חום כדור הארץ. אנרגיה גיאותרמית

2. משטר תרמי של כדור הארץ

כדור הארץ הוא גוף קוסמי קר. טמפרטורת פני השטח תלויה בעיקר בחום המגיע מבחוץ. 95% מהחום של השכבה העליונה של כדור הארץ הוא חיצוני חום (שמש), ורק 5% הוא חום פְּנִימִי , שמגיע מבטן כדור הארץ וכולל מספר מקורות אנרגיה. בחלק הפנימי של כדור הארץ, הטמפרטורה עולה עם העומק מ-1300 oC (במעטפת העליונה) ל-3700oC (במרכז הליבה).

חום חיצוני. חום מגיע אל פני כדור הארץ בעיקר מהשמש. כל סנטימטר מרובע של משטח מקבל כ-2 קלוריות של חום בתוך דקה אחת. כמות זו נקראת קבוע שמש וקובע את כמות החום הכוללת הנכנסת לכדור הארץ מהשמש. במשך שנה זה מסתכם ב-2.26·10 21 קלוריות. עומק החדירה של חום השמש לבטן כדור הארץ תלוי בעיקר בכמות החום הנופלת ליחידת שטח פנים ובמוליכות התרמית של סלעים. העומק המרבי אליו חודר חום חיצוני הוא 200 מ' באוקיינוסים, וכ-40 מ' ביבשה.

חום פנימי. עם עומק, נצפית עלייה בטמפרטורה, המתרחשת בצורה מאוד לא אחידה באזורים שונים. עליית הטמפרטורה באה לפי חוק אדיאבטי ותלויה בדחיסת החומר בלחץ כאשר חילופי חום עם הסביבה בלתי אפשריים.

מקורות החום העיקריים בתוך כדור הארץ:

חום המשתחרר במהלך התפרקות רדיואקטיבית של יסודות.

חום שיורי שנשמר מאז היווצרות כדור הארץ.

חום כבידה המשתחרר במהלך דחיסת כדור הארץ והתפלגות החומר לפי צפיפות.

חום שנוצר עקב תגובות כימיות המתרחשות במעמקי קרום כדור הארץ.

חום המשתחרר מחיכוך הגאות והשפל של כדור הארץ.

ישנם 3 אזורי טמפרטורה:

אני - אזור טמפרטורה משתנה . שינויי הטמפרטורה נקבעים על פי האקלים של האזור. תנודות יומיות כמעט גוועות בעומק של כ-1.5 מ', ותנודות שנתיות בעומקים של 20...30 מ'. אזור הקפאה.

II – אזור טמפרטורה קבוע , ממוקם בעומקים של 15...40 מ' תלוי באזור.

III – אזור עליית טמפרטורה .

משטר הטמפרטורה של סלעים במעמקי קרום כדור הארץ מתבטא בדרך כלל כשיפוע גיאותרמי ומדרגה גיאותרמית.

כמות עליית הטמפרטורה עבור כל 100 מ' עומק נקראת שיפוע גיאותרמי. באפריקה בשדה Witwatersrand זה 1.5 מעלות צלזיוס, ביפן (אכיגו) - 2.9 מעלות צלזיוס, בדרום אוסטרליה - 10.9 מעלות צלזיוס, בקזחסטן (סמרינדה) - 6.3 מעלות צלזיוס, בחצי האי קולה - 0.65 מעלות צלזיוס.

אורז. 3. אזורי טמפרטורה בקרום כדור הארץ: I - אזור טמפרטורה משתנה, Ia - אזור הקפאה; II - אזור של טמפרטורות קבועות; III - אזור של עליית טמפרטורה.

העומק שבו הטמפרטורה עולה במעלה 1 נקרא שלב גיאותרמי.הערכים המספריים של השלב הגיאותרמי אינם קבועים לא רק בקווי רוחב שונים, אלא גם בעומקים שונים של אותה נקודה באזור. גודל המדרגה הגיאותרמית משתנה בין 1.5 ל-250 מ'. בארכנגלסק הוא 10 מ', במוסקבה - 38.4 מ', ובפיאטיגורסק - 1.5 מ' תיאורטית, הערך הממוצע של שלב זה הוא 33 מ'.

בבאר שנקדחה במוסקבה לעומק של 1630 מ' הטמפרטורה בתחתית הייתה 41 מעלות צלזיוס, ובמכרה שנקדחה בדונבאס לעומק 1545 מ' הטמפרטורה הייתה 56.3 מעלות צלזיוס. הטמפרטורה הגבוהה ביותר שנרשמה בארה"ב הייתה בבאר בעומק 7136 מ', שם הייתה 224 מעלות צלזיוס. יש לקחת בחשבון את העלייה בטמפרטורה עם העומק בעת תכנון מבנים עמוקים. לפי חישובים, בעומק של 400 ק"מ הטמפרטורה צריכה להגיע ל-1400...1700 מעלות צלזיוס. הטמפרטורות הגבוהות ביותר (כ-5000 מעלות צלזיוס) התקבלו עבור ליבת כדור הארץ.

אנרגיה גיאותרמית- זוהי אנרגיית החום המשתחררת מהאזורים הפנימיים של כדור הארץ במשך מאות מיליוני שנים. על פי מחקרים גיאולוגיים וגיאופיזיים, הטמפרטורה בליבת כדור הארץ מגיעה ל-3,000-6,000 מעלות צלזיוס, כשהיא יורדת בהדרגה בכיוון ממרכז כוכב הלכת אל פני השטח שלו. התפרצותם של אלפי הרי געש, תנועת גושי קרום כדור הארץ ורעידות אדמה מעידים על פעולת האנרגיה הפנימית החזקה של כדור הארץ. מדענים מאמינים שהשדה התרמי של הפלנטה שלנו נובע מהתפרקות רדיואקטיבית במעמקיו, כמו גם מהפרדה כבידתית של חומר הליבה.
המקורות העיקריים לחימום פנים כדור הארץ הם אורניום, תוריום ואשלגן רדיואקטיבי. תהליכי ריקבון רדיואקטיביים ביבשות מתרחשים בעיקר בשכבת הגרניט של קרום כדור הארץ בעומק של 20-30 ק"מ או יותר, באוקיינוסים - במעטפת העליונה. ההנחה היא שבבסיס קרום כדור הארץ בעומק של 10-15 ק"מ, ערך הטמפרטורה הסביר ביבשות הוא 600-800 מעלות צלזיוס, ובאוקיינוסים - 150-200 מעלות צלזיוס.
האדם יכול להשתמש באנרגיה גיאותרמית רק במקום שבו היא באה לידי ביטוי קרוב לפני השטח של כדור הארץ, כלומר. באזורים של פעילות וולקנית וסיסמית. כעת נעשה שימוש יעיל באנרגיה גיאותרמית על ידי מדינות כמו ארה"ב, איטליה, איסלנד, מקסיקו, יפן, ניו זילנד, רוסיה, פיליפינים, הונגריה, אל סלבדור. כאן חום כדור הארץ הפנימי עולה אל פני השטח עצמו בצורה מים חמיםוקיטור עם טמפרטורה של עד 300 מעלות צלזיוס ולעיתים קרובות פורץ החוצה כחום של מקורות שוצפים (גייזרים), למשל, הגייזרים המפורסמים של פארק ילוסטון בארה"ב, הגייזרים של קמצ'טקה, איסלנד.
מקורות אנרגיה גיאותרמיתמחולקים לאדים חמים יבשים, אדים חמים רטובים ומים חמים. באר, המהווה מקור אנרגיה חשוב לחשמל מסילת רכבתבאיטליה (ליד העיר לדרלו), מאז 1904 הוא מזין קיטור חם יבש. שני אתרי קיטור חמים ויבש מפורסמים נוספים בעולם הם שדה מאטסוקאווה ביפן ושדה הגייזר ליד סן פרנסיסקו, שגם להם יש שימוש ארוך ויעיל באנרגיה גיאותרמית. הקיטור החם הלח ביותר בעולם נמצא בניו זילנד (Wairakei), שדות גיאותרמיים בעלי מעט פחות כוח נמצאים במקסיקו, יפן, אל סלבדור, ניקרגואה ורוסיה.
לפיכך, ניתן להבחין בין ארבעה סוגים עיקריים של משאבי אנרגיה גיאותרמית:
חום פני הקרקע בשימוש על ידי משאבות חום;
משאבים אנרגטייםקיטור, חם ו מים חמיםליד פני כדור הארץ, המשמשים כיום בייצור אנרגיה חשמלית;
חום מרוכז עמוק מתחת לפני השטח של כדור הארץ (ייתכן בהיעדר מים);
אנרגיית מאגמה וחום המצטברים מתחת להרי געש.

