دفء الأرض. الطاقة الحرارية الأرضية

2. النظام الحراري للأرض

الأرض جسم كوني بارد. تعتمد درجة حرارة السطح بشكل أساسي على الحرارة القادمة من الخارج. 95% من حرارة الطبقة العليا للأرض خارجي (الشمسية) والحرارة 5% فقط داخلي الذي يأتي من أحشاء الأرض ويتضمن عدة مصادر للطاقة. وفي باطن الأرض، ترتفع درجة الحرارة مع العمق من 1300 درجة مئوية (في الوشاح العلوي) إلى 3700 درجة مئوية (في وسط النواة).

الحرارة الخارجية. تأتي الحرارة إلى سطح الأرض بشكل رئيسي من الشمس. يتلقى كل سنتيمتر مربع من السطح حوالي 2 سعرة حرارية من الحرارة خلال دقيقة واحدة. تسمى هذه الكمية ثابت الشمسية ويحدد إجمالي كمية الحرارة التي تدخل الأرض من الشمس. لمدة عام يصل إلى 2.26·10 21 سعرة حرارية. يعتمد عمق تغلغل الحرارة الشمسية في أحشاء الأرض بشكل أساسي على كمية الحرارة التي تسقط لكل وحدة مساحة سطحية وعلى التوصيل الحراري للصخور. أقصى عمق تخترقه الحرارة الخارجية هو 200 متر في المحيطات، وحوالي 40 متر على اليابسة.

الدفء الداخلي. مع العمق، لوحظ زيادة في درجة الحرارة، والتي تحدث بشكل غير متساو للغاية في مناطق مختلفة. تتبع الزيادة في درجة الحرارة قانونًا ثابت الحرارة ويعتمد على ضغط المادة تحت الضغط عندما يكون التبادل الحراري مع البيئة مستحيلاً.

المصادر الرئيسية للحرارة داخل الأرض:

الحرارة المنبعثة أثناء التحلل الإشعاعي للعناصر.

الحرارة المتبقية التي تم الاحتفاظ بها منذ تكوين الأرض.

حرارة الجاذبية المنبعثة أثناء ضغط الأرض وتوزيع المادة حسب الكثافة.

الحرارة المتولدة نتيجة التفاعلات الكيميائية التي تحدث في أعماق القشرة الأرضية.

الحرارة المنبعثة من الاحتكاك المد والجزر للأرض.

هناك 3 مناطق درجة الحرارة:

أنا - منطقة درجة حرارة متغيرة . يتم تحديد التغيرات في درجات الحرارة حسب مناخ المنطقة. التقلبات اليومية تموت عمليا على عمق حوالي 1.5 متر، والتقلبات السنوية على أعماق 20...30 م.أ - منطقة التجميد.

ثانيا – منطقة درجة حرارة ثابتة ، وتقع على أعماق 15...40 م حسب المنطقة.

ثالثا – منطقة ارتفاع درجة الحرارة .

عادة ما يتم التعبير عن نظام درجة حرارة الصخور في أعماق القشرة الأرضية على أنه تدرج للطاقة الحرارية الأرضية وخطوة للطاقة الحرارية الأرضية.

تسمى كمية الزيادة في درجة الحرارة لكل 100 متر عمق التدرج الحراري الأرضي. في أفريقيا في حقل ويتواترسراند تبلغ 1.5 درجة مئوية، في اليابان (إيتشيغو) - 2.9 درجة مئوية، في جنوب أستراليا - 10.9 درجة مئوية، في كازاخستان (ساماريندا) - 6.3 درجة مئوية، في شبه جزيرة كولا - 0.65 درجة مئوية.

أرز. 3. المناطق الحرارية في القشرة الأرضية: I – منطقة درجات الحرارة المتغيرة، Ia – منطقة التجمد؛ II – منطقة درجات الحرارة الثابتة؛ III – منطقة ارتفاع درجة الحرارة.

يسمى العمق الذي ترتفع عنده درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة مرحلة الطاقة الحرارية الأرضية.إن القيم العددية لمرحلة الطاقة الحرارية الأرضية ليست ثابتة ليس فقط عند خطوط العرض المختلفة، ولكن أيضًا عند أعماق مختلفة لنفس النقطة في المنطقة. يتراوح حجم خطوة الطاقة الحرارية الأرضية من 1.5 إلى 250 م، وفي أرخانجيلسك 10 م، وفي موسكو - 38.4 م، وفي بياتيغورسك - 1.5 م، ومن الناحية النظرية، يبلغ متوسط ​​قيمة هذه الخطوة 33 م.

وفي بئر تم حفره في موسكو على عمق 1630 م، كانت درجة الحرارة في القاع 41 درجة مئوية، وفي منجم تم حفره في دونباس على عمق 1545 م، كانت درجة الحرارة 56.3 درجة مئوية. أعلى درجة حرارة سجلت في الولايات المتحدة الأمريكية كانت في بئر بعمق 7136 م حيث بلغت 224 درجة مئوية. يجب أن تؤخذ الزيادة في درجة الحرارة مع العمق في الاعتبار عند تصميم الهياكل العميقة، ووفقا للحسابات، على عمق 400 كم يجب أن تصل درجة الحرارة إلى 1400...1700 درجة مئوية. تم الحصول على أعلى درجات الحرارة (حوالي 5000 درجة مئوية) لقلب الأرض.

الطاقة الحرارية الأرضية- هذه هي الطاقة الحرارية المنبعثة من المناطق الداخلية للأرض على مدى مئات الملايين من السنين. وبحسب الدراسات الجيولوجية والجيوفيزيائية فإن درجة الحرارة في باطن الأرض تصل إلى 3000-6000 درجة مئوية، وتنخفض تدريجياً في الاتجاه من مركز الكوكب إلى سطحه. يشير ثوران آلاف البراكين وحركة كتل القشرة الأرضية والزلازل إلى عمل الطاقة الداخلية القوية للأرض. ويعتقد العلماء أن المجال الحراري لكوكبنا يرجع إلى التحلل الإشعاعي في أعماقه، وكذلك الانفصال الجاذبي للمادة الأساسية.
المصادر الرئيسية لتسخين باطن الكوكب هي اليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم المشع. تحدث عمليات التحلل الإشعاعي في القارات بشكل رئيسي في طبقة الجرانيت من القشرة الأرضية على عمق 20-30 كم أو أكثر، في المحيطات - في الوشاح العلوي. من المفترض أنه عند قاعدة القشرة الأرضية على عمق 10-15 كم، تكون قيمة درجة الحرارة المحتملة في القارات 600-800 درجة مئوية، وفي المحيطات - 150-200 درجة مئوية.
لا يمكن للإنسان أن يستخدم الطاقة الحرارية الأرضية إلا عندما تتجلى بالقرب من سطح الأرض، أي. في مناطق النشاط البركاني والزلازل. الآن يتم استخدام الطاقة الحرارية الأرضية بشكل فعال من قبل دول مثل الولايات المتحدة الأمريكية وإيطاليا وأيسلندا والمكسيك واليابان، نيوزيلنداوروسيا والفلبين والمجر والسلفادور. وهنا ترتفع حرارة الأرض الداخلية إلى السطح نفسه على شكل الماء الساخنوالبخار بدرجة حرارة تصل إلى 300 درجة مئوية وغالبًا ما ينفجر على شكل حرارة من المصادر المتدفقة (السخانات)، على سبيل المثال، السخانات الشهيرة في متنزه يلوستون في الولايات المتحدة الأمريكية، السخانات في كامتشاتكا، أيسلندا.
مصادر الطاقة الحرارية الأرضيةوينقسم إلى بخار جاف ساخن وبخار ساخن رطب وماء ساخن. بئر، وهو مصدر مهم للطاقة الكهربائية سكة حديديةفي إيطاليا (بالقرب من مدينة لارديريلو)، منذ عام 1904، يتم تغذية البخار الساخن الجاف. هناك موقعان آخران مشهوران للبخار الجاف الساخن في العالم هما حقل ماتسوكاوا في اليابان وحقل السخان بالقرب من سان فرانسيسكو، واللذان يتمتعان أيضًا باستخدام طويل وفعال للطاقة الحرارية الأرضية. يوجد البخار الساخن الأكثر رطوبة في العالم في نيوزيلندا (وايراكي)، بينما توجد حقول الطاقة الحرارية الأرضية ذات الطاقة الأقل قليلاً في المكسيك واليابان والسلفادور ونيكاراغوا وروسيا.
وهكذا يمكن التمييز بين أربعة أنواع رئيسية من موارد الطاقة الحرارية الأرضية:
حرارة سطح الأرض التي تستخدمها المضخات الحرارية؛
موارد الطاقةالبخار والساخن و ماء دافئبالقرب من سطح الأرض، والتي تستخدم الآن في الإنتاج طاقة كهربائية;
الحرارة المركزة في أعماق سطح الأرض (ربما في غياب الماء)؛
طاقة الصهارة والحرارة التي تتراكم تحت البراكين.

