. Чтобы использовать ядерную энергию в качестве источника энергии, ученые и инженеры научились расщеплять ядра и контролировать выделение энергии (рис. 19).

Использование ядерной энергии

Атомные электростанции, подобные показанной на рисунке 20, используют уран, который добывают, обрабатывают и затем концентрируют в топливных стержнях. Когда на атомы урана в топливных стержнях попадают другие чрезвычайно крошечные частицы, они расщепляются. Количество мельчайших частиц, попавших в топливные стержни, необходимо контролировать, иначе они могут вызвать опасный взрыв. Энергия атомной электростанции нагревает воду, которая создает пар и заставляет турбину вращаться.Вращающаяся турбина вращает генератор, который, в свою очередь, производит электричество.

Рис. 20. Атомные электростанции, подобные этой, обеспечивают Францию ​​почти 80% электроэнергии.

Многие страны мира используют ядерную энергию в качестве источника электроэнергии. В Соединенных Штатах чуть менее 20% электроэнергии вырабатывается за счет ядерной энергии.

Последствия ядерной энергетики

Атомная энергетика чиста. Он не загрязняет воздух и не выделяет углекислый газ.Однако использование ядерной энергии создает другие экологические проблемы. Уран необходимо добывать (рисунок 21). В процессе расщепления атомов образуются радиоактивные отходы, которые остаются опасными в течение тысяч или сотен тысяч лет. На данный момент не существует долгосрочного решения для хранения этих отходов.

Рис. 21. Урановый рудник в национальном парке Какаду, Австралия.

Развитие атомных электростанций приостановлено на три десятилетия. Аварии на Три-Майл-Айленде и в Чернобыле, Украина, подтвердили худшие опасения людей по поводу опасностей использования ядерной энергии (диаграмма 22).

Рисунок 22. Поврежденное здание недалеко от места аварии на Чернобыльской АЭС.

В последнее время ядерная энергетика, похоже, возвращается, поскольку общество ищет альтернативы ископаемому топливу. Но катастрофа 2011 года на АЭС «Фукусима-дайити» в Японии, возможно, вызвала новый страх перед ядерной энергетикой. Причиной катастрофы стало землетрясение магнитудой 9,0 баллов и последующее цунами, которое нанесло ущерб станции. Хотя полного обвала удалось предотвратить, на заводе произошло несколько частичных отказов, разрывов активной зоны, радиационных выбросов и отказов охлаждения.Планируется, что до конца 2011 года завод будет полностью остановлен в холодном состоянии.

KQED: Использование ядерной энергии. Ядерная энергия — спорный вопрос в Калифорнии и большинстве других мест. Ядерная энергетика не содержит загрязняющих веществ, включая выбросы углерода, но электростанции не всегда безопасны, а долгосрочное удаление отходов — это проблема, которая еще не решена. Будущее ядерной энергетики туманно.

Возобновляемые источники энергии

Ископаемые виды топлива имеют то преимущество, что они дешевы и транспортабельны, но они наносят ущерб окружающей среде и в конечном итоге закончатся.Возобновляемые источники энергии, по определению, не иссякнут, и большинство из них не вызывают большого загрязнения. Но у возобновляемых источников энергии есть и обратная сторона. В этом уроке будут описаны как преимущества, так и недостатки солнечной, водной, ветровой, биомассы и геотермальной энергии.

Солнечная энергия

Солнце — главный источник энергии Земли, что делает развитие солнечной энергетики естественным выбором в качестве альтернативного источника энергии.

Солнечная энергия

Энергия Солнца исходит от самого легкого элемента, водорода, сливаясь вместе, образует второй по легкости элемент, гелий.Ядерный синтез высвобождает огромное количество солнечной энергии. Энергия распространяется на Землю в основном в виде видимого света. Свет переносит энергию через пустое пространство между Солнцем и Землей в виде излучения .

Использование солнечной энергии

Рисунок 23. Солнечные панели служат источником энергии для Международной космической станции.

Солнечная энергия использовалась для производства энергии в небольших масштабах в течение сотен лет, а растения использовали ее миллиарды лет. В отличие от энергии ископаемого топлива, которое почти всегда поступает от центральной электростанции или нефтеперерабатывающего завода, солнечную энергию можно использовать на местном уровне (рисунок 23).Набор солнечных батарей на крыше дома можно использовать для нагрева воды в бассейне или для обеспечения дома электричеством.

