گرادیان زمین گرمایی نرخ تغییر دما با توجه به افزایش عمق در زمین داخل است. به عنوان یک قاعده کلی، دمای پوسته به دلیل جریان گرما از گوشته بسیار داغ تر، با عمق افزایش می یابد . دور از مرزهای صفحه تکتونیکی، دما در حدود 25 تا 30 درجه سانتی گراد بر کیلومتر (72 تا 87 درجه فارنهایت در مایل) از عمق نزدیک به سطح در بیشتر نقاط جهان افزایش می یابد. [1] با این حال، در برخی موارد دما ممکن است با افزایش عمق کاهش یابد، به ویژه در نزدیکی سطح، پدیده ای که به عنوان معکوس یا منفی گرادیان زمین گرمایی شناخته می شود. اثرات آب و هوا، آفتاب و فصل فقط به عمق 10-20 متر می رسد.
به بیان دقیق، ژئوترمال لزوماً به زمین اشاره دارد، اما این مفهوم ممکن است برای سیارات دیگر به کار رود. در واحدهای SI ، گرادیان زمین گرمایی به صورت °C/km، [1] K/km، [2] یا mK/m بیان می‌شود. [3] اینها همه معادل هستند.
گرمای درونی زمین از ترکیب گرمای باقیمانده از برافزایش سیاره ، گرمای تولید شده از طریق واپاشی رادیواکتیو ، گرمای نهان ناشی از تبلور هسته و احتمالاً گرما از منابع دیگر ناشی می‌شود. اصلی تولید کننده گرما هسته های در زمین عبارتند از پتاسیم-40 ، اورانیوم-238 ، اورانیوم-235 و توریم-232 . [4] تصور می شود که هسته داخلی دمایی در محدوده 4000 تا 7000 کلوین دارد و فشار در مرکز سیاره حدود 360 گیگا پاسکال (3.6 میلیون اتمسفر) تصور می شود. [5] (مقدار دقیق بستگی به مشخصات چگالی در زمین دارد.) از آنجایی که بیشتر گرما توسط واپاشی رادیواکتیو تامین می شود، دانشمندان بر این باورند که در اوایل تاریخ زمین، قبل از اینکه هسته های با نیمه عمر کوتاه تخلیه شوند، تولید گرمای زمین بسیار بالاتر بود تولید گرما دو برابر امروزی در حدود 3 میلیارد سال پیش بود، [6] که منجر به گرادیان های دمایی بیشتر در زمین، سرعت های بیشتر همرفت گوشته و تکتونیک صفحه ای شد که امکان تولید سنگ های آذرین مانند کماتییت هایی که دیگر تشکیل نمی شوند. [7]
بالای شیب زمین گرمایی تحت تأثیر دمای اتمسفر است . بالاترین لایه های سیاره جامد در دمایی هستند که توسط آب و هوای محلی ایجاد می شود و تقریباً به میانگین دمای متوسط بسته به نوع زمین، سنگ و غیره، سالانه (MATT) در عمق کم حدود 10 تا 20 متر کاهش می یابد. این عمق است که برای بسیاری از پمپ های حرارتی منبع زمین استفاده می شود . [13] صدها متر بالا منعکس کننده تغییرات آب و هوایی گذشته است. [14] با نزول بیشتر، گرما به طور پیوسته افزایش می یابد زیرا منابع گرمای داخلی شروع به تسلط می کنند.
منابع گرما
دمای درون زمین با عمق افزایش می یابد. سنگ بسیار چسبناک یا نیمه مذاب در دمای بین 650 تا 1200 درجه سانتیگراد (1200 تا 2200 درجه فارنهایت) در حاشیه صفحات تکتونیکی یافت می شود که گرادیان زمین گرمایی در مجاورت را افزایش می دهد، اما فرض بر این است که فقط هسته بیرونی در یک مذاب وجود دارد. یا حالت سیال، و دما در مرز هسته داخلی/هسته خارجی زمین، در حدود 3500 کیلومتر (2200 مایل) عمق، 600 ± 5650 کلوین برآورد شده است . 15] [16] محتوای گرمای زمین 1031 [ ژول است . [1]
- بیشتر گرما در اثر فروپاشی عناصر رادیواکتیو طبیعی ایجاد می شود. تخمین زده می شود که 45 تا 90 درصد گرمای خارج شده از زمین از فروپاشی رادیواکتیو عناصری که عمدتاً در گوشته قرار دارند منشاء می گیرد. [6] [17] [18]
- انرژی پتانسیل گرانشی را می توان به موارد زیر تقسیم کرد:
- رها شدن در طول برافزایش زمین.