محميات الحرارة الجوفية(~8 * 1030J) يعادل 35 مليار مرة الاستهلاك العالمي السنوي للطاقة. إن 1% فقط من الطاقة الحرارية الأرضية الموجودة في القشرة الأرضية (على عمق 10 كيلومترات) يمكن أن توفر كمية من الطاقة أكبر بـ 500 مرة من جميع احتياطيات العالم من النفط والغاز. ومع ذلك، لا يمكن اليوم استخدام سوى جزء صغير من هذه الموارد، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى أسباب اقتصادية. بدأ التطوير الصناعي لموارد الطاقة الحرارية الأرضية (طاقة المياه العميقة الساخنة والبخار) في عام 1916، عندما تم تشغيل أول محطة للطاقة الحرارية الأرضية بقدرة 7.5 ميجاوات في إيطاليا. خلال الفترة الماضية، تراكمت خبرة كبيرة في مجال التطوير العملي لموارد الطاقة الحرارية الأرضية. كان إجمالي القدرة المركبة لمحطات الطاقة الحرارية الأرضية الحالية (GeoTES): 1975 - 1278 ميجاوات، في عام 1990 - 7300 ميجاوات. وقد تم تحقيق أكبر تقدم في هذا الشأن من قبل الولايات المتحدة الأمريكية والفلبين والمكسيك وإيطاليا واليابان.
تختلف المعلمات التقنية والاقتصادية لمحطات الطاقة الحرارية الأرضية على نطاق واسع إلى حد ما وتعتمد على الخصائص الجيولوجية للمنطقة (عمق حدوثها، ومعلمات سائل العمل، وتكوينه، وما إلى ذلك). بالنسبة لغالبية محطات الطاقة الحرارية الأرضية التي يتم تشغيلها، فإن تكلفة الكهرباء مماثلة لتكلفة الكهرباء المنتجة في محطات الطاقة التي تعمل بالفحم وتبلغ 1200...2000 دولار أمريكي/ ميجاوات.
وفي أيسلندا، يتم تدفئة 80% من المنازل باستخدام المياه الساخنة المستخرجة من آبار الطاقة الحرارية الأرضية بالقرب من مدينة ريكيافيك. في غرب الولايات المتحدة، يتم تدفئة حوالي 180 منزلًا ومزرعة باستخدام المياه الساخنة الحرارية الأرضية. وفقا للخبراء، بين عامي 1993 و2000، تضاعف توليد الكهرباء على مستوى العالم من الطاقة الحرارية الأرضية. هناك الكثير من احتياطيات الحرارة الأرضية في الولايات المتحدة بحيث يمكنها، نظريًا، توفير طاقة أكثر بثلاثين مرة مما تستهلكه الولاية حاليًا.
في المستقبل، من الممكن استخدام حرارة الصهارة في تلك المناطق التي تقع فيها بالقرب من سطح الأرض، وكذلك الحرارة الجافة للصخور البلورية الساخنة. في الحالة الأخيرةيتم حفر الآبار على مسافة عدة كيلومترات وضخها ماء بارد، وإعادته ساخنا.

دكتوراه في العلوم التقنية على ال. أنا أكره ذلك يا أستاذ
أكاديمي في الأكاديمية الروسية للعلوم التكنولوجية، موسكو

في العقود الاخيرةويدرس العالم اتجاه الاستخدام الأكثر كفاءة لطاقة حرارة الأرض العميقة بهدف استبدالها جزئيا غاز طبيعيالنفط والفحم. سيصبح هذا ممكنا ليس فقط في المناطق ذات المعلمات الحرارية الأرضية العالية، ولكن أيضا في أي منطقة الكرة الأرضيةعند حفر آبار الحقن والإنتاج وإنشاء أنظمة التدوير بينهما.

يعود الاهتمام المتزايد بمصادر الطاقة البديلة في العالم في العقود الأخيرة إلى استنزاف احتياطيات الوقود الهيدروكربوني والحاجة إلى حل عدد من المشاكل مشاكل بيئية. وتشير العوامل الموضوعية (الوقود الأحفوري واحتياطيات اليورانيوم، فضلا عن التغيرات في البيئة الناجمة عن الحرائق التقليدية والطاقة النووية) إلى أن الانتقال إلى أساليب وأشكال جديدة لإنتاج الطاقة أمر لا مفر منه.

يتجه الاقتصاد العالمي حاليا نحو التحول إلى مزيج عقلاني من مصادر الطاقة التقليدية والجديدة. يحتل دفء الأرض أحد الأماكن الأولى بينهم.

وتنقسم موارد الطاقة الحرارية الأرضية إلى الهيدروجيولوجية والطاقة الحرارية الأرضية. يتم تمثيل أولها بواسطة المبردات (التي تمثل 1٪ فقط من إجمالي موارد الطاقة الحرارية الأرضية) - مخاليط المياه الجوفية والبخار والبخار والماء. ويمثل الأخير الطاقة الحرارية الأرضية الموجودة في الصخور الساخنة.

إن تقنية النافورة (التدفق الذاتي) المستخدمة في بلادنا وخارجها لاستخراج البخار الطبيعي والمياه الحرارية الأرضية بسيطة ولكنها غير فعالة. ومع انخفاض معدل تدفق الآبار ذاتية التدفق، فإن إنتاجها الحراري لا يمكن أن يعوض تكلفة الحفر إلا إذا كان عمق خزانات الطاقة الحرارية الأرضية درجة حرارة عاليةفي مناطق الشذوذ الحراري. عمر الخدمة لهذه الآبار في العديد من البلدان لا يصل حتى إلى 10 سنوات.

وفي الوقت نفسه، تؤكد التجربة أنه في ظل وجود خزانات بخارية طبيعية ضحلة، فإن بناء محطة للطاقة الحرارية الأرضية هو الخيار الأكثر ربحية لاستخدام الطاقة الحرارية الأرضية. وقد أظهر تشغيل محطات الطاقة الحرارية الأرضية قدرتها التنافسية مقارنة بالأنواع الأخرى من محطات الطاقة. لذلك، فإن استخدام احتياطيات المياه الحرارية الأرضية والبخار الحراري المائي في بلادنا في شبه جزيرة كامتشاتكا وفي جزر سلسلة جبال الكوريل، في مناطق شمال القوقاز، وربما أيضًا في مناطق أخرى، أمر مرغوب فيه وفي الوقت المناسب. لكن رواسب البخار نادرة، واحتياطياته المعروفة والمتوقعة قليلة. لا توجد دائمًا رواسب أكثر شيوعًا لمياه الطاقة الحرارية بالقرب من المستهلك - كائن الإمداد الحراري. وهذا يستبعد إمكانية استخدامها الفعال على نطاق واسع.