Общество начинает использовать солнечную энергию в больших масштабах. Ученые и инженеры проводят очень активные и постоянные исследования новых способов более эффективного использования энергии Солнца. Из-за огромного количества падающего солнечного света солнечная энергия развивается в Соединенных Штатах в юго-восточной Калифорнии, Неваде и Аризоне.

Солнечные электростанции превращают солнечный свет в электричество, используя большую группу зеркал для фокусировки солнечного света в одном месте, называемом приемником (рис. 24).Жидкость, такая как масло или вода, протекает через этот ресивер и нагревается до высокой температуры сфокусированным солнечным светом. Нагретая жидкость передает свое тепло ближайшему объекту, имеющему более низкую температуру, посредством процесса, называемого проводимостью . Энергия, проводимая нагретой жидкостью, используется для производства электричества.

Рис. 24. Эта солнечная электростанция использует зеркала для фокусирования солнечного света на башне в центре. Солнечный свет нагревает жидкость внутри башни до очень высокой температуры, производя энергию для производства электричества.

Вот видео о том, как можно сконцентрировать солнечную энергию, чтобы ее можно было использовать для производства электроэнергии.

Последствия использования солнечной энергии

Рис. 25. Этот экспериментальный автомобиль — один из множества вариантов использования солнечной энергии, которые инженеры нашли.

Солнечная энергия имеет множество преимуществ. Он чрезвычайно распространен, широко распространен и никогда не иссякнет. Но есть проблемы с повсеместным использованием солнечной энергии.

  • Должен присутствовать солнечный свет. Солнечная энергия бесполезна в местах, где часто бывает облачно или ночью.Однако технология хранения находится в стадии разработки.
  • Технология, необходимая для производства солнечной энергии, все еще дорогая. Увеличение числа заинтересованных клиентов будет стимулировать компании исследовать и разрабатывать новые технологии и выяснять, как массово производить существующие технологии (рисунок 25).
  • Солнечные панели требуют много места. К счастью, солнечные панели можно разместить на любой крыше, чтобы обеспечить хотя бы часть энергии, необходимой для дома или бизнеса.

Гидроэнергетика

Вода покрывает 70% поверхности планеты, а гидроэнергия (гидроэлектростанция) является наиболее широко используемой формой возобновляемой энергии в мире.Гидроэлектроэнергия из ручьев обеспечивает почти пятую часть мировой электроэнергии.

Hydroelectric Power

Помните, что потенциальная энергия — это энергия объекта, ожидающего падения. Вода, находящаяся за плотиной, имеет много потенциальной энергии. На гидроэлектростанции плотина через русло реки удерживает ручей для создания водохранилища. Вместо того, чтобы течь по своему обычному каналу, воде позволяют течь в большую турбину. Когда вода движется, она обладает кинетической энергией, которая заставляет турбину вращаться.Турбина подключена к генератору, вырабатывающему электричество (рисунок 26).

Рисунок 26. Поперечный разрез гидроэлектростанции.

Большинство водотоков в Соединенных Штатах и ​​других странах развитого мира, которые подходят для гидроэнергетики, уже перекрыты дамбами (рисунок 27). В Калифорнии около 14,5% всей электроэнергии приходится на гидроэнергетику. Почти 400 гидроэлектростанций штата расположены в основном в восточных горных хребтах, где большие ручьи спускаются по крутому склону.

Рис. 27. Плотины гидроэлектростанций, подобные этой, используют силу движущейся воды для производства электроэнергии.

Последствия водопользования

Рис. 28. Дамба Глен-Каньон в Аризоне образовала озеро Пауэлл. Плотина вызвала споры, потому что она затопила Глен-Каньон, красивый пустынный каньон.

Основным преимуществом гидроэнергетики является то, что она вырабатывает электроэнергию без какого-либо загрязнения. Гидроэнергетика также является возобновляемым ресурсом, поскольку поток будет продолжать течь.Однако количество подходящих участков для плотин ограничено. Гидроэнергетика также имеет экологические проблемы. Когда большая плотина нарушает течение реки, она изменяет экосистему вверх по течению. По мере того, как земля затопляется подъемом воды, растения и животные перемещаются или погибают. Многие красивые пейзажи, деревни и места археологических раскопок были затоплены водой в водохранилище (рис. 28).

Плотина и турбины также изменяют среду ниже по течению для рыб и других живых существ. Плотины замедляют выброс ила, так что дельты ниже по течению отступают, а приморские города становятся опасно уязвимыми для штормов и повышения уровня моря.

