Jeotermal gradyan - Geothermal gradient

İç Dünya'nın sıcaklık profili, şematik görünüm ( tahmini ).

Jeotermal gradyan , Dünya'nın iç kısmında artan derinliğe göre sıcaklık değişim oranıdır . Genel bir kural olarak, çok daha sıcak olan mantodan gelen ısı akışı nedeniyle kabuk sıcaklığı derinlikle birlikte artmaktadır ; tektonik levha sınırlarından uzakta, sıcaklık dünyanın çoğu yerinde yüzeye yakın yaklaşık 25–30 °C/km (72–87 °F/mi) derinlikte yükselir. Bununla birlikte, bazı durumlarda, özellikle yüzeye yakın yerlerde, artan derinlikle birlikte sıcaklık düşebilir; bu, ters veya negatif jeotermal gradyan olarak bilinen bir olgudur . Kesin konuşmak gerekirse, jeotermal zorunlu olarak Dünya'ya atıfta bulunur, ancak kavram diğer gezegenlere uygulanabilir. Literatürde bulunan yaygın SI birimlerinden bazıları °C/km, °K/km ve °mK/m'dir, hepsi eşdeğerdir.

Dünyanın iç ısısı , gezegensel birikimden kalan artık ısı, radyoaktif bozunma yoluyla üretilen ısı, çekirdek kristalleşmesinden gelen gizli ısı ve muhtemelen diğer kaynaklardan gelen ısının bir kombinasyonundan gelir . Yeryüzündeki başlıca ısı üreten nüklidler potasyum-40 , uranyum-238 , uranyum-235 ve toryum-232'dir . İç çekirdek 7000 K 4000 aralığında sıcaklıklara sahip olduğu düşünülmektedir ve gezegen merkezinde basınç yaklaşık 360 olduğu düşünülmektedir  GPa (3,6 milyon atm). (Tam değer, dünyadaki yoğunluk profiline bağlıdır.) Isının çoğu radyoaktif bozunma ile sağlandığından, bilim adamları, dünya tarihinin erken dönemlerinde, yarı ömürleri kısa olan nüklidler tükenmeden önce , Dünya'nın ısı üretiminin çok daha yüksek olmuştur. Isı üretimi yaklaşık 3 milyar yıl önce günümüzün iki katıydı, bu da dünya içinde daha büyük sıcaklık gradyanlarına, daha büyük manto konveksiyonu ve levha tektoniği oranlarına neden olarak artık oluşmayan komatiitler gibi magmatik kayaların üretilmesine izin verdi .

Jeotermal gradyanın tepesi atmosferik sıcaklıktan etkilenir . Katı gezegenin en üst katmanları, yerel hava koşullarının ürettiği sıcaklıktadır ve sığ bir derinlikte yaklaşık olarak yıllık ortalama ortalama sıcaklığa (MATT) düşer; çoğu toprak kaynaklı ısı pompası için kullanılan , bazen sıradan insanlar tarafından "jeotermal ısı pompaları" olarak adlandırılan derinlik budur . En üstteki yüzlerce metre geçmişteki iklim değişikliğini yansıtır; daha da alçaldıkça, iç ısı kaynakları hakim olmaya başladıkça sıcaklık istikrarlı bir şekilde artar.

Isı kaynakları

Çekirdekten ekzosfere dünya kesiti
Wisconsin, ABD'de jeotermal sondaj makinesi

Yerin içindeki sıcaklık derinlikle artar. Tektonik plakaların kenarlarında, 650 ila 1.200 °C (1.200 ila 2.200 °F) arasındaki sıcaklıklarda oldukça viskoz veya kısmen erimiş kaya bulunur, bu da civardaki jeotermal gradyanı arttırır, ancak yalnızca dış çekirdeğin erimiş bir ortamda var olduğu varsayılır. veya sıvı haldedir ve Dünya'nın iç çekirdek/dış çekirdek sınırındaki sıcaklığın, yaklaşık 3.500 kilometre (2.200 mi) derinlikte, 5650 ± 600 Kelvin olduğu tahmin edilmektedir . Dünyanın ısı içeriği 10 31 joule'dür .