في كثير من الأحيان، تتطور قضايا مكافحة رواسب الملح إلى مشكلة معقدة. يؤدي استخدام مصادر الطاقة الحرارية الأرضية، المعدنية عادة، كمبرد إلى زيادة نمو مناطق الآبار بتكوينات أكسيد الحديد وكربونات الكالسيوم والسيليكات. وبالإضافة إلى ذلك، فإن مشاكل التآكل والرواسب الحجمية تؤثر سلباً على تشغيل المعدات. وتصبح المشكلة أيضًا تصريف مياه الصرف المعدنية التي تحتوي على شوائب سامة. ولذلك، فإن أبسط تكنولوجيا النافورة لا يمكن أن تكون بمثابة الأساس للتنمية واسعة النطاق لموارد الطاقة الحرارية الأرضية.

وفقًا للتقديرات الأولية على أراضي الاتحاد الروسي، فإن الاحتياطيات المتوقعة من المياه الحرارية التي تتراوح درجة حرارتها بين 40 و250 درجة مئوية، وملوحة تتراوح بين 35 و200 جم/لتر وعمق يصل إلى 3000 متر، تبلغ 21-22 مليونًا. م3/يوم وهو ما يعادل احتراق 30-40 مليون طن من الهيدروكربونات. في السنة.

تبلغ الاحتياطيات المتوقعة لخليط البخار والهواء بدرجة حرارة 150-250 درجة مئوية في شبه جزيرة كامتشاتكا وجزر الكوريل 500 ألف متر مكعب في اليوم. واحتياطيات المياه الحرارية بدرجة حرارة 40-100 درجة مئوية - 150 ألف م3/يوم.

وتعتبر أولوية التنمية هي احتياطيات المياه الحرارية بمعدل تدفق يبلغ حوالي 8 ملايين م3/يوم، مع نسبة ملوحة تصل إلى 10 جم/لتر ودرجة حرارة تزيد عن 50 درجة مئوية.

من الأهمية بمكان بالنسبة لقطاع الطاقة في المستقبل استخراج الطاقة الحرارية، وهي موارد الطاقة الحرارية الأرضية التي لا تنضب عمليا. وتمثل هذه الطاقة الحرارية الأرضية، الموجودة في الصخور الصلبة الساخنة، 99٪ من إجمالي موارد الطاقة الحرارية تحت الأرض. على عمق 4-6 كم، لا يمكن العثور على الكتل الصخرية التي تبلغ درجة حرارتها 300-400 درجة مئوية إلا بالقرب من المراكز المتوسطة لبعض البراكين، ولكن الصخور الساخنة التي تبلغ درجة حرارتها 100-150 درجة مئوية تتوزع في كل مكان تقريبًا في هذه الأعماق. ومع درجة حرارة 180-200 درجة مئوية في جزء كبير إلى حد ما من أراضي روسيا.

على مدى مليارات السنين، نشأت وتولدت العمليات النووية والجاذبية وغيرها من العمليات داخل الأرض طاقة حرارية. وبعضها ينبعث إلى الفضاء الخارجي، وتتراكم حرارته في الأعماق، أي. يُطلق على المحتوى الحراري للمراحل الصلبة والسائلة والغازية للمادة الأرضية اسم الطاقة الحرارية الأرضية.

إن التوليد المستمر للحرارة داخل الأرض يعوض خسائرها الخارجية، ويعمل كمصدر لتراكم الطاقة الحرارية الأرضية ويحدد الجزء المتجدد من مواردها. ويبلغ إجمالي انتقال الحرارة من باطن الأرض إلى سطح الأرض ثلاثة أضعاف القدرة الحالية لمحطات الطاقة في العالم ويقدر بـ 30 تيراواط.

ومع ذلك، فمن الواضح أن التجديد لا يهم إلا على نطاق محدود الموارد الطبيعية، والإمكانات الإجمالية للطاقة الحرارية الأرضية لا تنضب عمليا، حيث ينبغي تعريفها على أنها إجمالي كمية الحرارة المتاحة للأرض.

وليس من قبيل المصادفة أن العالم كان يدرس في العقود الأخيرة اتجاه الاستخدام الأكثر كفاءة لطاقة الحرارة العميقة للأرض بهدف استبدال الغاز الطبيعي والنفط والفحم جزئيا. سيصبح هذا ممكنًا ليس فقط في المناطق ذات المعلمات الحرارية الأرضية العالية، ولكن أيضًا في أي منطقة من العالم عند حفر آبار الحقن والإنتاج وإنشاء أنظمة تداول بينهما.

بالطبع، مع الموصلية الحرارية المنخفضة للصخور، من أجل التشغيل الفعال لأنظمة الدوران، من الضروري أن يكون لديك أو إنشاء سطح تبادل حراري متطور بما فيه الكفاية في منطقة استخراج الحرارة. يمتلك هذا السطح طبقات مسامية ومناطق مقاومة للكسر الطبيعي والتي توجد غالبًا في الأعماق المذكورة أعلاه، والتي تتيح نفاذيتها تنظيم الترشيح القسري لسائل التبريد مع الاستخراج الفعال للطاقة من الصخور، فضلاً عن الإنشاء الاصطناعي لسطح واسع النطاق للتبادل الحراري في كتل مسامية منخفضة النفاذية باستخدام طريقة التكسير الهيدروليكي (انظر الشكل).

حاليًا، يتم استخدام التكسير الهيدروليكي في صناعة النفط والغاز كوسيلة لزيادة نفاذية التكوينات لتعزيز استخلاص النفط أثناء تطوير حقول النفط. التقنية الحديثةيسمح لك بإنشاء صدع ضيق ولكن طويل، أو صدع قصير ولكن واسع. هناك أمثلة معروفة على التكسير الهيدروليكي بشقوق يصل طولها إلى 2-3 كم.

تم التعبير عن الفكرة المحلية لاستخراج موارد الطاقة الحرارية الأرضية الرئيسية الموجودة في الصخور الصلبة في عام 1914 من قبل K. E. Tsiolkovsky، وفي عام 1920 تم وصف نظام تداول الطاقة الحرارية الأرضية (GCS) في كتلة صخرية من الجرانيت الساخن بواسطة V.A. أوبروتشيف.

في عام 1963، تم إنشاء أول GCS في باريس لاستخراج الحرارة من الصخور المسامية للتدفئة وتكييف الهواء في مباني مجمع Broadcasting Chaos. في عام 1985، كان هناك بالفعل 64 شركة GCS تعمل في فرنسا بقدرة حرارية إجمالية تبلغ 450 ميجاوات مع توفير سنوي يبلغ حوالي 150 ألف طن من النفط. وفي نفس العام، تم إنشاء أول سلاسل القيمة العالمية المماثلة في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في وادي خانكالا بالقرب من مدينة جروزني.