עתודות חום גיאותרמי(~8 * 1030J) הוא פי 35 מיליארד מצריכת האנרגיה הגלובלית השנתית. רק 1% מהאנרגיה הגיאותרמית בקרום כדור הארץ (10 ק"מ עומק) יכול לספק כמות אנרגיה גדולה פי 500 מכל עתודות הנפט והגז בעולם. עם זאת, כיום ניתן להשתמש רק בחלק קטן מהמשאבים הללו, וזה נובע קודם כל סיבות כלכליות. הפיתוח התעשייתי של משאבים גיאותרמיים (אנרגיה של מים עמוקים חמים וקיטור) החל בשנת 1916, כאשר הוזמנה באיטליה תחנת הכוח הגיאותרמית הראשונה בהספק של 7.5 MW. במהלך הזמן האחרון, נצבר ניסיון רב בתחום הפיתוח המעשי של משאבי אנרגיה גיאותרמית. סך ההספק המותקן של תחנות כוח גיאותרמיות קיימות (GeoTES) היה: 1975 - 1,278 MW, בשנת 1990 - 7,300 MW. ההתקדמות הגדולה ביותר בעניין זה הושגה על ידי ארה"ב, הפיליפינים, מקסיקו, איטליה ויפן.
הפרמטרים הטכניים והכלכליים של תחנות כוח גיאותרמיות משתנים על פני טווח רחב למדי ותלויים במאפיינים הגיאולוגיים של האזור (עומק ההתרחשות, פרמטרים של נוזל העבודה, הרכבו וכו'). עבור רוב תחנות הכוח הגיאותרמיות המופעלות, עלות החשמל דומה לעלות החשמל המיוצר בתחנות כוח פחמיות ומסתכמת ב-1200 ... 2000 דולר ארה"ב / MW.
באיסלנד, 80% מהבתים מחוממים באמצעות מים חמים המופקים מבארות גיאותרמיות ליד העיר רייקיאוויק. במערב ארצות הברית, כ-180 בתים וחוות מחוממים באמצעות מים חמים גיאותרמיים. לדברי מומחים, בין השנים 1993 ל-2000, ייצור החשמל העולמי מאנרגיה גיאותרמית הוכפל יותר מהכפיל. יש כל כך הרבה עתודות של חום גיאותרמי בארצות הברית שהוא יכול, תיאורטית, לספק פי 30 יותר אנרגיה ממה שהמדינה צורכת כיום.
בעתיד, ניתן להשתמש בחום המאגמה באותם אזורים שבהם היא ממוקמת קרוב לפני כדור הארץ, כמו גם בחום היבש של סלעים גבישיים מחוממים. IN המקרה האחרוןבארות קודחים על פני מספר קילומטרים ונשאבים למטה מים קרים, ותחזיר אותו חם.

דוקטור למדעים טכניים על. אני שונא את זה, פרופסור,
אקדמאי של האקדמיה הרוסית למדעים טכנולוגיים, מוסקבה

IN העשורים האחרוניםהעולם שוקל את הכיוון של שימוש יעיל יותר באנרגיה של החום העמוק של כדור הארץ במטרה להחליף חלקית גז טבעי, נפט, פחם. זה יתאפשר לא רק באזורים עם פרמטרים גיאותרמיים גבוהים, אלא גם בכל אזור גלוֹבּוּסבעת קידוח בארות הזרקה והפקה ויצירת מערכות מחזור ביניהן.

ההתעניינות הגוברת במקורות אנרגיה חלופיים בעולם בעשורים האחרונים נגרמת מדלדול מאגרי הדלק הפחמימני והצורך לפתור מספר בעיות סביבתיות. גורמים אובייקטיביים (מאגרי דלק מאובנים ואורניום, כמו גם שינויים בסביבה הנגרמים מאש ואנרגיה גרעינית מסורתית) מרמזים על כך שהמעבר לשיטות וצורות חדשות של ייצור אנרגיה הוא בלתי נמנע.

הכלכלה העולמית הולכת כעת לקראת מעבר לשילוב רציונלי של מקורות אנרגיה מסורתיים וחדשים. חום כדור הארץ תופס את אחד המקומות הראשונים ביניהם.

משאבי אנרגיה גיאותרמית מחולקים להידרוגיאולוגיים ופטרוגיאותרמיים. הראשון שבהם מיוצג על ידי נוזלי קירור (המהווים רק 1% מכלל משאבי האנרגיה הגיאותרמית) - מי תהום, קיטור ותערובות קיטור. האחרונים מייצגים אנרגיה גיאותרמית הכלולה בסלעים חמים.

טכנולוגיית המזרקה (הזרימה העצמית) הנהוגה בארצנו ומחוצה לה להפקת קיטור טבעי ומים גיאותרמיים היא פשוטה, אך לא יעילה. עם קצב זרימה נמוך של בארות זורמות מעצמן, הפקת החום שלהן יכולה להחזיר את עלויות הקידוח רק אם עומקם של מאגרים גיאותרמיים עם טמפרטורה גבוההבאזורים של חריגות תרמיות. חיי השירות של בארות כאלה במדינות רבות לא מגיע אפילו ל-10 שנים.

יחד עם זאת, הניסיון מאשר כי בנוכחות מאגרי קיטור טבעיים רדודים, הקמת תחנת כוח גיאותרמית היא האפשרות הרווחית ביותר לשימוש באנרגיה גיאותרמית. הפעלתן של תחנות כוח גיאותרמיות כאלה הראתה את התחרותיות שלהן בהשוואה לסוגים אחרים של תחנות כוח. לכן, השימוש במאגרי מים גיאותרמיים וקיטור הידרותרמי בארצנו בחצי האי קמצ'טקה ובאיים של רכס קוריל, באזורי צפון הקווקז, ואולי גם באזורים אחרים, מומלץ ובזמן. אבל מרבצי קיטור הם נדירים; הרזרבות הידועות והחזויות שלו קטנות. הרבה יותר נפוצים פיקדונות של מים אנרגיה תרמית לא תמיד ממוקמים קרוב מספיק לצרכן - אובייקט אספקת החום. זה לא כולל את האפשרות של שימוש יעיל שלהם בקנה מידה גדול.