  • Isının çoğu, doğal olarak radyoaktif elementlerin bozunmasıyla oluşur. Dünya'dan kaçan ısının tahmini yüzde 45 ila 90'ı, esas olarak mantoda bulunan elementlerin radyoaktif bozunmasından kaynaklanmaktadır.
  • Daha da bölünebilecek yerçekimi potansiyel enerjisi:
  • Sıvı olarak piyasaya latent ısı dış çekirdek kristalize en iç merkez sınırı.
  • Dünya dönerken gelgit kuvvetleri tarafından ısı üretilebilir (açısal momentumun korunumu). Ortaya çıkan dünya gelgitleri , Dünya'nın iç kısmındaki enerjiyi ısı olarak dağıtır.
  • Bazı çağdaş halk teorilerinin önerdiği gibi , Dünya'nın manyetik alanı tarafından herhangi bir önemli ısı yaratılabileceğini öne süren saygın bir bilim yoktur .
Radyojenik ısı çürüme 238 U ve 232 Th şimdi önemli katkıda bulunacaktır yeryüzünün iç ısı bütçesi .

Dünya'nın kıtasal kabuğunda, doğal radyoaktif çekirdeklerin bozunması jeotermal ısı üretimine önemli bir katkı sağlar. Kıtasal kabuk düşük yoğunluklu minerallerde bol miktarda bulunur, ancak aynı zamanda uranyum gibi önemli konsantrasyonlarda daha ağır litofilik elementler içerir. Bu nedenle, Dünya'da bulunan en yoğun küresel radyoaktif element rezervuarına sahiptir. Doğal olarak oluşan radyoaktif elementler, granit ve bazaltik kayaçlarda, özellikle Dünya yüzeyine daha yakın katmanlarda zenginleştirilmiştir. Bu yüksek seviyelerdeki radyoaktif elementler, manto minerallerinde ikame edilememeleri ve buna bağlı olarak manto erime süreçleri sırasında eriyiklerdeki zenginleşmeleri nedeniyle Dünya'nın mantosundan büyük ölçüde dışlanır. Manto çoğunlukla magnezyum (Mg), titanyum (Ti) ve kalsiyum (Ca) gibi nispeten küçük atom yarıçaplarına sahip elementlerin daha yüksek konsantrasyonlarına sahip yüksek yoğunluklu minerallerden oluşur.

Günümüzün başlıca ısı üreten nüklidleri
nüklid Isı salınımı

[W/kg nüklid]

Yarım hayat

[yıl]

Ortalama manto konsantrasyonu

[kg nüklid/kg manto]

Isı salınımı

[W/kg manto]

238 U 9,46 × 10 -5 4.47 × 10 9 30,8 × 10 −9 2,91 × 10 −12
235 U 56.9 × 10 -5 0.704 × 10 9 0,22 × 10 -9 0.125 × 10 −12
232 Bin 2.64 × 10 -5 14.0 × 10 9 124 × 10 -9 3,27 × 10 −12
40 bin 2,92 × 10 -5 1.25 × 10 9 36,9 × 10 −9 1.08 × 10 −12

Jeotermal gradyan, litosferde mantodan daha diktir, çünkü manto ısıyı öncelikle konveksiyonla taşır, bu da litosferde baskın olan iletken ısı transfer süreçlerinden ziyade manto adiabat tarafından belirlenen bir jeotermal gradyana yol açar. konveksiyon mantosunun bir termal sınır tabakası olarak.