في عام 1977، وفي إطار مشروع مختبر لوس ألاموس الوطني في الولايات المتحدة، بدأ اختبار سلسلة القيمة العالمية التجريبية مع التكسير الهيدروليكي لكتلة صخرية غير منفذة تقريبًا في موقع فنتون هيل في نيو مكسيكو. تم تسخين المياه العذبة الباردة المحقونة من خلال البئر (الحقن) نتيجة التبادل الحراري مع الكتلة الصخرية (185 OS) في صدع عمودي بمساحة 8000 م2، تم تشكيله عن طريق التكسير الهيدروليكي على عمق 2.7 كم. ومن خلال بئر (إنتاج) آخر، والذي تقاطع أيضًا مع هذا الشق، وصل الماء شديد السخونة إلى السطح على شكل نفاث من البخار. عند الدوران في حلقة مغلقة تحت الضغط، وصلت درجة حرارة الماء المسخن على السطح إلى 160-180 درجة مئوية، ووصلت الطاقة الحرارية للنظام إلى 4-5 ميجاوات. يمثل تسرب سائل التبريد إلى الكتلة الصخرية المحيطة حوالي 1٪ من إجمالي معدل التدفق. يتوافق تركيز الشوائب الميكانيكية والكيميائية (حتى 0.2 جم / لتر) مع ظروف المياه العذبة يشرب الماء. لم يتطلب الكسر الهيدروليكي دعمًا وتم إبقاؤه مفتوحًا بواسطة ضغط السائل الهيدروستاتيكي. يضمن الحمل الحراري الحر الذي يتطور فيه المشاركة الفعالة في التبادل الحراري لكامل سطح نتوء كتلة الصخور الساخنة تقريبًا.

إن استخلاص الطاقة الحرارية الجوفية من الصخور الساخنة غير المنفذة، استناداً إلى أساليب الحفر المائل والتكسير الهيدروليكي المطورة والتي تمارس منذ فترة طويلة في صناعة النفط والغاز، لم يسبب نشاطاً زلزالياً أو أي نشاط آخر. تأثيرات مؤذيةعلى البيئة.

في عام 1983، كرر العلماء الإنجليز التجربة الأمريكية من خلال إنشاء نظام GCS تجريبي مع التكسير الهيدروليكي للجرانيت في كارنويل. أعمال مماثلةعقدت في ألمانيا والسويد. هناك أكثر من 224 مشروعًا للتدفئة بالطاقة الحرارية الأرضية في الولايات المتحدة. ومن المفترض أن موارد الطاقة الحرارية الأرضية يمكن أن توفر الجزء الأكبر من احتياجات الولايات المتحدة المستقبلية من الطاقة الحرارية للاحتياجات غير الكهربائية. وفي اليابان، بلغت قدرة محطات الطاقة الحرارية الأرضية في عام 2000 حوالي 50 جيجاوات.

حاليًا، يتم إجراء الأبحاث واستكشاف موارد الطاقة الحرارية الأرضية في 65 دولة. وفي العالم، تم إنشاء محطات بقدرة إجمالية تبلغ حوالي 10 جيجاوات تعتمد على الطاقة الحرارية الأرضية. تقدم الأمم المتحدة الدعم النشط لتطوير الطاقة الحرارية الأرضية.

تظهر الخبرة المكتسبة في العديد من البلدان حول العالم في استخدام مبردات الطاقة الحرارية الأرضية أنها في ظل ظروف مواتية تكون أكثر ربحية بمقدار 2-5 مرات من محطات الطاقة الحرارية والنووية. تظهر الحسابات أن بئرًا واحدًا للطاقة الحرارية الأرضية يمكن أن يحل محل 158 ألف طن من الفحم سنويًا.

وبالتالي، فإن حرارة الأرض ربما تكون مصدر الطاقة المتجددة الكبير الوحيد، الذي يعد تطوره العقلاني بتخفيض تكلفة الطاقة مقارنة بطاقة الوقود الحديثة. ومع وجود إمكانات طاقة لا تنضب بنفس القدر، فإن المنشآت الشمسية والنووية الحرارية، لسوء الحظ، ستكون أكثر تكلفة من منشآت الوقود الموجودة.

على الرغم من التاريخ الطويل جدًا لتسخير حرارة الأرض، فإن تكنولوجيا الطاقة الحرارية الأرضية اليوم لم تصل بعد إلى مستوى التطور العالي. يواجه تطوير الطاقة الحرارية للأرض صعوبات كبيرة أثناء بناء الآبار العميقة، وهي قناة لجلب المبرد إلى السطح. نظرًا لارتفاع درجة الحرارة في القاع (200-250 درجة مئوية)، فإن أدوات قطع الصخور التقليدية غير مناسبة للعمل في مثل هذه الظروف؛ ويتم فرض متطلبات خاصة على اختيار أنابيب الحفر والتغليف، وملاط الأسمنت، وتكنولوجيا الحفر، والغلاف والإكمال من الآبار. يتم إنتاج معدات القياس المحلية والتجهيزات والمعدات التشغيلية التسلسلية في إصدارات تسمح بدرجات حرارة لا تزيد عن 150-200 درجة مئوية. يستغرق الحفر الميكانيكي العميق التقليدي للآبار أحيانًا سنوات ويتطلب تكاليف مالية كبيرة. وفي أصول الإنتاج الثابتة تتراوح تكلفة الآبار من 70 إلى 90%. لا يمكن ويجب حل هذه المشكلة إلا من خلال إنشاء تقنية تقدمية لتطوير الجزء الرئيسي من موارد الطاقة الحرارية الأرضية، أي. استخراج الطاقة من الصخور الساخنة .

تتعامل مجموعتنا من العلماء والمتخصصين الروس لسنوات عديدة مع مشكلة استخراج واستخدام الطاقة الحرارية العميقة التي لا تنضب والمتجددة للصخور الساخنة للأرض على أراضي الاتحاد الروسي. الهدف من العمل هو إنشاء تقنيات محلية عالية الجودة الوسائل التقنيةللتغلغل العميق في أعماق القشرة الأرضية. حاليًا، تم تطوير العديد من أنواع مجموعات الحفر (DS)، والتي ليس لها نظائرها في الممارسة العالمية.

يرتبط تشغيل الإصدار الأول من BS بالتيار التكنولوجيا التقليديةحفر الآبار. سرعة الحفر للصخور الصلبة (متوسطة الكثافة 2500-3300 كجم/م3) تصل إلى 30 م/ساعة، قطر الثقب 200-500 مم. يقوم الإصدار الثاني من BS بحفر الآبار في وضع مستقل وتلقائي. ويتم الإطلاق من منصة إطلاق وقبول خاصة، يتم من خلالها التحكم في حركته. يمكن تغطية ألف متر من BS في الصخور الصلبة في غضون ساعات قليلة. قطر البئر من 500 إلى 1000 ملم. تتمتع خيارات BS القابلة لإعادة الاستخدام بفعالية كبيرة من حيث التكلفة وقيمة محتملة هائلة. سيتم فتح إدخال BS في الإنتاج عصر جديدفي بناء الآبار وتوفير الوصول إلى مصادر لا تنضب من الطاقة الحرارية للأرض.

وبالنسبة لاحتياجات إمدادات الحرارة، يتراوح العمق المطلوب للآبار في جميع أنحاء البلاد من 3 إلى 4.5 ألف م ولا يتجاوز 5 إلى 6 آلاف م، ولا تتجاوز درجة حرارة سائل التبريد للسكن وإمدادات الحرارة المشتركة 150 درجة مئوية. بالنسبة للمنشآت الصناعية، لا تتجاوز درجة الحرارة، كقاعدة عامة، 180-200 درجة مئوية.

الغرض من إنشاء GCS هو توفير حرارة ثابتة ويمكن الوصول إليها ورخيصة الثمن للمناطق النائية والتي يصعب الوصول إليها وغير المطورة في الاتحاد الروسي. مدة تشغيل GCS هي 25-30 سنة أو أكثر. فترة الاسترداد للمحطات (مع مراعاة أحدث تقنيات الحفر) هي 3-4 سنوات.

إن إنشاء القدرات المناسبة في الاتحاد الروسي في السنوات القادمة لاستخدام الطاقة الحرارية الأرضية للاحتياجات غير الكهربائية سيجعل من الممكن استبدال حوالي 600 مليون طن من الوقود المكافئ. يمكن أن تصل المدخرات إلى 2 تريليون روبل.