לעתים קרובות, סוגיות של מאבק במרבצי מלח מתפתחות לבעיה מורכבת. השימוש במקורות גיאותרמיים, בדרך כלל מינרליים, בתור נוזל קירור מוביל לצמיחת יתר של אזורי באר עם תחמוצת ברזל, סידן פחמתי ותצורות סיליקט. בנוסף, בעיות של שחיקה-קורוזיה ופיקדונות אבנית משפיעים לרעה על פעולת הציוד. הבעיה הופכת גם להזרמת מי שפכים מינרליים המכילים זיהומים רעילים. לכן, טכנולוגיית המזרקה הפשוטה ביותר אינה יכולה לשמש בסיס לפיתוח נרחב של משאבים גיאותרמיים.

על פי הערכות ראשוניות על שטח הפדרציה הרוסית, עתודות התחזית של מים תרמיים בטמפרטורה של 40-250 מעלות צלזיוס, מליחות של 35-200 גרם/ליטר ועומק של עד 3000 מ' הן 21-22 מיליון. מ"ק ליום, שהוא שווה ערך לבעירה של 30-40 מיליון טונות של פחמימנים. .T. בשנה.

עתודות התחזית של תערובת הקיטור-אוויר בטמפרטורה של 150-250 מעלות צלזיוס בחצי האי קמצ'טקה ובאיי קוריל היא 500 אלף מ"ק ליום. ועתודות של מים תרמיים בטמפרטורה של 40-100 מעלות צלזיוס - 150 אלף מ"ק ליום.

העדיפות לפיתוח נחשבת למאגרי מים תרמיים בזרימה של כ-8 מיליון מ"ק ליום, עם מליחות של עד 10 גר' לליטר וטמפרטורה מעל 50 מעלות צלזיוס.

חשיבות הרבה יותר גדולה עבור מגזר האנרגיה של העתיד היא הפקת אנרגיה תרמית, משאבים פטרוגיאו-תרמיים בלתי נדלים כמעט. אנרגיה גיאותרמית זו, הכלולה בסלעים חמים מוצקים, מהווה 99% מכלל משאבי האנרגיה התרמית התת-קרקעית. בעומק של 4-6 ק"מ ניתן למצוא מסיפים בטמפרטורה של 300-400 מעלות צלזיוס רק ליד מרכזי הביניים של חלק מהרי געש, אך סלעים חמים בטמפרטורה של 100-150 מעלות צלזיוס מופצים כמעט בכל מקום בעומקים אלו. , ועם טמפרטורה של 180-200 מעלות צלזיוס בחלק גדול למדי של רוסיה.

במשך מיליארדי שנים, תהליכים גרעיניים, כבידה ואחרים בתוך כדור הארץ נוצרו ומחוללים אנרגיית תרמית. חלק ממנו נפלט לחלל החיצון, והחום נצבר במעמקים, כלומר. תכולת החום של השלב המוצק, הנוזלי והגזי של החומר של כדור הארץ נקראת אנרגיה גיאותרמית.

היצור המתמשך של חום תוך-קרקעי מפצה על ההפסדים החיצוניים שלו, משמש מקור לצבירה של אנרגיה גיאותרמית וקובע את החלק המתחדש במשאביו. העברת החום הכוללת מתת הקרקע אל פני כדור הארץ גבוהה פי שלושה מהקיבולת הנוכחית של תחנות כוח בעולם ומוערכת ב-30 TW.

עם זאת, ברור שהתחדשות חשובה רק למצומצמים משאבים טבעיים, והפוטנציאל הכולל של אנרגיה גיאותרמית הוא כמעט בלתי נדלה, שכן יש להגדיר אותו ככמות החום הכוללת הזמינה לכדור הארץ.

לא במקרה, העולם שוקל בעשורים האחרונים את הכיוון של שימוש יעיל יותר באנרגיית החום העמוק של כדור הארץ במטרה להחליף חלקית את הגז הטבעי, הנפט והפחם. זה יתאפשר לא רק באזורים עם פרמטרים גיאותרמיים גבוהים, אלא גם בכל אזור על פני הגלובוס בעת קידוח בארות הזרקה והפקה ויצירת מערכות מחזור ביניהן.

כמובן, עם מוליכות תרמית נמוכה של סלעים, לתפעול יעיל של מערכות מחזור יש צורך להחזיק או ליצור משטח חילופי חום מפותח מספיק באזור מיצוי החום. למשטח כזה יש שכבות ואזורים נקבוביים של עמידות טבעית לשברים שנמצאים לעתים קרובות בעומקים הנ"ל, החדירות שלהם מאפשרת לארגן סינון מאולץ של נוזל הקירור עם מיצוי יעיל של אנרגיה מסלעים, כמו גם יצירה מלאכותית של משטח חילופי חום נרחב במסיבים נקבוביים בעלי חדירות נמוכה בשיטת השבירה ההידראולית (ראה איור).

כיום, שבירה הידראולית משמשת בתעשיית הנפט והגז כדרך להגביר את החדירות של תצורות כדי לשפר את שחזור הנפט במהלך פיתוח שדות נפט. טכנולוגיה מודרניתמאפשר ליצור סדק צר אך ארוך, או סדק קצר אך רחב. ישנן דוגמאות ידועות לשבר הידראולי עם סדקים באורך של עד 2-3 ק"מ.

הרעיון הביתי של מיצוי המשאבים הגיאותרמיים העיקריים הכלולים בסלעים מוצקים הובע כבר בשנת 1914 על ידי K.E. Tsiolkovsky, ובשנת 1920 מערכת המחזור הגיאותרמית (GCS) במסיף גרניט חם תוארה על ידי V.A. אוברוצ'וב.

בשנת 1963, ה-GCS הראשון נוצר בפריז כדי להפיק חום מסלעים נקבוביים לחימום ומיזוג אוויר במתחם השידור כאוס. בשנת 1985, כבר פעלו בצרפת 64 GCS עם קיבולת תרמית כוללת של 450 MW עם חיסכון שנתי של כ-150 אלף טון נפט. באותה שנה, ה-GVC הדומה הראשון נוצר בברית המועצות בעמק חנקלה ליד העיר גרוזני.

בשנת 1977, במסגרת הפרויקט של המעבדה הלאומית של לוס אלמוס בארצות הברית, החלו בדיקות של GVC ניסיוני עם שבירה הידראולית של גוש כמעט בלתי חדיר באתר פנטון היל בניו מקסיקו. מים מתוקים קרים שהוזרקו דרך הבאר (הזרקה) חוממו עקב חילופי חום עם מסת הסלע (185 OS) בסדק אנכי בשטח של 8000 מ"ר, שנוצר על ידי שבירה הידראולית בעומק של 2.7 ק"מ. דרך באר נוספת (ייצור), שחתכה אף היא את הסדק הזה, עלו לפני השטח מים מחוממים בצורת סילון קיטור. כשהם מסתובבים בלולאה סגורה בלחץ, הטמפרטורה של מים מחוממים על פני השטח הגיעה ל-160-180 מעלות צלזיוס, והכוח התרמי של המערכת הגיע ל-4-5 מגוואט. דליפות נוזל קירור לתוך הגוש שמסביב היוו כ-1% מקצב הזרימה הכולל. הריכוז של זיהומים מכניים וכימיים (עד 0.2 גרם/ליטר) תאם את התנאים של מים מתוקים מי שתייה. השבר ההידראולי לא נזקק לתמיכה ונשמר פתוח על ידי לחץ נוזל הידרוסטטי. ההסעה החופשית שהתפתחה בו הבטיחה השתתפות יעילה בחילופי חום של כמעט כל פני השטח של מחשוף מסת הסלע החמה.