Isı akışı

Isı, Dünya içindeki kaynaklarından sürekli olarak yüzeye akar. Dünya'dan toplam ısı kaybının 44,2 TW ( 4,42 × 10 13 Watt ) olduğu tahmin edilmektedir . Ortalama ısı akışı 65 mW / m 2 üzerinde kıtasal kabuk ve 101 mW / m 2 üzerinde okyanus kabuğu . Bu, ortalama olarak 0.087 watt/metrekaredir (Dünya tarafından emilen güneş enerjisinin yüzde 0.03'ü), ancak okyanus ortası sırtları (yeni okyanus litosferinin yaratıldığı) gibi litosferin ince olduğu alanlarda çok daha yoğundur. manto tüyleri . Yerkabuğu , altındaki ısıyı serbest bırakmak için sıvı kanalları (magma, su veya diğer) tarafından delinmesi gereken kalın bir yalıtım örtüsü görevi görür. Dünya'daki ısının daha fazlası, okyanus ortası sırtlarla ilişkili manto yükselmesiyle plaka tektoniği yoluyla kaybedilir. Isı kaybının diğer önemli modu gereğidir iletim yoluyla litosfer , çoğunluğu nedeniyle kabuk orada olmak çok daha ince ve kıtalar altında daha genç için okyanuslarda meydana gelir.

Dünya'nın ısısı, 30 TW oranında radyoaktif bozunma ile yenilenir. Küresel jeotermal akış hızları, tüm birincil kaynaklardan insan enerji tüketiminin iki katından fazladır. Isı akışı yoğunluğuna ilişkin küresel veriler, IASPEI / IUGG'nin Uluslararası Isı Akışı Komisyonu (IHFC) tarafından toplanır ve derlenir .

Doğrudan uygulama

Dünya'nın içinden gelen ısı, jeotermal enerji olarak bilinen bir enerji kaynağı olarak kullanılabilir . Jeotermal gradyan, antik Roma döneminden beri mekan ısıtma ve banyo yapmak için ve daha yakın zamanlarda elektrik üretmek için kullanılmıştır. İnsan nüfusu artmaya devam ettikçe, enerji kullanımı ve küresel birincil enerji kaynaklarıyla tutarlı olan ilişkili çevresel etkiler de artmaktadır. Bu, yenilenebilir ve sera gazı emisyonlarını azaltan enerji kaynakları bulma konusunda artan bir ilgiye neden oldu . Jeotermal enerji yoğunluğunun yüksek olduğu alanlarda, mevcut teknoloji, karşılık gelen yüksek sıcaklıklar nedeniyle elektrik enerjisi üretimine izin verir. Jeotermal kaynaklardan elektrik enerjisi üretmek, yakıt gerektirmezken, sürekli olarak %90'ı aşan bir güvenilirlik oranında gerçek temel yük enerjisi sağlar. Jeotermal enerjiyi çıkarmak için, bir jeotermal rezervuardan ısıyı , bir jeneratöre bağlı bir türbinden buhar geçirerek elektrik enerjisinin ısıdan dönüştürüldüğü bir enerji santraline verimli bir şekilde aktarmak gerekir . Jeotermal ısıyı elektriğe dönüştürme verimliliği, ısıtılan akışkan (su veya buhar) ile ortam sıcaklığı arasındaki sıcaklık farkına bağlıdır, bu nedenle derin, yüksek sıcaklıklı ısı kaynaklarının kullanılması avantajlıdır. Dünya çapında bir ölçekte, Dünya'nın iç kısmında depolanan ısı, hala egzotik bir kaynak olarak görülen bir enerji sağlıyor. 2007 itibariyle dünya çapında yaklaşık 10 GW jeotermal elektrik kapasitesi kuruludur ve küresel elektrik talebinin %0,3'ünü oluşturur. Bölgesel ısıtma, alan ısıtma, kaplıcalar, endüstriyel prosesler, tuzdan arındırma ve tarımsal uygulamalar için ek 28 GW doğrudan jeotermal ısıtma kapasitesi kurulur.

Varyasyonlar

Jeotermal gradyan konuma göre değişir ve tipik olarak sondaj kuyusu açıldıktan sonra dip açık delik sıcaklığı belirlenerek ölçülür . Ancak sondajdan hemen sonra elde edilen sıcaklık günlükleri, sondaj sıvısı sirkülasyonu nedeniyle etkilenir. Kuyu dibi sıcaklık tahminlerinin doğru bir şekilde elde edilebilmesi için kuyunun sabit sıcaklığa ulaşması gerekir. Bu, pratik nedenlerle her zaman elde edilemez.