بحلول عام 2030، يصبح من الممكن إنشاء قدرة طاقة لاستبدال طاقة النار بنسبة تصل إلى 30%، وبحلول عام 2040، سيتم التخلص بالكامل تقريبًا من المواد الخام العضوية كوقود من توازن الطاقة في الاتحاد الروسي.

الأدب

1. جونشاروف إس. الديناميكا الحرارية. م.: مجتويم. ن. بومان، 2002. 440 ص.

2. ديادكين يو.د. وغيرها.الفيزياء الحرارية الأرضية. سانت بطرسبرغ: ناوكا، 1993. 255 ص.

3. قاعدة الموارد المعدنية لمجمع الوقود والطاقة في روسيا. الحالة والتشخيص / V.K. Branchugov، E.A. جافريلوف ، ف.س. ليتفينينكو وآخرون. ف.ز. غاريبوفا، إ.أ. كوزلوفسكي. م.2004.548 ص.

4. نوفيكوف جي بي وآخرون، حفر الآبار للمياه الحرارية. م: ندرة، 1986. ص 229.

هم. كابيتونوف

الحرارة النووية للأرض

الدفء الأرضي

الأرض جسم ساخن إلى حد ما وهي مصدر للحرارة. تسخن بشكل أساسي بسبب الإشعاع الشمسي الذي تمتصه. لكن الأرض لديها أيضًا موردها الحراري الخاص الذي يمكن مقارنته بالحرارة التي تتلقاها من الشمس. ويعتقد أن هذه الطاقة الذاتية للأرض لها الأصل التالي. نشأت الأرض منذ حوالي 4.5 مليار سنة بعد تشكل الشمس من قرص كوكبي أولي مكون من الغاز والغبار يدور حولها ويضغطها. في المرحلة المبكرة من تكوينها، تم تسخين مادة الأرض بسبب ضغط الجاذبية البطيء نسبيا. كما لعبت الطاقة المنطلقة عند سقوط الأجسام الكونية الصغيرة عليها دورًا رئيسيًا في التوازن الحراري للأرض. ولذلك، كانت الأرض الفتية المنصهرة. بعد التبريد، وصل تدريجياً إلى حالته الحالية بسطح صلب، جزء كبير منه مغطى بالمحيطات و مياه البحر. تسمى هذه الطبقة الخارجية الصلبة قشرة الأرضوفي المتوسط، يبلغ سمكها على الأرض حوالي 40 كم، وتحت مياه المحيط - 5-10 كم. الطبقة العميقة من الأرض تسمى عباءة، ويتكون أيضًا من مادة صلبة. ويمتد إلى عمق 3000 كيلومتر تقريبًا ويحتوي على الجزء الأكبر من مادة الأرض. وأخيرا، فإن الجزء الأعمق من الأرض هو جوهر. يتكون من طبقتين - خارجية وداخلية. اللب الخارجيوهي عبارة عن طبقة من الحديد المنصهر والنيكل عند درجة حرارة 4500-6500 كلفن، وسمكها 2000-2500 كم. النواة الداخليةيبلغ نصف قطرها 1000-1500 كم، وهي عبارة عن سبيكة حديد ونيكل صلبة يتم تسخينها إلى درجة حرارة 4000-5000 كلفن بكثافة تبلغ حوالي 14 جم / سم 3، والتي نشأت تحت ضغط هائل (حوالي 4 ملايين بار).
بالإضافة إلى الحرارة الداخلية للأرض، التي ورثتها منذ المرحلة الساخنة الأولى لتكوينها، والتي ينبغي أن تتناقص كميتها مع مرور الوقت، هناك حرارة أخرى - طويلة المدى، مرتبطة بالانحلال الإشعاعي للنوى ذات المدى الطويل نصف العمر - في المقام الأول 232 ث، 235 يو، 238 يو و 40 كلفن. الطاقة المنبعثة في هذه الاضمحلالات - التي تمثل ما يقرب من 99٪ من الطاقة الإشعاعية للأرض - تجدد باستمرار الاحتياطيات الحرارية للأرض. النوى المذكورة أعلاه موجودة في القشرة والوشاح. ويؤدي اضمحلالها إلى تسخين الطبقتين الخارجية والداخلية للأرض.
يتم إطلاق جزء من الحرارة الهائلة الموجودة داخل الأرض باستمرار إلى سطحها، غالبًا في عمليات بركانية واسعة النطاق. ومن المعروف أن التدفق الحراري المتدفق من أعماق الأرض عبر سطحها. وهي (47±2)·10 12 وات، وهي تعادل الحرارة التي يمكن توليدها بواسطة 50 ألف محطة للطاقة النووية (يبلغ متوسط ​​الطاقة لمحطة طاقة نووية واحدة حوالي 10 9 وات). السؤال الذي يطرح نفسه: هل تلعب الطاقة الإشعاعية أي دور مهم في الميزانية الحرارية الإجمالية للأرض، وإذا كان الأمر كذلك، ما هو الدور الذي تلعبه؟ الجواب على هذه الأسئلة لفترة طويلةظلت مجهولة. هناك الآن فرص للإجابة على هذه الأسئلة. الدور الرئيسي هنا يعود إلى النيوترينوات (النيوترينوات المضادة) التي تولد في عمليات التحلل الإشعاعي للنوى التي تشكل مادة الأرض والتي تسمى نيوترينو جغرافي.

نيوترينو جغرافي

نيوترينو جغرافيهو الاسم المركب للنيوترينوات أو النيوترينوات المضادة، التي تنبعث نتيجة اضمحلال بيتا للنوى الموجودة تحت سطح الأرض. من الواضح أنه بفضل قدرتها غير المسبوقة على الاختراق، فإن تسجيلها (وحدها) باستخدام كاشفات النيوترينو الأرضية يمكن أن يوفر معلومات موضوعية حول عمليات التحلل الإشعاعي التي تحدث في أعماق الأرض. مثال على هذا الاضمحلال هو اضمحلال β - لنواة 228 Ra، وهو نتاج اضمحلال α لنواة 232 Th طويلة العمر (انظر الجدول):

يبلغ عمر النصف (T 1/2) لنواة 228 Ra 5.75 سنة، وتبلغ الطاقة المنطلقة حوالي 46 كيلو إلكترون فولت. إن طيف الطاقة للنيوترينوات المضادة مستمر مع حد أعلى قريب من الطاقة المتحررة.
إن اضمحلال النوى 232Th، 235 U، 238 U عبارة عن سلاسل من الاضمحلالات المتعاقبة، تشكل ما يسمى سلسلة مشعة. في مثل هذه السلاسل، تتخلل اضمحلالات α مع اضمحلالات β−، لأنه أثناء اضمحلال α يتم تحويل النوى النهائية من خط الاستقرار β إلى منطقة النوى المحملة بالنيوترونات. بعد سلسلة من الاضمحلالات المتعاقبة، في نهاية كل سلسلة، تتشكل نوى مستقرة بعدد من البروتونات والنيوترونات قريب أو مساوٍ للأعداد السحرية (Z = 82,ن= 126). وهذه النوى النهائية هي نظائر مستقرة للرصاص أو البزموت. وهكذا، ينتهي انحلال T 1/2 بتكوين نواة سحرية مزدوجة 208 Pb، وعلى المسار 232 Th → 208 Pb تحدث ستة انحلالات α، تتخللها أربعة انحلالات β − (في 238 U → 206 Pb هناك ثمانية انحلالات α وستة β −، وفي السلسلة 235 U → 207 Pb هناك سبعة انحلالات α وأربعة β −). وبالتالي، فإن طيف الطاقة للنيوترينوات المضادة من كل سلسلة مشعة هو عبارة عن تراكب لأطياف جزئية من اضمحلالات β - الفردية المدرجة في هذه السلسلة. أطياف النيوترينوات المضادة الناتجة في اضمحلال 232 Th، 235 U، 238 U، 40 K موضحة في الشكل. 1. إن الاضمحلال 40 K هو اضمحلال β - فردي (انظر الجدول). تصل مضادات النيوترينو إلى أعلى مستويات طاقتها (تصل إلى 3.26 ميجا إلكترون فولت) عند الاضمحلال
214 Bi → 214 Po، وهي حلقة من السلسلة المشعة 238 U. إجمالي الطاقة المنطلقة أثناء مرور جميع وصلات الاضمحلال من السلسلة 232 Th → 208 Pb تساوي 42.65 MeV. بالنسبة للسلسلة المشعة 235 U و238 U، تبلغ هذه الطاقات 46.39 و51.69 MeV على التوالي. الطاقة المنطلقة في الاضمحلال
40 K → 40 Ca، يساوي 1.31 MeV.