Ocean Water Power

Энергию волн и приливов можно использовать для производства энергии воды. Приливным электростанциям может потребоваться закрыть узкую бухту или устье. Волновые источники энергии должны выдерживать прибрежные штормы и коррозию морской воды. Из-за множества проблем, связанных с ними, приливные и волновые электростанции не очень распространены.

KQED: Использование силы моря. Многие считают, что приливная энергия, хотя она еще не получила широкого распространения, имеет больший потенциал, чем энергия ветра или солнца, для удовлетворения потребностей в альтернативной энергии.Радио Quest рассматривает планы по использованию энергии с моря в Сан-Франциско и вдоль северного побережья Калифорнии.

Энергия ветра

Энергия ветра — это самый быстрорастущий возобновляемый источник энергии в мире. Ветряные мельницы теперь можно увидеть во многих местах, либо по отдельности, либо, чаще, на больших полях. Wind Powering America следит за развитием ветроэнергетики в Соединенных Штатах за последние несколько лет.

Энергия ветра

Энергия солнца также создает ветер, который можно использовать в качестве энергии ветра.Солнце нагревает разные места на Земле в разной степени. Воздух, который становится теплым, поднимается вверх, а затем всасывает более прохладный воздух в это место. Движение воздуха от одного места к другому по земле создает ветер. Поскольку ветер движется, он обладает кинетической энергией.

Использование энергии ветра

Рис. 29. Ветряные турбины, подобные показанным здесь, превращают ветер в электричество, не создавая загрязнения.

Ветер — это источник энергии для ветроэнергетики. Ветер веками использовался в качестве источника энергии.Например, ветряные мельницы использовались для измельчения зерна и перекачивания воды. Парусные корабли передвигались с помощью энергии ветра задолго до того, как корабли начали работать на ископаемом топливе. Ветер можно использовать для выработки электричества, поскольку движущийся воздух вращает турбину для производства электричества (рисунок 29). Эта анимация показывает, как работает энергия ветра.

Последствия ветроэнергетики

У энергии ветра много преимуществ. Он не горит, поэтому не выделяет загрязнения или углекислый газ. Кроме того, во многих местах дует сильный ветер. Однако ветер дует не все время, хотя энергия требуется постоянно.Как и в случае с солнечной энергией, инженеры работают над технологиями, которые могут хранить энергию ветра для дальнейшего использования.

Ветряки дорогие и быстро изнашиваются. Для обеспечения энергией региона необходимо много ветряных мельниц, поэтому жители близлежащих районов могут жаловаться на потерю прекрасного вида, если будет построена ветряная электростанция. На побережье обычно дует сильный ветер, но ветряные электростанции, построенные рядом с пляжами, могут причинить неудобства местным жителям и туристам.

Проект Cape Wind на мысе Кейп-Код был одобрен, но вызывает много споров.Противники выступают за зеленую энергию, но не в этом месте. Сторонники говорят, что необходима чистая энергия, и что проект будет поставлять 75% электроэнергии, необходимой для Кейп-Код и близлежащих островов (рисунок 30).

Рис. 30. Мыс Винд у мыса Код в Массачусетсе получает сильный ветер (красный цвет), но также популярен среди туристов своей красотой.

California была одним из первых производителей энергии ветра. Ветряные мельницы находятся на горных перевалах, через которые более прохладный воздух Тихого океана всасывается на пути к более теплым внутренним долинам.Большие поля ветряных мельниц можно увидеть на перевале Альтамонт в восточной части залива Сан-Франциско, на перевале Сан-Горгонио к востоку от Лос-Анджелеса и на перевале Техачапи в южной части долины Сан-Хоакин.

Геотермальная энергия

Геотермальная энергия поступает из тепла глубоко под поверхностью Земли. Ничего нельзя делать с геотермальной энергией. Это ресурс, который можно использовать без обработки.

Геотермальная энергия

Тепло, которое используется для производства геотермальной энергии, может естественным образом выходить на поверхность в виде горячих источников или гейзеров, таких как Гейзеры в северной Калифорнии.Если вода не выходит на поверхность естественным образом, инженеры могут закачать холодную воду в землю. Вода нагревается горячим камнем, а затем перекачивается на поверхность для использования. Горячая вода или пар из геотермальной скважины вращает турбину для производства электричества.