הפקת אנרגיה תרמית תת קרקעית מסלעים חמים אטומים, המבוססת על שיטות קידוח משופע ושבר הידראולי שפותחו ונהוגות זה מכבר בתעשיית הנפט והגז, לא גרמה לפעילות סיסמית או כל פעילות אחרת. השפעות מזיקותעל הסביבה.

בשנת 1983, מדענים אנגלים חזרו על הניסיון האמריקאי על ידי יצירת GCS ניסיוני עם שבירה הידראולית של גרניט בקרנוול. עבודות דומותנערכו בגרמניה ובשוודיה. ישנם יותר מ-224 פרויקטים של חימום גיאותרמי בארצות הברית. ההנחה היא שמשאבים גיאותרמיים יכולים לספק את עיקר הצרכים העתידיים של ארה"ב לאנרגיה תרמית לצרכים שאינם חשמליים. ביפן, הקיבולת של תחנות כוח גיאותרמיות הגיעה בשנת 2000 לכ-50 GW.

נכון לעכשיו, מחקר וחקירה של משאבים גיאותרמיים מתבצעים ב-65 מדינות. בעולם נוצרו תחנות בהספק כולל של כ-10 GW המבוססות על אנרגיה גיאותרמית. האו"ם מספק תמיכה אקטיבית לפיתוח אנרגיה גיאותרמית.

הניסיון שנצבר במדינות רבות בעולם בשימוש בנוזלי קירור גיאותרמיים מראה שבתנאים נוחים הם רווחיים פי 2-5 מתחנות כוח תרמיות וגרעיניות. חישובים מראים כי באר גיאותרמית אחת יכולה להחליף 158 אלף טון פחם בשנה.

לפיכך, החום של כדור הארץ הוא אולי משאב האנרגיה הגדול והמתחדש היחיד, שפיתוחו הרציונלי מבטיח להפחית את עלות האנרגיה בהשוואה לאנרגיית דלק מודרנית. עם פוטנציאל אנרגיה בלתי נדלה באותה מידה, מתקנים סולאריים ותרמו-גרעיניים, למרבה הצער, יהיו יקרים יותר ממתקני דלק קיימים.

למרות ההיסטוריה הארוכה מאוד של רתימת החום של כדור הארץ, כיום הטכנולוגיה הגיאותרמית עדיין לא הגיעה להתפתחות הגבוהה שלה. פיתוח האנרגיה התרמית של כדור הארץ חווה קשיים גדולים במהלך בניית בארות עמוקות, המהוות תעלה להעלאת נוזל הקירור אל פני השטח. בשל הטמפרטורה הגבוהה בתחתית (200-250 מעלות צלזיוס), כלי חיתוך סלעים מסורתיים אינם מתאימים לעבודה בתנאים כאלה; דרישות מיוחדות מוטלות על בחירת צינורות קידוח ומעטפים, תרחיפים מלט, טכנולוגיית קידוח, מעטפת והשלמה. של בארות. ציוד מדידה ביתי, אביזרי תפעול וציוד סדרתי מיוצרים בגרסאות המאפשרות טמפרטורות שאינן גבוהות מ-150-200 מעלות צלזיוס. קידוח מכני עמוק מסורתי של בארות לוקח לפעמים שנים ודורש עלויות כספיות משמעותיות. בנכסי הפקה קבועים, עלות בארות נעה בין 70 ל-90%. בעיה זו יכולה וצריכה להיפתר רק על ידי יצירת טכנולוגיה מתקדמת לפיתוח החלק העיקרי של המשאבים הגיאותרמיים, כלומר. הפקת אנרגיה מסלעים חמים.

קבוצת המדענים והמומחים הרוסים שלנו מתמודדת עם הבעיה של מיצוי ושימוש באנרגיה תרמית עמוקה בלתי נדלית ומתחדשת של סלעים חמים של כדור הארץ בשטח הפדרציה הרוסית במשך שנים רבות. מטרת העבודה היא ליצור, על בסיס ביתי, טכנולוגיות גבוהות אמצעים טכנייםלחדירה עמוקה למעמקי קרום כדור הארץ. נכון לעכשיו, פותחו כמה גרסאות של מכלולי קידוח (DS), שאין להם אנלוגים בתרגול העולמי.

הפעולה של הגרסה הראשונה של ה-BS מקושרת לזרם טכנולוגיה מסורתיתקידוח בארות. מהירות קידוח לסלעים קשים (צפיפות ממוצעת 2500-3300 ק"ג/מ"ק) עד 30 מ"ש, קוטר חור 200-500 מ"מ. הגרסה השנייה של ה-BS קודחת בארות במצב אוטונומי ואוטומטי. ההשקה מתבצעת מפלטפורמת שיגור וקבלה מיוחדת, ממנה נשלטת תנועתו. ניתן לכסות אלף מטרים של BS בסלע קשה תוך מספר שעות. קוטר הבאר הוא בין 500 ל-1000 מ"מ. לאפשרויות BS לשימוש חוזר יש עלות-תועלת רבה וערך פוטנציאלי עצום. פתיחת BS לייצור תיפתח שלב חדשבבניית בארות ולספק גישה למקורות בלתי נדלים של אנרגיה תרמית של כדור הארץ.

לצרכי אספקת חום, העומק הנדרש של בארות ברחבי הארץ נע בין עד 3-4.5 אלף מ' ואינו עולה על 5-6 אלף מ' טמפרטורת נוזל הקירור לדיור ואספקת חום קהילתית אינה עולה על 150 מעלות צלזיוס. עבור מתקנים תעשייתיים, הטמפרטורה, ככלל, אינה עולה על 180-200 מעלות צלזיוס.

המטרה של יצירת GCS היא לספק חום קבוע, נגיש וזול לאזורים מרוחקים, קשים לגישה ולא מפותחים של הפדרציה הרוסית. משך הפעולה של ה-GCS הוא 25-30 שנים או יותר. תקופת ההחזר של התחנות (בהתחשב בטכנולוגיות הקידוח העדכניות ביותר) היא 3-4 שנים.

יצירת הפדרציה הרוסית בשנים הקרובות של יכולות מתאימות לשימוש באנרגיה גיאותרמית לצרכים לא חשמליים תאפשר להחליף כ-600 מיליון טון של דלק שווה ערך. החיסכון יכול להסתכם עד 2 טריליון רובל.

עד 2030, ניתן יהיה ליצור קיבולת אנרגטית להחלפת אנרגיית אש בעד 30%, ועד 2040, כמעט לחלוטין לחסל חומרי גלם אורגניים כדלק ממאזן האנרגיה של הפדרציה הרוסית.

סִפְרוּת

1. Goncharov S.A. תֶרמוֹדִינָמִיקָה. מ.: מגטוים. נ.ע. באומן, 2002. 440 עמ'.

2. דיאדקין יו.ד. ואחרים.תרמופיזיקה גיאותרמית. סנט פטרסבורג: נאוקה, 1993. 255 עמ'.