خصائص النوى 232 ث، 235 يو، 238 يو، 40 ك

جوهر	حصة في٪ في الخليط النظائر	عدد النوى يتعلق نواة سي	ت 1/2 مليار سنة	الروابط الأولى التفكك
232 ث	100	0.0335	14.0
235 يو	0.7204	6.48·10 -5	0.704
238 يو	99.2742	0.00893	4.47
40 ألف	0.0117	0.440	1.25

يؤدي تقدير تدفق النيوترينو، الذي تم إجراؤه على أساس اضمحلال نوى 232Th، و235 U، و238 U، و40 K الموجودة في مادة الأرض، إلى قيمة تبلغ حوالي 10 6 سم -2 ثانية -1 . ومن خلال تسجيل هذه النيوترينوات الأرضية، من الممكن الحصول على معلومات حول دور الحرارة المشعة في التوازن الحراري العام للأرض واختبار أفكارنا حول محتوى النظائر المشعة طويلة العمر في تكوين مادة الأرض.

أرز. 1. أطياف الطاقة للنيوترينوات المضادة من الاضمحلال النووي

232 ث، 235 يو، 238 يو، 40 كلفن، تم تطبيعها إلى اضمحلال واحد للنواة الأم

يتم استخدام التفاعل للكشف عن مضادات النيوترينو الإلكترونية

ف → ه + + ن، (1)

حيث تم اكتشاف هذا الجسيم بالفعل. عتبة هذا التفاعل هي 1.8 MeV. لذلك، يمكن فقط تسجيل النيوترينوات الأرضية المنتجة في سلاسل الاضمحلال بدءًا من نواة 232Th و238U في التفاعل أعلاه. المقطع العرضي الفعال للتفاعل قيد المناقشة صغير للغاية: σ ≈ 10 -43 سم2. ويترتب على ذلك أن كاشف النيوترينو ذو الحجم الحساس الذي يبلغ 1 م 3 لن يسجل أكثر من بضعة أحداث في السنة. من الواضح أنه من أجل اكتشاف تدفقات النيوترينو بشكل موثوق، هناك حاجة إلى أجهزة كشف النيوترينو كبيرة الحجم، الموجودة في مختبرات تحت الأرض لتوفير أقصى قدر من الحماية من الخلفية. نشأت فكرة استخدام أجهزة الكشف المصممة لدراسة نيوترينوات الطاقة الشمسية والمفاعلات لتسجيل نيوترينوات الأرض في عام 1998. يوجد حاليًا كاشفان للنيوترينو كبير الحجم يستخدمان وميضًا سائلًا ومناسبان لحل هذه المشكلة. هذه هي أجهزة كشف النيوترينو من تجارب KamLAND (اليابان) وBorexino (إيطاليا). نتناول أدناه تصميم كاشف Borexino والنتائج التي تم الحصول عليها على هذا الكاشف لتسجيل النيوترينوات الأرضية.

كاشف البوريكسينو وتسجيل النيوترينو الجغرافي

يقع كاشف النيوترينو Borexino في وسط إيطاليا في مختبر تحت الأرض أسفل سلسلة جبال غران ساسو، التي يصل ارتفاع قممها الجبلية إلى 2.9 كيلومتر (الشكل 2).

أرز. 2. مخطط مختبر النيوترينو تحت سلسلة جبال غران ساسو (وسط إيطاليا)

Borexino هو كاشف ضخم غير مجزأ ووسطه النشط هو
280 طن من مادة وماض السائل العضوي. ويمتلئ به وعاء نايلون كروي قطره 8.5 م (الشكل 3). وجهاز التلألؤ عبارة عن كومين كاذب (C 9 H 12) مع المادة المضافة المتغيرة للطيف PPO (1.5 جم/لتر). يتم جمع الضوء من جهاز الوميض بواسطة 2212 أنبوبًا ضوئيًا مقاس 8 بوصات (PMTs) موضوعة على كرة من الفولاذ المقاوم للصدأ (SSS).

أرز. 3. رسم تخطيطي لجهاز كشف البوريكسينو

إن وعاء النايلون الذي يحتوي على الكاذب الكاذب هو كاشف داخلي مهمته تسجيل النيوترينوات (مضادات النيوترينو). الكاشف الداخلي محاط بمنطقتين عازلتين متحدة المركز تحميه من أشعة جاما الخارجية والنيوترونات. تمتلئ المنطقة الداخلية بوسيط غير وامض يتكون من 900 طن من الكومين الكاذب مع إضافات ثنائي ميثيل فثالات التي تطفئ التلألؤ. تقع المنطقة الخارجية أعلى SNS وهي عبارة عن كاشف للمياه من نوع Cherenkov يحتوي على 2000 طن من الماء عالي النقاء ويقطع الإشارات من الميونات التي تدخل التثبيت من الخارج. ولكل تفاعل يحدث في الكاشف الداخلي يتم تحديد الطاقة والزمن. أتاحت معايرة الكاشف باستخدام مصادر مشعة مختلفة تحديد مقياس الطاقة ودرجة استنساخ الإشارة الضوئية بدقة شديدة.
Borexino هو كاشف ذو نقاء إشعاعي عالي جدًا. خضعت جميع المواد لاختيار صارم، وتمت تنقية جهاز الوميض لتقليل الخلفية الداخلية. نظرًا لنقاوته الإشعاعية العالية، يعد Borexino كاشفًا ممتازًا للكشف عن مضادات النيوترينوات.
في التفاعل (1)، يعطي البوزيترون إشارة لحظية، يتبعها بعد مرور بعض الوقت التقاط نيوترون بواسطة نواة الهيدروجين، مما يؤدي إلى ظهور كم جاما بطاقة 2.22 ميجا فولت، مما يؤدي إلى إنشاء إشارة تأخرت بالنسبة للأولى. في بوركسينو، يبلغ وقت التقاط النيوترونات حوالي 260 ميكروثانية. ترتبط الإشارات اللحظية والمتأخرة في المكان والزمان، مما يسمح بالتعرف الدقيق على الحدث الناجم عن e.
عتبة التفاعل (1) هي 1.806 MeV، وكما يتبين من الشكل 1. في الشكل 1، جميع نيوترينوات الأرض الناتجة عن اضمحلال 40 كلفن و235 يو تقع تحت هذه العتبة، ولا يمكن تسجيل سوى جزء من نيوترينوات الأرض الناتجة عن اضمحلالات 232 ث و238 يو.
اكتشف كاشف Borexino لأول مرة إشارات من الجيونيوترينوات في عام 2010، وتم مؤخرًا نشر نتائج جديدة بناءً على ملاحظات على مدار 2056 يومًا بين ديسمبر 2007 ومارس 2015. ونعرض أدناه البيانات التي تم الحصول عليها ونتائج مناقشتها، استنادًا إلى المقالة.
ونتيجة لتحليل البيانات التجريبية، تم تحديد 77 مرشحًا لمضادات النيوترينو الإلكترونية الذين اجتازوا جميع معايير الاختيار. تم تقدير الخلفية من الأحداث التي تحاكي e بـ . وبالتالي، كانت نسبة الإشارة إلى الخلفية ≈100.
وكان المصدر الرئيسي للخلفية هو النيوترينوات المضادة للمفاعل. بالنسبة لبوريكسينو، كان الوضع مواتيا للغاية، حيث لا توجد مفاعلات نووية بالقرب من مختبر غران ساسو. بالإضافة إلى ذلك، تكون النيوترينوات المضادة في المفاعل أكثر نشاطًا مقارنةً بالنيوترينوات الجيولوجية، مما جعل من الممكن فصل هذه النيوترينوات المضادة عن البوزيترون من خلال حجم الإشارة. تظهر في الشكل 1 نتائج تحليل مساهمات النيوترينوات الجيولوجية ومضادات النيوترينوات في المفاعل في العدد الإجمالي للأحداث المسجلة من e. 4. عدد النيوترينوات الأرضية المسجلة التي قدمها هذا التحليل (في الشكل 4 تتوافق مع المنطقة المظلمة) يساوي . في طيف النيوترينو الأرضي المستخرج نتيجة للتحليل، تظهر مجموعتان - أقل نشاطًا وأكثر كثافة وأكثر نشاطًا وأقل كثافة. يربط مؤلفو الدراسة الموصوفة هذه المجموعات بتحلل الثوريوم واليورانيوم، على التوالي.
استخدم التحليل الذي تمت مناقشته نسبة كتلتي الثوريوم واليورانيوم في مادة الأرض
m(Th)/m(U) = 3.9 (في الجدول هذه القيمة هي ≈3.8). ويعكس هذا الرقم المحتوى النسبي لهذه العناصر الكيميائية في الكوندريت، وهي المجموعة الأكثر شيوعًا من النيازك (أكثر من 90% من النيازك التي سقطت على الأرض تنتمي إلى هذه المجموعة). ويعتقد أن تكوين الكوندريت، باستثناء الغازات الخفيفة (الهيدروجين والهيليوم)، يكرر تكوين النظام الشمسي والقرص الكوكبي الأولي الذي تشكلت منه الأرض.