- گرمای آزاد شده در طول تمایز فراوان ، به عنوان فلزات سنگین ( آهن ، نیکل ، مس ) به هسته زمین فرود آمد.
- گرمای نهان با هسته خارجی متبلور شدن مایع در مرز هسته داخلی آزاد می شود .
- روی زمین در حین چرخش ایجاد شود گرما ممکن است توسط نیروهای جزر و مدی (حفظ حرکت زاویه ای). حاصل جزر و مدهای زمینی ، انرژی را در داخل زمین به صورت گرما پراکنده می کنند.
در پوسته قاره زمین، فروپاشی هسته های رادیواکتیو طبیعی سهم قابل توجهی در تولید گرمای زمین گرمایی دارد. پوسته قاره ای در مواد معدنی با چگالی کمتر فراوان است اما همچنین حاوی غلظت قابل توجهی از عناصر سنگ دوست مانند اورانیوم است. به همین دلیل، دارای متمرکزترین مخزن جهانی عناصر رادیواکتیو موجود در زمین است. [19] عناصر رادیواکتیو طبیعی در سنگ های گرانیتی و بازالتی، به ویژه در لایه های نزدیک به سطح زمین، غنی می شوند. [20] این سطوح بالای عناصر رادیواکتیو به دلیل ناتوانی آنها در جایگزینی مواد معدنی گوشته و در نتیجه غنی شدن در مذاب در طی فرآیندهای ذوب گوشته، عمدتاً از گوشته زمین حذف می شوند. گوشته عمدتاً از مواد معدنی با چگالی بالا با غلظت‌های بالاتر عناصری که دارای شعاع اتمی نسبتاً کوچکی هستند مانند منیزیم (Mg)، تیتانیوم (Ti) و کلسیم (Ca) تشکیل شده است. [19]
| نوکلید | انتشار گرما [وزن بر کیلوگرم نوکلید] | نیمه عمر [سال ها] | میانگین غلظت گوشته [کیلوگرم نوکلید/کیلوگرم گوشته] | انتشار گرما [دسته وزنی بر کیلوگرم] |
|---|---|---|---|---|
| 238 ایالات متحده | 9.46 × 10-5 | 4.47 × 10 9 | 30.8 × 10-9 | 2.91 × 10-12 |
| 235 ایالات متحده | 56.9 × 10-5 | 0.704 × 10 9 | 0.22 × 10-9 | 0.125 × 10-12 |
| 232 Th | 2.64 × 10-5 | 14.0 × 10 9 | 124 × 10-9 | 3.27 × 10-12 |
| 40 K | 2.92 × 10-5 | 1.25 × 10 9 | 36.9 × 10-9 | 1.08 × 10-12 |
شیب زمین گرمایی در لیتوسفر نسبت به گوشته تندتر است، زیرا گوشته گرما را عمدتاً با همرفت حمل می کند، که منجر به گرادیان زمین گرمایی می شود که توسط آدیابات گوشته تعیین می شود، نه توسط فرآیندهای انتقال حرارت رسانا که در لیتوسفر غالب است، که عمل می کند. به عنوان یک لایه مرزی حرارتی گوشته همرفت. [ نیازمند منبع ]
جریان گرما
گرما به طور مداوم از منابع خود در داخل زمین به سطح جریان دارد. مجموع تلفات حرارتی از زمین 44.2 TW ( 4.42 × 1013 وات ) برآورد شده است. [22] میانگین جریان گرما 65 mW/m2 روی پوسته قاره ای و 101 mW/m2 روی پوسته اقیانوسی است . [22] این به طور متوسط 0.087 وات بر متر مربع است (0.03 درصد از انرژی خورشیدی جذب شده توسط زمین [23] )، اما در مناطقی که لیتوسفر نازک است، مانند در امتداد پشته های اقیانوسی (جایی که اقیانوس های جدید هستند) بسیار بیشتر متمرکز است. لیتوسفر ایجاد می شود) و در نزدیکی پرهای گوشته . [24] پوسته زمین به طور موثر به عنوان یک پتوی عایق ضخیم عمل می کند که باید توسط مجراهای سیال (ماگما، آب یا موارد دیگر) سوراخ شود تا گرمای زیر آن آزاد شود. گرمای بیشتری در زمین از طریق تکتونیک صفحه، با بالا آمدن گوشته مرتبط با پشته های میانی اقیانوس از دست می رود. یکی دیگر از روش‌های اصلی اتلاف گرما، رسانش از طریق لیتوسفر است ، که بیشتر آن در اقیانوس‌ها رخ می‌دهد، زیرا پوسته در آنجا بسیار نازک‌تر و جوان‌تر از زیر قاره‌ها است. [22] [25]
گرمای زمین توسط واپاشی رادیواکتیو با سرعت 30 TW دوباره پر می شود. [26] نرخ جریان زمین گرمایی جهانی بیش از دو برابر میزان مصرف انرژی انسان از همه منابع اولیه است. داده های جهانی در مورد چگالی جریان گرما توسط کمیسیون بین المللی جریان گرما (IHFC) از IASPEI / IUGG جمع آوری و گردآوری می شود . [27]