3. בסיס משאבי מינרלים של מתחם הדלק והאנרגיה של רוסיה. מצב ופרוגנוזה / V.K. Branchugov, E.A. גברילוב, ו.ס. ליטוויננקו ואחרים אד. V.Z. Garipova, E.A. קוזלובסקי. מ' 2004. 548 עמ'.

4. Novikov G.P וחב' קידוח בארות למים תרמיים. מ.: נדרה, 1986. 229 עמ'.

אוֹתָם. קפיטונוב

החום הגרעיני של כדור הארץ

חום ארצי

כדור הארץ הוא גוף חם למדי ומהווה מקור חום. הוא מתחמם בעיקר בגלל קרינת השמש שהוא סופג. אבל לכדור הארץ יש גם משאב תרמי משלו השווה לחום שהוא מקבל מהשמש. מאמינים שאנרגיה עצמית זו של כדור הארץ היא בעלת המקור הבא. כדור הארץ קם לפני כ-4.5 מיליארד שנים בעקבות היווצרות השמש מדיסקה פרוטו-פלנטרית של גז ואבק שמסתובבים סביבה ומצמצמים אותה. בשלב מוקדם של היווצרותו, חומר כדור הארץ התחמם עקב דחיסה כבידתית איטית יחסית. האנרגיה שהשתחררה כאשר גופים קוסמיים קטנים נפלו עליו שיחקה גם היא תפקיד מרכזי באיזון התרמי של כדור הארץ. לכן, כדור הארץ הצעיר היה מותך. כשהתקרר, הוא הגיע בהדרגה למצבו הנוכחי עם משטח מוצק, שחלק ניכר ממנו מכוסה באוקיינוס ​​ו מי ים. השכבה החיצונית הקשה הזו נקראת קרום כדור הארץובממוצע, ביבשה, עוביו הוא כ-40 ק"מ, ומתחת למי האוקיינוס ​​- 5-10 ק"מ. השכבה העמוקה יותר של כדור הארץ, הנקראת מַעֲטֶה, מורכב גם מחומר מוצק. הוא משתרע לעומק של כמעט 3000 ק"מ ומכיל את עיקר החומר של כדור הארץ. לבסוף, החלק הפנימי ביותר של כדור הארץ הוא שלו הליבה. הוא מורכב משתי שכבות - חיצוני ופנימי. ליבה חיצוניתזוהי שכבה של ברזל מותך וניקל בטמפרטורה של 4500-6500 K, עובי של 2000-2500 ק"מ. ליבה פנימיתעם רדיוס של 1000-1500 ק"מ, זוהי סגסוגת ברזל ניקל מוצקה המחוממת לטמפרטורה של 4000-5000 K עם צפיפות של כ-14 גרם/ס"מ 3, שנוצרה בלחץ עצום (כמעט 4 מיליון בר).
בנוסף לחום הפנימי של כדור הארץ, שהוא ירש מהשלב החם המוקדם ביותר של היווצרותו, וכמותו אמורה לרדת עם הזמן, ישנו עוד - לטווח ארוך, הקשור להתפרקות הרדיואקטיבית של גרעינים עם זמן ארוך. זמן מחצית חיים - בעיקר 232 Th, 235 U , 238 U ו-40 K. האנרגיה המשתחררת בדעיכה אלו - הם מהווים כמעט 99% מהאנרגיה הרדיואקטיבית של כדור הארץ - ממלאת כל הזמן את הרזרבות התרמיות של כדור הארץ. הגרעינים לעיל כלולים בקרום ובמעטפת. הריקבון שלהם מוביל לחימום של השכבות החיצוניות והפנימיות של כדור הארץ כאחד.
חלק מהחום העצום הכלול בכדור הארץ משתחרר ללא הרף אל פני השטח שלו, לעתים קרובות בתהליכים געשיים בקנה מידה גדול מאוד. זרימת החום הזורמת ממעמקי כדור הארץ דרך פני השטח שלו ידועה. זה (47±2)·10 12 וואט, שהוא שווה ערך לחום שיכול להיווצר על ידי 50 אלף תחנות כוח גרעיניות (ההספק הממוצע של תחנת כוח גרעינית אחת הוא כ-10 9 וואט). נשאלת השאלה: האם לאנרגיה רדיואקטיבית יש תפקיד משמעותי בתקציב התרמי הכולל של כדור הארץ, ואם כן, איזה תפקיד היא ממלאת? התשובה לשאלות הללו במשך זמן רבנשאר לא ידוע. כעת יש הזדמנויות לענות על שאלות אלו. תפקיד המפתח כאן שייך לנייטרינו (אנטינוטרינו), אשר נולדים בתהליכי ריקבון רדיואקטיביים של גרעינים המרכיבים את החומר של כדור הארץ ואשר נקראים גיאו-נייטרינו.

גיאו-נייטרינו

גיאו-נייטרינוהוא השם המשולב של ניטרינו או אנטי-נייטרינו, הנפלטים כתוצאה מהתפרקות בטא של גרעינים הנמצאים מתחת לפני כדור הארץ. ברור שבזכות יכולת החדירה חסרת התקדים שלהם, הקלטה שלהם (ורק אותם) באמצעות גלאי נייטרינו קרקעיים יכולה לספק מידע אובייקטיבי על תהליכי ההתפרקות הרדיואקטיביים המתרחשים עמוק בתוך כדור הארץ. דוגמה לדעיכה כזו היא דעיכת β - של גרעין 228 Ra, שהוא תוצר של דעיכת α של גרעין 232 Th ארוך-החיים (ראה טבלה):

זמן מחצית החיים (T 1/2) של גרעין 228 Ra הוא 5.75 שנים, האנרגיה המשתחררת היא בערך 46 keV. ספקטרום האנרגיה של אנטי-נויטרינו הוא רציף עם גבול עליון קרוב לאנרגיה המשתחררת.
ההתפרקות של גרעינים 232 Th, 235 U, 238 U הן שרשראות של התפרקות עוקבות, היוצרות את מה שנקרא סדרה רדיואקטיבית. בשרשראות כאלה, דעיכת α משובצת עם דעיכת β-, שכן במהלך התפרקות α מוסטים הגרעינים הסופיים מקו היציבות β לאזור של גרעינים עמוסים בניוטרונים. לאחר שרשרת של דעיכה רצופה, בסוף כל סדרה, נוצרים גרעינים יציבים עם מספר פרוטונים וניוטרונים קרובים או שווים למספרי הקסם (Z = 82,נ= 126). גרעינים סופיים כאלה הם איזוטופים יציבים של עופרת או ביסמוט. לפיכך, ההתפרקות של T 1/2 מסתיימת עם היווצרות גרעין קסם כפול 208 Pb, ובנתיב 232 Th → 208 Pb מתרחשות שישה דעיכה של α, משובצת בארבעה β − דעיכה (ב-238 U → 206 Pb שרשרת יש שמונה α- ושש β − - דעיכה; בשרשרת 235 U → 207 Pb יש שבעה α- וארבעה β − דעיכה). לפיכך, ספקטרום האנרגיה של אנטי-נייטרינו מכל סדרה רדיואקטיבית הוא סופרפוזיציה של ספקטרום חלקי מדעיכת β בודדים הכלולים בסדרה זו. הספקטרום של אנטי-נויטרינו שנוצר בדעיכה של 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K מוצגים באיור. 1. דעיכת 40 K היא דעיכה יחידה β − (ראה טבלה). אנטי-נייטרינו מגיעים לאנרגיה הגבוהה ביותר שלהם (עד 3.26 MeV) בדעיכה
214 Bi → 214 Po, שהוא חוליה בסדרה הרדיואקטיבית 238 U. סך האנרגיה המשתחררת במהלך המעבר של כל קישורי ההתפרקות של הסדרה 232 Th → 208 Pb שווה ל-42.65 MeV. עבור הסדרה הרדיואקטיבית 235 U ו-238 U, אנרגיות אלו הן 46.39 ו-51.69 MeV, בהתאמה. אנרגיה המשתחררת תוך ריקבון
40 K → 40 Ca, הוא 1.31 MeV.