أرز. 4. طيف الضوء الناتج من البوزيترونات بوحدات عدد الإلكترونات الضوئية للأحداث المرشحة لمضادات النيوترينو (النقاط التجريبية). المنطقة المظللة هي مساهمة النيوترينوات الأرضية. الخط الصلب هو مساهمة مضادات النيوترينو في المفاعل.

المصادر الرئيسية للطاقة الحرارية للأرض هي [،]:

• حرارة التمايز الجاذبية.
• الحرارة الإشعاعية
• حرارة الاحتكاك المد والجزر.
• حرارة التراكم
• تنطلق حرارة الاحتكاك بسبب الدوران التفاضلي للنواة الداخلية بالنسبة للنواة الخارجية، والنواة الخارجية بالنسبة للوشاح والطبقات الفردية داخل النواة الخارجية.

حتى الآن، تم تحديد المصادر الأربعة الأولى فقط. في بلدنا، يعود الفضل الرئيسي في ذلك إلى او جي. سوروختينو S. A. أوشاكوف. تعتمد البيانات أدناه بشكل أساسي على حسابات هؤلاء العلماء.

حرارة تمايز الجاذبية الأرضية

أحد أهم الأنماط في تطور الأرض هو التفاضلجوهرها، والتي لا تزال مستمرة حتى يومنا هذا. وبسبب هذا التمايز حدث التكوين الأساسية والقشرةتغيير في تكوين الابتدائي عباءة، في حين أن تقسيم المادة المتجانسة في البداية إلى أجزاء ذات كثافات مختلفة يكون مصحوبًا بالإفراج طاقة حرارية، ويحدث الحد الأقصى لإطلاق الحرارة عندما تنقسم مادة الأرض إلى نواة كثيفة وثقيلةوالمتبقية ولاعةقذيفة سيليكات - عباءة الأرض. حاليًا، يتم إطلاق الجزء الأكبر من هذه الحرارة عند الحدود عباءة - جوهر.

طاقة التمايز الجاذبية للأرضطوال فترة وجودها، برزت - 1.46*1038 إرج (1.46*1031 ي). هذه الطاقة بالنسبة للجزء الأكبر يذهب أولا إلى الطاقة الحركيةتيارات الحمل الحراري للمادة الوشاح، ثم في دافيء; وينفق الجزء الآخر منه على إضافية ضغط باطن الأرضتنشأ بسبب تركيز المراحل الكثيفة في الجزء الأوسط من الأرض. من 1.46*10 38 إرجذهبت طاقة تمايز الجاذبية للأرض إلى ضغطها الإضافي 0.23*10 38 إرج (0.23*10 31 ج)، وينطلق على شكل حرارة 1.23*10 38 إرج (1.23*10 31 ج). يتجاوز حجم هذا المكون الحراري بشكل كبير إجمالي إطلاق جميع أنواع الطاقة الأخرى في الأرض. يظهر الشكل التوزيع الزمني للقيمة الإجمالية ومعدل إطلاق المكون الحراري لطاقة الجاذبية. 3.6 .

أرز. 3.6.

المستوى الحالي لتوليد الحرارة أثناء تمايز الجاذبية للأرض هو 3*10 20 إرج/ثانية (3*10 13 وات) والذي يعتمد على حجم التدفق الحراري الحديث الذي يمر عبر سطح الكوكب في ( 4.2-4.3)*10 20 إرج/ثانية ((4.2-4.3)*10 13 واط)، يكون ~ 70% .

الحرارة الإشعاعية

الناجمة عن الاضمحلال الإشعاعي غير المستقر النظائر. الأكثر استهلاكا للطاقة والأطول عمرا ( مع نصف العمر، بما يتناسب مع عمر الأرض). النظائر 238 يو, 235 يو, 232 ثو 40 ألف. يتركز حجمها الرئيسي في القشرة القارية. المستوى الحالي للجيل الحرارة الإشعاعية:

• بواسطة الجيوفيزيائي الأمريكي V. فاكير - 1.14*10 20 إرج/ثانية (1.14*10 13 واط) ,
• من قبل الجيوفيزيائيين الروس او جي. سوروختينو S. A. أوشاكوف - 1.26*10 20 إرج/ثانية(1.26*10 13 واط) .

هذا ~ 27-30٪ من تدفق الحرارة الحالي.

من إجمالي كمية حرارة الاضمحلال الإشعاعي 1.26*10 20 إرج/ثانية (1.26*10 13 واط) في القشرة الأرضية تبرز - 0.91*10 20 إرج/ثانية، وفي الوشاح - 0.35*10 20 إرج/ثانية. ويترتب على ذلك أن حصة الحرارة الإشعاعية للوشاح لا تتجاوز 10٪ من إجمالي فقدان الحرارة الحديث للأرض، ولا يمكن أن تكون المصدر الرئيسي للطاقة للعمليات التكتونية الصهارية النشطة، التي يمكن أن يصل عمقها إلى 2900 كم؛ والحرارة الإشعاعية المنبعثة في القشرة تُفقد بسرعة نسبيًا عبر سطح الأرض ولا تشارك عمليًا في تسخين الأجزاء الداخلية العميقة من الكوكب.

وفي العصور الجيولوجية الماضية، لا بد أن كمية الحرارة الإشعاعية المنبعثة في الوشاح كانت أعلى. تقديراتها وقت تكوين الأرض ( منذ 4.6 مليار سنة) يعطي - 6.95*10 20 إرج/ثانية. ومنذ ذلك الوقت، كان هناك انخفاض مطرد في معدل إطلاق الطاقة الإشعاعية (الشكل 1). 3.7 ).