برنامه مستقیم
گرمای داخل زمین می تواند به عنوان منبع انرژی مورد استفاده قرار گیرد که به عنوان انرژی زمین گرمایی شناخته می شود . شیب زمین گرمایی از زمان روم باستان برای گرمایش و حمام کردن فضا و اخیراً برای تولید برق استفاده می شده است. همانطور که جمعیت انسانی همچنان در حال رشد است، استفاده از انرژی و اثرات زیست محیطی مرتبط با منابع اولیه انرژی جهانی همخوانی دارد. این امر باعث علاقه روزافزون به یافتن منابع انرژی تجدیدپذیر شده و انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش داده است. در مناطقی با چگالی انرژی زمین گرمایی بالا، فناوری فعلی به دلیل دماهای بالا مربوطه، امکان تولید نیروی الکتریکی را فراهم می کند. تولید نیروی الکتریکی از منابع زمین گرمایی نیازی به سوخت ندارد در حالی که انرژی بار پایه واقعی را با نرخ قابل اطمینانی که دائماً بیش از 90 درصد است فراهم می کند. [19] به منظور استخراج انرژی زمین گرمایی، انتقال موثر گرما از یک مخزن زمین گرمایی به یک نیروگاه ضروری است، جایی که انرژی الکتریکی از گرما با عبور بخار از طریق یک نیروگاه تبدیل می شود. توربین متصل به ژنراتور [19] کارایی تبدیل گرمای زمین گرمایی به الکتریسیته به اختلاف دمای سیال گرم شده (آب یا بخار) و دمای محیط بستگی دارد، بنابراین استفاده از منابع گرمایی عمیق و با دمای بالا سودمند است. در مقیاس جهانی، گرمای ذخیره شده در داخل زمین انرژی ای را فراهم می کند که هنوز به عنوان یک منبع عجیب و غریب دیده می شود. تا سال 2007 حدود 10 گیگاوات ظرفیت الکتریکی زمین گرمایی در سراسر جهان نصب شده است که 0.3 درصد تقاضای جهانی برق را تولید می کند. 28 گیگاوات دیگر ظرفیت گرمایش زمین گرمایی مستقیم برای گرمایش منطقه ای، گرمایش فضا، آبگرم، فرآیندهای صنعتی، نمک زدایی و کاربردهای کشاورزی نصب شده است. [1]
تغییرات
سوراخ باز پایین گرادیان زمین گرمایی با موقعیت مکانی متفاوت است و معمولاً با تعیین دمای پس از حفاری گمانه اندازه گیری می شود. با این حال، سیاهههای مربوط به دمای بدست آمده بلافاصله پس از حفاری به دلیل گردش مایع حفاری تحت تأثیر قرار می گیرند. برای به دست آوردن تخمین دقیق دمای سوراخ پایین، لازم است چاه به دمای پایدار برسد. این همیشه به دلایل عملی قابل دستیابی نیست.
در زمین ساختی مناطق پایدار در مناطق استوایی ، نمودار دما- عمق به میانگین دمای سطح سالانه همگرا می شود. با این حال، در مناطقی که یخ‌های دائمی ایجاد شد، عمیق در طول پلیستوسن می‌توان یک ناهنجاری دمای پایین را مشاهده کرد که تا چند صد متر ادامه دارد. [28] ناهنجاری سرمای Suwałki در لهستان منجر به این شده است که اختلالات حرارتی مشابه مربوط به پلیستوسن- هولوسن تغییرات آب و هوایی در گمانه‌های سرتاسر لهستان و همچنین در آلاسکا ، شمال کانادا و سیبری ثبت شده است .
در نواحی برآمدگی و فرسایش هولوسن (شکل 1) شیب کم عمق زیاد خواهد بود تا زمانی که به نقطه ای برسد (که در شکل “نقطه عطف” نامگذاری شده است) که به رژیم جریان گرمایی تثبیت شده برسد. اگر شیب رژیم تثبیت شده بالاتر از این نقطه تا تقاطع آن با دمای میانگین سالانه کنونی پیش بینی شود، ارتفاع این تقاطع بالاتر از سطح سطح امروزی، اندازه گیری میزان بالا آمدن و فرسایش هولوسن را نشان می دهد. در مناطق فرونشست و رسوب هولوسن (شکل 2) گرادیان اولیه کمتر از میانگین خواهد بود تا زمانی که به نقطه ای برسد که به رژیم جریان گرمایی تثبیت شده بپیوندد.