מאפיינים של ליבות 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K

הליבה	לשתף ב % בתערובת איזוטופים	מספר ליבות מתייחס סי גרעינים	T 1/2 מיליארד שנים	קישורים ראשונים הִתפּוֹרְרוּת
232 ה'	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

אומדן של השטף הגיאוניטרינו, שנעשה על בסיס דעיכה של גרעיני 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K הכלולים בחומר כדור הארץ, מוביל לערך בסדר גודל של 10 6 ס"מ -2 שניות -1 . על ידי רישום הגאו-נייטרינים הללו, ניתן לקבל מידע על תפקידו של החום הרדיואקטיבי במאזן התרמי הכולל של כדור הארץ ולבדוק את הרעיונות שלנו לגבי התוכן של רדיואיזוטופים ארוכי חיים בהרכב החומר של כדור הארץ.

אורז. 1. ספקטרום אנרגיה של אנטי-נייטרינו מהתפרקות גרעינית

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, מנורמל לדעיכה אחת של גרעין האב

התגובה משמשת לזיהוי אנטי-נייטרינו אלקטרונים

P → e + + n, (1)

שבו בעצם התגלה החלקיק הזה. הסף לתגובה זו הוא 1.8 MeV. לכן, רק גיאו-נייטרינו המיוצרים בשרשראות ריקבון החל מגרעיני 232 Th ו-238 U יכולים להירשם בתגובה לעיל. החתך האפקטיבי של התגובה הנידונה הוא קטן ביותר: σ ≈ 10 -43 ס"מ 2. מכאן נובע שגלאי ניטרינו בנפח רגיש של 1 מ'3 ירשום לא יותר מכמה אירועים בשנה. ברור, כדי לזהות באופן אמין שטפי גיאוטרינו, יש צורך בגלאי ניטרינו בנפח גדול, הממוקמים במעבדות תת-קרקעיות להגנה מרבית מהרקע. הרעיון של שימוש בגלאים שנועדו לחקור ניטרינו סולאריים וכורים לרישום גיאוטרינו עלה ב-1998. נכון להיום, ישנם שני גלאי נייטרינו בנפח גדול המשתמשים בנצנץ נוזלי ומתאימים לפתרון בעיה זו. אלו הם גלאי ניטרינו מהניסויים של KamLAND (יפן) ו-Borexino (איטליה). להלן נשקול את העיצוב של גלאי Borexino ואת התוצאות שהושגו על גלאי זה לרישום גיא-נייטרינו.

גלאי בורקסינו ורישום גיאו-נויטרינו

גלאי הנייטרינו בורקסינו ממוקם במרכז איטליה במעבדה תת קרקעית מתחת לרכס הרי גראן סאסו, שפסגות ההרים שלו מגיעות לגובה של 2.9 ק"מ (איור 2).

אורז. 2. פריסת מעבדת הניטרינו מתחת לרכס הרי גראן סאסו (מרכז איטליה)

Borexino הוא גלאי מסיבי לא מפולח שהמדיום הפעיל שלו הוא
280 טון מנצנץ נוזלי אורגני. מלא בו כלי כדורי ניילון בקוטר 8.5 מ' (איור 3). הניצוץ הוא פסאודוקומן (C 9 H 12) עם תוסף הספקטרום PPO (1.5 גרם/ליטר). האור מהניצוץ נאסף על ידי 2212 צינורות פוטו-מכפיל (PMTs) בגודל שמונה אינץ' המונחים על כדור נירוסטה (SSS).

אורז. 3. תרשים של גלאי בורקסינו

כלי ניילון עם פסאודוקומן הוא גלאי פנימי שתפקידו לרשום ניטרינו (אנטיאוטרינו). הגלאי הפנימי מוקף בשני אזורי חיץ קונצנטריים המגינים עליו מקרני גמא חיצוניות וניוטרונים. האזור הפנימי מלא במדיום לא מנצנץ המורכב מ-900 טון פסאודוקומן עם תוספי דימתיל פתלטים שמכבים את הניצוץ. האזור החיצוני ממוקם על גבי ה-SNS והוא גלאי צ'רנקוב מים המכיל 2000 טון מים טהורים במיוחד ומנתק אותות מיואונים הנכנסים למתקן מבחוץ. עבור כל אינטראקציה המתרחשת בגלאי הפנימי, נקבעים האנרגיה והזמן. כיול הגלאי באמצעות מקורות רדיואקטיביים שונים איפשר לקבוע במדויק מאוד את סולם האנרגיה שלו ואת מידת השחזור של אות האור.
בורקסינו הוא גלאי בעל טוהר קרינה גבוה מאוד. כל החומרים עברו בחירה קפדנית, והניצוץ טוהר כדי למזער רקע פנימי. בשל טוהר הקרינה הגבוה שלו, Borexino הוא גלאי מצוין לזיהוי אנטי-נייטרינו.
בתגובה (1), פוזיטרון נותן אות מיידי, שאחריו לאחר זמן מה לכידת נויטרון על ידי גרעין מימן, מה שמוביל להופעתו של γ-קוונטי עם אנרגיה של 2.22 MeV, היוצר אות מתעכב ביחס לראשון. בבורקסינו, זמן לכידת הנייטרונים הוא כ-260 מיקרומטר. האותות המיידיים והמושהים נמצאים בקורלציה במרחב ובזמן, ומאפשרים זיהוי מדויק של האירוע הנגרם על ידי e.
הסף לתגובה (1) הוא 1.806 MeV וכפי שניתן לראות באיור. 1, כל הגיאוניטרינו מהדעיכה של 40 K ו-235 U נמצאים מתחת לסף הזה, ורק חלק מהגיאוניטרינו שנוצרו בהתפרקות של 232 Th ו-238 U ניתן לרשום.
גלאי בורקסינו זיהה לראשונה אותות מגיאוטרינו בשנת 2010, ולאחרונה פורסמו תוצאות חדשות על סמך תצפיות לאורך 2056 ימים בין דצמבר 2007 למרץ 2015. להלן אנו מציגים את הנתונים שהתקבלו ואת תוצאות הדיון בהם, על סמך מאמר.
כתוצאה מניתוח הנתונים הניסויים, זוהו 77 מועמדים לאנטי-נייטרינו אלקטרונים שעמדו בכל קריטריוני הבחירה. הרקע מאירועים המדמים e הוערך כ- . לפיכך, יחס האות לרקע היה ≈100.
מקור הרקע העיקרי היו אנטי-נויטרינו בכור. עבור בורקסינו, המצב היה די נוח, מכיוון שאין כורים גרעיניים ליד מעבדת גראן סאסו. בנוסף, אנטי-נויטרינו בכור הם אנרגטיים יותר בהשוואה לגיאוטרינו, מה שאיפשר להפריד את האנטי-נויטרינו הללו מהפוזיטרון לפי גודל האות. תוצאות הניתוח של התרומות של גיאונטרינו ואנטי-נויטרינו בכור למספר הכולל של אירועים רשומים מ-e מוצגות באיור. 4. מספר הגיאו-נייטרינו הרשומים שניתן על ידי ניתוח זה (באיור 4 הם תואמים לאזור המוחשך) שווה ל . בספקטרום הגיאו-נויטרינו המופק כתוצאה מהניתוח, נראות שתי קבוצות - פחות אנרגטיות, אינטנסיביות יותר ויותר אנרגטיות, אינטנסיביות פחות. מחברי המחקר המתואר מקשרים את הקבוצות הללו עם ההתפרקות של תוריום ואורניום, בהתאמה.
הניתוח שנדון השתמש ביחס בין המסות של תוריום ואורניום בחומר של כדור הארץ
m(Th)/m(U) = 3.9 (בטבלה ערך זה הוא ≈3.8). נתון זה משקף את התוכן היחסי של יסודות כימיים אלו בכונדריטים, קבוצת המטאוריטים השכיחה ביותר (יותר מ-90% מהמטאורים שנפלו לכדור הארץ שייכים לקבוצה זו). מאמינים שהרכב הכונדריטים, למעט גזי אור (מימן והליום), חוזר על הרכב מערכת השמש והדיסק הפרוטו-פלנטרי שממנו נוצר כדור הארץ.

אורז. 4. ספקטרום של תפוקת אור מפוזיטרונים ביחידות של מספר הפוטואלקטרונים לאירועי מועמד אנטי-נייטרינו (נקודות ניסוי). האזור המוצל הוא תרומתם של גיאו-נייטרינו. הקו המוצק הוא התרומה של אנטי-נויטרינו בכור.

המקורות העיקריים לאנרגיה תרמית של כדור הארץ הם [, ]:

• חום של בידול כבידה;
• חום רדיוגני;
• חום חיכוך גאות ושפל;
• חום הצבירה;
• חום חיכוך המשתחרר עקב סיבוב הדיפרנציאלי של הליבה הפנימית ביחס לליבה החיצונית, הליבה החיצונית ביחס למעטפת ושכבות בודדות בתוך הליבה החיצונית.

עד כה, רק ארבעת המקורות הראשונים כומתו. בארצנו, הקרדיט העיקרי לכך מגיע ל O.G. סורוקטיןו S.A. אושאקוב. הנתונים להלן מבוססים בעיקר על חישובים של מדענים אלה.

חום ההתמיינות הכבידה של כדור הארץ

אחד הדפוסים החשובים ביותר בהתפתחות כדור הארץ הוא בידולהחומר שלו, שנמשך עד היום. עקב בידול זה התרחשה ההיווצרות ליבה וקרום, שינוי בהרכב הראשוני מַעֲטֶהבעוד שחלוקה של חומר הומוגני בתחילה לשברים בעלי צפיפות שונה מלווה בשחרור אנרגיית תרמית, ושחרור החום המרבי מתרחש כאשר החומר של כדור הארץ מחולק ל ליבה צפופה וכבדהושאריות קל יותרמעטפת סיליקט - מעטפת כדור הארץ. נכון לעכשיו, עיקר החום הזה משתחרר בגבול מעטפת - ליבה.

אנרגיה של בידול כבידתי של כדור הארץלאורך כל תקופת קיומו, הוא בלט - 1.46*10 38 ארג (1.46*10 31 J). האנרגיה הזו לרוב נכנס ראשון אנרגיה קינטיתזרמי הסעה של חומר המעטפת, ואז פנימה נעים; החלק השני שלו מושקע בתוספת דחיסה של פנים כדור הארץ, הנובעים עקב ריכוז שלבים צפופים בחלק המרכזי של כדור הארץ. מ 1.46*10 38 ארגהאנרגיה של הבידול הכבידתי של כדור הארץ נכנסה לדחיסה הנוספת שלו 0.23*10 38 ארג (0.23*10 31 י), והשתחרר בצורה של חום 1.23*10 38 ארג (1.23*10 31 י). גודלו של מרכיב תרמי זה עולה באופן משמעותי על השחרור הכולל של כל סוגי האנרגיה האחרים בכדור הארץ. התפלגות הזמן של הערך הכולל וקצב השחרור של המרכיב התרמי של אנרגיית הכבידה מוצגת באיור. 3.6 .

אורז. 3.6.

הרמה הנוכחית של יצירת חום במהלך הבידול הכבידתי של כדור הארץ היא 3*10 20 ארג/ש (3*10 13 W), שתלוי בגודל זרימת החום המודרנית העוברת דרך פני השטח של כוכב הלכת ב ( 4.2-4.3)*10 20 ארג/ש ((4.2-4.3)*10 13 W), הוא ~ 70% .

חום רדיוגני

נגרם על ידי ריקבון רדיואקטיבי של לא יציב איזוטופים. הכי עתיר אנרגיה ואורך חיים ( עם זמן מחצית חיים, בהתאמה לגיל כדור הארץ) הם איזוטופים 238U, 235U, 232 ה'ו 40K. הנפח העיקרי שלהם מרוכז ב קרום יבשתי. רמת הדור הנוכחית חום רדיוגני:

• מאת גיאופיזיקאי אמריקאי V. Vaquier - 1.14*10 20 ארג/ש (1.14*10 13 ואט) ,
• על ידי גיאופיזיקאים רוסים O.G. סורוקטיןו S.A. אושאקוב - 1.26*10 20 ארג/ש(1.26*10 13 ואט) .

זהו ~ 27-30% מזרימת החום הנוכחית.

מהכמות הכוללת של חום ריקבון רדיואקטיבי פנימה 1.26*10 20 ארג/ש (1.26*10 13 ואט) בקרום כדור הארץ בולט - 0.91*10 20 ארג/ש, ובמעטפת - 0.35*10 20 ארג/ש. מכאן נובע שחלקו של החום הרדיוגני של המעטפת אינו עולה על 10% מסך הפסדי החום המודרניים של כדור הארץ, והוא אינו יכול להיות מקור האנרגיה העיקרי לתהליכים טקטונו-מגמטיים פעילים, שעומקם יכול להגיע ל-2900 ק"מ; והחום הרדיוגני המשתחרר בקרום אובד במהירות יחסית דרך פני כדור הארץ ולמעשה אינו משתתף בחימום פנים העמוק של כדור הארץ.

בתקופות גיאולוגיות קודמות, כמות החום הרדיוגני שהשתחררה במעטפת הייתה בוודאי גבוהה יותר. הערכותיו בזמן היווצרות כדור הארץ ( לפני 4.6 מיליארד שנים) לתת - 6.95*10 20 ארג/ש. מאז, חלה ירידה מתמדת בקצב שחרור האנרגיה הרדיוגנית (איור. 3.7 ).

במשך כל הזמן בכדור הארץ, הוא שוחרר ~4.27*10 37 ארג(4.27*10 30 י) אנרגיה תרמית של דעיכה רדיואקטיבית, הנמוכה כמעט פי שלושה מהחום הכולל של התמיינות כבידה.

חום חיכוך גאות

הוא בולט במהלך האינטראקציה הכבידתית של כדור הארץ בעיקר עם הירח, כגוף הקוסמי הגדול הקרוב ביותר. עקב משיכה הדדית כבידה, נוצרים עיוותים של גאות ושפל בגופם - נְפִיחוּתאוֹ גבנוניות. דבשת הגאות והשפל של כוכבי הלכת, עם משיכה נוספת שלהם, משפיעות על תנועתם. לפיכך, המשיכה של שתי דבשות הגאות של כדור הארץ יוצרת זוג כוחות הפועלים הן על כדור הארץ עצמו והן על הירח. עם זאת, השפעת הנפיחות הקרובה, הפונה לירח, חזקה במקצת מזו של הרחוק. בשל העובדה שמהירות הסיבוב הזוויתית של כדור הארץ המודרני ( 7.27*10 -5 ש' -1) עולה על מהירות המסלול של הירח ( 2.66*10 -6 ש' -1), והחומר של כוכבי הלכת אינו אלסטי באופן אידיאלי, אז נראה שגבשושי הגאות של כדור הארץ נסחפים על ידי סיבובו קדימה ומקדמות באופן ניכר את תנועת הירח. זה מוביל לעובדה שהגאות והשפל המקסימלית של כדור הארץ תמיד מתרחשת על פני השטח שלו מעט מאוחר יותר מהרגע רגע השיאירח, ורגע נוסף של כוח פועל על כדור הארץ והירח (איור. 3.8 ) .

הערכים האבסולוטיים של כוחות האינטראקציה הגאות והשפל במערכת כדור הארץ-ירח קטנים יחסית ועיוותי הגאות והשפל של הליתוספירה הנגרמים על ידם יכולים להגיע רק לכמה עשרות סנטימטרים, אך הם מובילים להאטה הדרגתית של סיבוב כדור הארץ ולהפך, להאצה של תנועת המסלול של הירח ולמרחק שלו מכדור הארץ. האנרגיה הקינטית של תנועת דבשות הגאות והשפל של כדור הארץ הופכת לאנרגיה תרמית עקב החיכוך הפנימי של החומר בגבשושיות הגאות.

נכון לעכשיו, קצב שחרור אנרגיית הגאות והשפל הוא ג'י מקדונלדמסתכם ב ~0.25*10 20 ארג/ש (0.25*10 13 W), בעוד שחלקו העיקרי (בערך 2/3) הוא ככל הנראה מתפוגג(מתפוגג) בהידרוספירה. כתוצאה מכך, החלק של אנרגיית הגאות והשפל שנגרם על ידי האינטראקציה של כדור הארץ עם הירח והתפוגג ב אדמה מוצקה(בעיקר באסתנוספירה), אינו עולה 2 % אנרגיה תרמית כוללת שנוצרת במעמקיה; וחלקם של הגאות והשפל השמש אינו עולה 20 % מהשפעות הגאות והשפל של הירח. לכן, גאות ושפל מוצקים כיום כמעט ולא ממלאים תפקיד בהזנת תהליכים טקטוניים באנרגיה, אלא ב במקרים מסוימיםיכולים לפעול כ"טריגרים", כגון רעידות אדמה.

כמות אנרגיית הגאות והשפל קשורה ישירות למרחק בין עצמים בחלל. ואם המרחק בין כדור הארץ לשמש אינו מניח שינויים משמעותיים בסולם הזמן הגיאולוגי, אז במערכת כדור הארץ-ירח פרמטר זה הוא ערך משתנה. ללא קשר לרעיונות על כמעט כל החוקרים מודים בכך שלבים מוקדמיםהתפתחות כדור הארץ, המרחק לירח היה קטן משמעותית מהמודרני, אך בתהליך ההתפתחות הפלנטרית, לפי רוב המדענים, הוא גדל בהדרגה, ולפי יו.נ. אבסיוקוהמרחק הזה חווה שינויים ארוכי טווח בצורה של מחזוריות "בא והולך" של הירח. מכאן נובע שבעידנים גיאולוגיים עברו תפקידו של חום הגאות במאזן החום הכולל של כדור הארץ היה משמעותי יותר. באופן כללי, לאורך כל תקופת התפתחות כדור הארץ, הוא התפתח ~3.3*10 37 ארג (3.3*10 30 י) אנרגיית חום גאות ושפל (זה כפוף להסרה רצופה של הירח מכדור הארץ). השינוי בקצב השחרור של חום זה לאורך זמן מוצג באיור. 3.10 .

יותר ממחצית מכלל אנרגיית הגאות והשפל השתחררה פנימה catarchaea (לְחַרְבֵּן)) - לפני 4.6-4.0 מיליארד שנים, ובאותה תקופה רק בזכות אנרגיה זו כדור הארץ יכול היה להתחמם בנוסף ב-500 0 C. החל מהארכאה המאוחרת, לגאות הירח הייתה השפעה זניחה בלבד על ההתפתחות תהליכים אנדוגניים עתירי אנרגיה .

חום הצבירה

זהו החום שנשמר על ידי כדור הארץ מאז היווצרותו. בתהליך הִצטַבְּרוּת, שנמשכה כמה עשרות מיליוני שנים, הודות להתנגשות פלנטזימליםכדור הארץ חווה חימום משמעותי. עם זאת, אין הסכמה לגבי גודל החימום הזה. נכון לעכשיו, חוקרים נוטים להאמין שבמהלך תהליך ההצטברות חווה כדור הארץ, אם לא מלא, אז התכה חלקית משמעותית, שהובילה להתמיינות ראשונית של פרוטו-כדור הארץ לגרעין ברזל כבד ולמעטפת סיליקט קלה, וכן הגיבוש "אוקיינוס ​​מאגמה"על פני השטח שלו או בעומקים רדודים. אמנם עוד לפני שנות ה-90, המודל של כדור הארץ ראשוני קר יחסית, שהתחמם בהדרגה עקב התהליכים הנ"ל, מלווה בשחרור של כמות משמעותיתאנרגיית תרמית.

הערכה מדויקת של חום הצבירה הראשוני וחלקו שנשמר עד היום קשורה לקשיים משמעותיים. על ידי O.G. סורוקטיןו S.A. אושאקוב, התומכים בכדור הארץ הראשוני הקר יחסית, כמות אנרגיית ההצטברות המומרת לחום היא - 20.13*10 38 ארג (20.13*10 31 י). אנרגיה זו, בהיעדר איבוד חום, תספיק עבור אידוי מוחלטחומר ארצי, כי הטמפרטורה עלולה לעלות 30,000 0 С. אבל תהליך ההצטברות היה ארוך יחסית, והאנרגיה של פגיעות פלנטזימלית שוחררה רק בשכבות הקרובות לפני השטח של כדור הארץ הגדל ואבדה במהירות עם קרינה תרמית, כך שהחימום הראשוני של כוכב הלכת לא היה גדול. גודל זה קרינה תרמית, הולך במקביל להיווצרות (הצטברות) של כדור הארץ, מחברים אלה מעריכים ב 19.4*10 38 ארג (19.4*10 31 י) .

במאזן האנרגיה המודרני של כדור הארץ, סביר להניח שחום ההצטברות משחק תפקיד קטן.