Геотермальная энергия чистая и безопасная. Источник энергии является возобновляемым, поскольку горячая порода находится повсюду на Земле, хотя во многих частях мира горячая порода находится недостаточно близко к поверхности для строительства геотермальных электростанций.В некоторых районах широко распространена геотермальная энергия (рисунок 31).

Рисунок 31. Геотермальная энергетическая установка в Исландии. Исландия получает около четверти своей электроэнергии из геотермальных источников.

В Соединенных Штатах Калифорния является лидером по производству геотермальной энергии. Самая большая геотермальная электростанция в штате находится в зоне геотермальных ресурсов Гейзеры в графствах Напа и Сонома, к северу от Сан-Франциско. Считается, что источником тепла является большой магматический очаг, лежащий под этой областью.

KQED: Геотермальный нагрев. Там, где внутреннее тепло Земли приближается к поверхности, геотермальная энергия является чистым источником энергии. В Калифорнии Гейзеры снабжают энергией многие близлежащие дома и предприятия.

Биомасса

Рис. 32. Биотопливо, такое как этанол, добавляется к бензину, чтобы сократить количество используемого ископаемого топлива.

Биомасса — это материал, который получают из недавно живших растений и животных.Биомассу можно сжигать напрямую, например, поджигая дрова. С тех пор, как у людей был огонь, люди использовали биомассу для обогрева и приготовления пищи. Люди также могут перерабатывать биомассу для производства топлива, называемого биотопливом . Биотопливо можно создать из сельскохозяйственных культур, таких как кукуруза или водоросли, и переработать для использования в автомобиле (рис. 32). Преимущество биотоплива в том, что оно сжигается более чисто, чем ископаемое топливо. В результате они создают меньше загрязнения и меньше углекислого газа. Однако критики говорят, что количество энергии, удобрений и земли, необходимых для выращивания используемых культур, делает биотопливо лишь немного лучшей альтернативой ископаемым видам топлива.

  • KQED: Насколько экологична энергия биомассы? Органический материал, например скорлупу миндаля, можно превратить в электричество. Энергия биомассы — это обширное использование отходов и более надежное, чем другие возобновляемые источники энергии, но для получения энергии биомассы используется энергия, а заводы по производству биомассы производят загрязняющие вещества, включая парниковые газы.
  • KQED: От отходов к ваттам: биотопливо Bonanza. Коровий навоз может иметь вторую жизнь как источник метана, который можно преобразовать в электричество. Мало того, что пищевые отходы также могут быть преобразованы в зеленую энергию.
  • KQED: Биотопливо: помимо этанола. Чтобы генерировать энергию биомассы, разрушьте клеточные стенки растений, чтобы высвободить сахара, а затем ферментируйте эти сахара для создания топлива. Кукуруза — очень неэффективный источник; ученые ищут гораздо лучшие источники энергии биомассы.
  • Сила водорослей. Многие думают, что лучший источник энергии биомассы будущего — это водоросли. По сравнению с кукурузой водоросли не являются пищевой культурой, они могут расти во многих местах, их гораздо легче превратить в пригодное для использования топливо, и они имеют нейтральный углерод.
  • Включите питание с остатками. Выброшенная пища производит метан, мощный парниковый газ. Но метан из остатков можно использовать в качестве топлива. Похоже на беспроигрышную ситуацию.

Краткое содержание урока

  • Согласно закону сохранения энергии, энергия не создается и не уничтожается.
  • Возобновляемые ресурсы можно заменять по мере их использования.
  • Невозобновляемые ресурсы доступны в ограниченном количестве или используются быстрее, чем их можно заменить.
  • Ископаемые виды топлива — это невозобновляемые источники энергии, наносящие ущерб окружающей среде.
  • Уголь, нефть и природный газ — это ископаемые виды топлива, образующиеся из останков живых организмов.
  • Уголь — крупнейший источник энергии для производства электроэнергии.
  • Нефть и природный газ являются важными источниками энергии для транспортных средств и производства электроэнергии.
  • Ядерная энергия производится расщеплением атомов. Он также производит радиоактивные отходы, которые очень опасны в течение многих лет.
  • Солнечная энергия, энергия воды, энергия ветра, геотермальная энергия и энергия биомассы являются возобновляемыми источниками энергии.
  • Солнечная энергия может использоваться либо путем пассивного накопления и удержания солнечного тепла, преобразования его в электричество или его концентрации.
  • Есть много способов использовать энергию движущейся воды, включая плотины гидроэлектростанций, приливные и волновые установки.
  • Энергия ветра использует энергию движущегося воздуха для вращения турбин.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *