Процессы генерации и передачи тепла

Вероятные источники тепла в Почвы:

1. Долгоживущие радиоактивные изотопы.

Ранее мы узнали, что долгоживущие радиоактивные изотопы игрались громадную роль при первичном разогреве Почвы. За 1-ый млрд. лет температура Почвы должна была повыситься до 700ºС. А за целый период существования Почвы – до 1800ºС.

Исходя из этого был сделан вывод о том, что вклад долгоживущих радиоактивных изотопов может растолковать лишь часть начального разогрева Почвы. Следовательно, должны существовать и другие источники тепла в Почвы.

2. Короткоживущие радиоактивные изотопы.

К ним относятся изотопы Al26, Cl36, Te60. самые важным из них есть

Al26. Период его полураспада равен 0.73 млн. лет и в начальный период существования планеты Земля данный изотоп мог быть источником большого количества тепла в течение приблизительно 10 млн. лет. В случае если же формирование Почвы длилось около 100 млн. лет, тогда распад короткоживущих изотопов имел возможность нагреть лишь 10% количества недр первичной Почвы.

3. Тепло, запасенное при образовании Почвы.

Вклад в разогрев Почвы имели возможность внести следующих два процесса:

а) высвобождение кинетической энергии при ударах протопланетных частиц, сталкивающихся с растущей Почвой, и

б) адиабатическое сжатие, сопровождавшееся постепенным ростом температуры.

Практически вся энергия соударения малых тел с растущей Почвой рассеивается в виде тепла в близи от сталкивающихся тел и излучается в пространство. Предполагают, что только 0.1% энергии соударений поглощается Почвой, что может поднять температуру Почвы только на 30ºС.

Более значительное повышение температуры даёт адиабатическое сжатие, неспешно возрастающее по мере агломерации частиц. В случае если давление в центре Почвы в следствии аккреции стало равняется 3000 бар, то при адиабатическом градиенте температура в центре Почвы в ходе слипания частиц должна была подняться на 900ºС с постепенным уменьшением её к поверхности.

4. Преобразование энергии вращения Почвы в тепло.

Вероятным источником внутреннего тепла возможно диссипация энергии вращения Почвы, по мере того как вращение замедляется из-за приливного сотрудничества с Луной и в меньшей степени с Солнцем. Расчеты говорят о том, что если бы всё приливное тепло поглощалось в теле Почвы, то температура в её недрах достигла бы 2000ºС. Иначе, если бы 90% энергии диссипировало в небольших морях, температура встала бы лишь на 200ºС.

К сожалению, нет точных информации о том, как делятся утраты энергии между приливами в океанах и в жёсткой Почва.

5. Образование ядра.

В большинстве случаев считают, что Почва появилась в ходе аккреции приблизительно однородного материала. Кора, ядро и мантия выделились потом в ходе разделения вещества. Образование ядра должно было высвободить много гравитационной энергии благодаря концентрации железо-никелевой фазы высокой плотности в центре Почвы.

Тозер оценил суммарное изменение энергии напряжений и гравитационной энергии при образовании ядра из вещества первоначально недифференцированной Почвы. Он отыскал, что выделившееся тепло в количестве 94% должно было разогреть Землю до 1500ºС. Полное тепло, появившееся при выделении ядра сопоставимо с суммарным теплом радиоактивного распада долгоживущих изотопов, выделившемся за всю историю Почвы.

Перенос тепла в почве (теплопередача)

1. Теплопроводность.

Бoльшая часть теряемого Почвой тепла достигает поверхности при помощи теплопроводности пород земной коры. Расчеты говорят о том, что в этом случае геотермический градиент должен быть 25ºС/км. Тогда на глубине 100 км температура должна быть 2500ºС и привести к широкому плавлению мантии, что не имеет места.

Иначе, как мы знаем, что на глубинах порядка 60 км температура в отдельных местах обязана достигать 1200ºС, дабы образовать базальтовую магму. Исходя из этого перед тем, как достигнуть глубины 100 км, геотермический градиент обязан уменьшиться приблизительно на порядок. Выполаживание кривой зависимости температуры от глубины возможно растолковать или концентрацией внутренних источников тепла вблизи поверхности Почвы, или более действенным механизмом переноса тепла, чем несложная теплопроводность, или совместным действием этих обстоятельств.

(Коэффициент теплопроводности жёстких и жидких тел – это величина, равная отношению плотности теплового потока через изотермическую поверхность к градиенту температуры)

, Вт/(м·град)

Тут единицами измерения являются для Q — Вт/м2, а для grad T — град/м,

P.S.1 вт = 107эрг/сек = 0.862 ккал/час.

2. Перенос тепла экситонами и лучеиспусканием.

При температурах выше 800…1500ºС большое количество тепла передаётся через породу лучеиспусканием. В следствии лучистого переноса коэффициент теплопроводности возрастает на дополнительную величину Kr:

где n – показатель преломления;

s – постоянная Стефана-Больмана;

е – коэффициент непрозрачности;

Т – температура.

Как видно, эффективность лучистого переноса тепла связана с прозрачностью, например, силикатных минералов к несущим тепловую энергию красным лучам видимого спектра и инфракрасным лучам.

Вероятен и второй механизм переноса тепла, увеличивающий действенную теплопроводность при больших температурах. Тепло может переноситься «экситонами». Нейтральные атомы возбуждаются радиацией, энергия которой недостаточна для образования свободных электронов. Энергия атома передаётся соседнему атому.

Наряду с этим появляется перенос тепла.

Не исключается, что в некоторых областях мантии ниже 100 км интенсивность экситоновой теплопроводности равна, а возможно и больше интенсивности лучистой теплопроводности.

Так, в полной мере возможно, что теплопроводность верхней мантии глубже 100 км на порядок выше, чем у поверхности. Повышение теплопроводности возможно позвано лучистым и экситоновым переносом тепла. Исходя из этого геотермический градиент на этих глубинах меньше.

Повышение теплопроводности с глубиной может закончиться в переходной территории мантии и ниже из-за повышения непрозрачности.

3. Перенос тепла тепловой конвекцией.

Тепловая конвекция в жидкой среде может вынести наверх много тепла кроме того при относительно маленьком температурном градиенте. По-видимому, как раз конвекцией передаётся тепло вверх через внешнее ядро.

Ответственная геотермическая роль конвекции пребывает в том, что тепло из недр Почвы возможно вынесено к поверхности значительно стремительнее, чем при помощи теплопроводности.

Вторым видом стремительной теплопередачи к поверхности Почвы возможно «проникающая» конвекция. Это наименование относится к направленным вверх течениям разогретых жидкостей с малой плотностью. Таковы, к примеру, течения магмы либо гидротермальных растворов в уплотнённой пористой среде.

Данный процесс необратим, и магма либо тёплая вода остаются на земной поверхности либо вблизи неё. Таков, возможно, главный путь выноса тепла наверх в геотермальных регионах, включая и океанические подводные хребты.