تغییرات دمای سطح، اعم از روزانه، فصلی یا ناشی از تغییرات آب و هوایی و چرخه میلانکوویچ ، به زیر سطح زمین نفوذ می کند و نوسانی در گرادیان زمین گرمایی با دوره های متفاوت از یک روز تا ده ها هزار سال و دامنه کاهش می یابد. با عمق طولانی ترین تغییرات دوره دارای عمق مقیاس چندین کیلومتر هستند. [29] [30] آب ذوب شده از کلاهک‌های یخی قطبی که در امتداد کف اقیانوس‌ها جریان دارد، تمایل دارد یک گرادیان زمین گرمایی ثابت را در سراسر سطح زمین حفظ کند. [29] [ مشکوک ] [ تأیید لازم است ]
اگر میزان افزایش دما با عمق مشاهده شده در گمانه های کم عمق در اعماق بیشتر ادامه پیدا کند، دمای اعماق زمین به زودی به نقطه ای می رسد که سنگ ها ذوب می شوند. اما می دانیم که گوشته زمین به دلیل انتقال امواج S جامد است . شیب دما به دو دلیل با عمق به طور چشمگیری کاهش می یابد. اول، مکانیسم انتقال حرارت از رسانایی ، مانند صفحات تکتونیکی صلب، به همرفت ، در بخشی از گوشته زمین که همرفت می‌شود، تغییر می‌کند. با وجود جامد بودن ، بیشتر گوشته زمین در مقیاس های زمانی طولانی مانند یک سیال رفتار می کند و گرما از طریق فرارفت یا انتقال مواد منتقل می شود. دوم، تولید گرمای رادیواکتیو در پوسته زمین و به ویژه در قسمت بالایی پوسته متمرکز است، زیرا غلظت اورانیوم ، توریم و پتاسیم در آنجا بالاتر است: این سه عنصر تولیدکنندگان اصلی گرمای رادیواکتیو در زمین هستند. بنابراین، گرادیان زمین گرمایی در بخش عمده گوشته زمین در حد 0.5 کلوین در هر کیلومتر است و توسط گرادیان آدیاباتیک مرتبط با مواد گوشته ( پریدوتیت در گوشته بالایی). [31]
گرادیان زمین گرمایی منفی
شیب زمین گرمایی منفی در جایی رخ می دهد که دما با عمق کاهش می یابد. این در چند صد متر بالایی نزدیک به سطح رخ می دهد. به دلیل انتشار حرارتی کم سنگ ها، دمای عمیق زیرزمینی به سختی تحت تأثیر تغییرات دمای سطح روزانه یا حتی سالانه قرار می گیرد. بنابراین در اعماق چند متری، دمای زیر زمین مشابه دمای متوسط سالانه سطح است. در اعماق بیشتر، دمای زیرزمینی میانگین بلندمدت را نسبت به آب و هوای گذشته منعکس می کند، به طوری که دماهای اعماق ده ها تا صدها متر حاوی اطلاعاتی درباره آب و هوای صدها تا هزاران سال گذشته است. بسته به مکان، این دماها ممکن است سردتر از دمای فعلی باشند به دلیل هوای سردتر نزدیک به آخرین عصر یخبندان ، یا به دلیل تغییرات آب و هوایی اخیر. [32] [33] [14]
شیب زمین گرمایی منفی نیز ممکن است به دلیل سفره های زیرزمینی عمیق رخ دهد ، جایی که انتقال گرما از آب های عمیق توسط همرفت و فرارفت منجر به گرم شدن آب در سطوح کم عمق تر از سنگ های مجاور به دمای بالاتر از سنگ ها در سطح تا حدودی عمیق تر می شود. [34]
شیب های زمین گرمایی منفی نیز در مقیاس های بزرگ در مناطق فرورانش یافت می شود. [35] منطقه فرورانش یک مرز صفحه تکتونیکی است که در آن پوسته اقیانوسی به دلیل چگالی بالای صفحه اقیانوسی نسبت به گوشته زیرین در گوشته فرو می‌رود. از آنجایی که صفحه فرورفته با سرعت چند سانتی متر در سال وارد گوشته می شود، هدایت گرما نمی تواند صفحه را به همان سرعتی که فرو می رود گرم کند. بنابراین، صفحه فرورفته دمای پایین تری نسبت به گوشته اطراف دارد و در نتیجه یک گرادیان زمین گرمایی منفی ایجاد می کند. [35]