لقد تم إصداره طوال الوقت الموجود على الأرض ~4.27*10 37 إرج(4.27*10 30 ج) الطاقة الحرارية للتحلل الإشعاعي، وهي أقل بثلاث مرات تقريبًا من الحرارة الإجمالية للتمايز الجاذبي.

حرارة الاحتكاك المد والجزر

ويبرز أثناء تفاعل جاذبية الأرض مع القمر في المقام الأول، باعتباره أقرب جسم كوني كبير. بسبب الجاذبية المتبادلة، تنشأ تشوهات المد والجزر في أجسادهم - تورمأو مطب. تؤثر حدبات المد والجزر للكواكب، مع جاذبيتها الإضافية، على حركتها. وبالتالي، فإن جاذبية كل من حدبات المد والجزر للأرض تخلق زوجًا من القوى المؤثرة على الأرض نفسها وعلى القمر. إلا أن تأثير الانتفاخ القريب المواجه للقمر أقوى إلى حد ما من تأثير الانتفاخ البعيد. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن السرعة الزاوية لدوران الأرض الحديثة ( 7.27*10-5ث-1) يتجاوز السرعة المدارية للقمر ( 2.66*10-6ث-1) ، وبما أن مادة الكواكب ليست مرنة بشكل مثالي، فإن حدبات المد والجزر للأرض تبدو وكأنها تنجرف بعيدًا عن طريق دورانها للأمام وتعزز حركة القمر بشكل ملحوظ. وهذا يؤدي إلى حقيقة أن الحد الأقصى للمد والجزر على الأرض يحدث دائمًا على سطحها في وقت لاحق إلى حد ما ذروةالقمر، ولحظة إضافية من القوة تؤثر على الأرض والقمر (الشكل 1). 3.8 ) .

أصبحت القيم المطلقة لقوى تفاعل المد والجزر في نظام الأرض والقمر صغيرة نسبيًا الآن ويمكن أن تصل تشوهات المد والجزر في الغلاف الصخري الناتجة عنها إلى بضع عشرات من السنتيمترات فقط، لكنها تؤدي إلى تباطؤ تدريجي في دوران الأرض وعلى العكس من ذلك، إلى تسارع الحركة المدارية للقمر وبعده عن الأرض. وتتحول الطاقة الحركية لحركة حدبات المد والجزر إلى طاقة حرارية نتيجة الاحتكاك الداخلي للمادة في حدبات المد والجزر.

حاليا، معدل إطلاق طاقة المد والجزر هو جي ماكدونالديرقى إلى ~0.25*10 20 إرج/ثانية (0.25*10 13 واط)، في حين أن الجزء الرئيسي منه (حوالي 2/3) هو المفترض يتبدد(يتبدد) في الغلاف المائي. ونتيجة لذلك، يتبدد جزء من طاقة المد والجزر الناتجة عن تفاعل الأرض مع القمر الأرض الصلبة(في المقام الأول في الغلاف الموري)، لا يتجاوز 2 % إجمالي الطاقة الحرارية المتولدة في أعماقه؛ وحصة المد والجزر الشمسية لا تتجاوز 20 % من تأثيرات المد القمري. ولذلك، فإن المد والجزر الصلبة لا تلعب الآن أي دور تقريبًا في تغذية العمليات التكتونية بالطاقة، ولكن في في بعض الحالاتيمكن أن تكون بمثابة "محفزات"، مثل الزلازل.

ترتبط كمية طاقة المد والجزر ارتباطًا مباشرًا بالمسافة بين الأجسام الفضائية. وإذا كانت المسافة بين الأرض والشمس لا تنطوي على أي تغييرات كبيرة على النطاق الزمني الجيولوجي، فإن هذه المعلمة في نظام الأرض والقمر هي قيمة متغيرة. بغض النظر عن الأفكار حول جميع الباحثين تقريبا يعترفون بذلك المراحل الأولىتطور الأرض، كانت المسافة إلى القمر أقل بكثير من الحديثة، ولكن في عملية تطور الكواكب، وفقا لمعظم العلماء، فإنها تزداد تدريجيا، ووفقا ل يو.ن. أفسيوكوتشهد هذه المسافة تغيرات طويلة المدى في شكل دورات "المجيء والذهاب" من القمر. ويترتب على ذلك أنه في العصور الجيولوجية الماضية كان دور حرارة المد والجزر في التوازن الحراري الإجمالي للأرض أكثر أهمية. بشكل عام، طوال فترة تطور الأرض، تطورت ~3.3*10 37 إرج (3.3*10 30 ج) الطاقة الحرارية للمد والجزر (وهذا يخضع لإزالة القمر المتعاقبة من الأرض). يظهر الشكل 1 التغير في معدل إطلاق هذه الحرارة مع مرور الوقت. 3.10 .

تم إطلاق أكثر من نصف إجمالي طاقة المد والجزر إعتام عدسة العين (القرف)) - منذ 4.6 إلى 4.0 مليار سنة مضت، وفي ذلك الوقت فقط بفضل هذه الطاقة يمكن للأرض أن ترتفع درجة حرارتها بمقدار ~500 درجة مئوية. بدءًا من أواخر العصر الأركي، لم يكن للمد والجزر القمرية سوى تأثير ضئيل على التطور العمليات الداخلية كثيفة الاستهلاك للطاقة .

حرارة التراكم

هذه هي الحرارة التي احتفظت بها الأرض منذ تكوينها. في تَقَدم تراكموالتي استمرت لعدة عشرات الملايين من السنين بفضل الاصطدام الكواكب المصغرةشهدت الأرض تسخينًا كبيرًا. ومع ذلك، لا يوجد إجماع على حجم هذا التسخين. في الوقت الحالي، يميل الباحثون إلى الاعتقاد بأنه خلال عملية التراكم شهدت الأرض ذوبانًا جزئيًا كبيرًا، إن لم يكن كاملاً، مما أدى إلى التمايز الأولي للأرض الأولية إلى نواة حديدية ثقيلة وغطاء سيليكات خفيف، وإلى التشكيلة "محيط الصهارة"على سطحه أو على أعماق ضحلة. على الرغم من أنه حتى قبل التسعينيات، كان نموذج الأرض الأولية الباردة نسبيًا، والتي ارتفعت درجة حرارتها تدريجيًا بسبب العمليات المذكورة أعلاه، مصحوبًا بإطلاق كمية كبيرةطاقة حرارية.

يرتبط التقييم الدقيق لحرارة التراكم الأولية وجزءها المحفوظ حتى يومنا هذا بصعوبات كبيرة. بواسطة او جي. سوروختينو S. A. أوشاكوف، الذين هم من أنصار الأرض الأولية الباردة نسبيًا، فإن كمية الطاقة المتراكمة المحولة إلى حرارة هي - 20.13*10 38 إرج (20.13*10 31 ي). هذه الطاقة، في غياب فقدان الحرارة، ستكون كافية ل التبخر الكاملمادة دنيوية، لأن يمكن أن ترتفع درجة الحرارة إلى 30000 0 ج. لكن عملية التراكم كانت طويلة نسبيًا، ولم يتم إطلاق طاقة التأثيرات الكوكبية إلا في الطبقات القريبة من سطح الأرض المتنامية، وسرعان ما فقدت بسبب الإشعاع الحراري، وبالتالي فإن التسخين الأولي للكوكب لم يكن كبيرًا. حجم هذا الإشعاع الحراري، بالتوازي مع تكوين (تراكم) الأرض، حسب تقديرات هؤلاء المؤلفين 19.4*10 38 إرج (19.4*10 31 ج) .

في توازن الطاقة الحديث للأرض، من المرجح أن تلعب الحرارة المتراكمة دورًا ثانويًا.