Tropiklerdeki kararlı tektonik alanlarda, bir sıcaklık- derinlik grafiği, yıllık ortalama yüzey sıcaklığına yakınsar. Bununla birlikte, Pleistosen sırasında derin permafrost'un geliştiği bölgelerde , birkaç yüz metreye kadar devam eden düşük sıcaklık anomalisi gözlemlenebilir. Suwałki anomali soğuk Polonya Pleistocene- ilgili benzer termal bozuklukları tanınmasına yol açmıştır Holosen iklim değişiklikleri yanı olduğu gibi, Polonya boyunca sondaj kuyularında kaydedilmektedir Alaska , Kuzey Kanada ve Sibirya .

300px-Geothermgradients.png

Holosen yükselme ve erozyon alanlarında (Şekil 1) sığ gradyan, stabilize ısı akışı rejimine ulaştığı bir noktaya (şekilde "Bükülme noktası" olarak etiketlenmiştir) ulaşana kadar yüksek olacaktır. Stabilize rejimin eğimi, bu noktanın üzerinde, günümüzün yıllık ortalama sıcaklığı ile kesiştiği noktaya yansıtılırsa, bu kesişimin günümüz yüzey seviyesinin üzerindeki yüksekliği, Holosen yükselme ve erozyonunun kapsamının bir ölçüsünü verir. Holosen çökme ve çökelme alanlarında (Şekil 2) başlangıç ​​gradyanı, stabilize edilmiş ısı akışı rejimine katıldığı bir noktaya ulaşana kadar ortalamadan daha düşük olacaktır.

Yüzey sıcaklığındaki günlük, mevsimsel veya iklim değişiklikleri ve Milankovitch döngüsünden kaynaklanan değişiklikler , Dünya yüzeyinin altına nüfuz eder ve jeotermal gradyanda bir günden on binlerce yıla kadar değişen periyotlarla bir salınım üretir ve derinlikle azalır. En uzun dönemli varyasyonlar, birkaç kilometrelik bir ölçek derinliğine sahiptir. Okyanus dipleri boyunca akan kutup buzullarından gelen erimiş su , Dünya yüzeyi boyunca sabit bir jeotermal gradyan koruma eğilimindedir.

Sığ sondajlarda gözlemlenen derinlikle birlikte sıcaklık artışının hızı daha büyük derinliklerde devam ederse, Dünya'nın derinliklerindeki sıcaklıklar yakında kayaların eriyeceği noktaya ulaşacaktır. Bununla birlikte, S dalgalarının iletimi nedeniyle Dünya'nın mantosunun katı olduğunu biliyoruz . Sıcaklık gradyanı, iki nedenden dolayı derinlikle önemli ölçüde azalır. İlk olarak, termal taşınım mekanizması , katı tektonik plakalarda olduğu gibi iletimden , Dünya'nın mantosunun konveksiyon yapan kısmında konveksiyona değişir . Katılığına rağmen , Dünya'nın mantosunun çoğu, uzun zaman ölçeklerinde bir akışkan gibi davranır ve ısı, adveksiyon veya malzeme taşınması ile taşınır. İkincisi, uranyum , toryum ve potasyum konsantrasyonları en yüksek seviyede olduğundan , radyoaktif ısı üretimi Dünya'nın kabuğunda ve özellikle kabuğun üst kısmında yoğunlaşmıştır : bu üç element, Dünya'daki ana radyoaktif ısı üreticileridir. . Bu nedenle, Dünya'nın manto kütlesi içindeki jeotermal gradyan, kilometre başına 0,5 kelvin mertebesindedir ve manto malzemesiyle ( üst mantodaki peridotit ) ilişkili adyabatik gradyan tarafından belirlenir .

Negatif jeotermal gradyan

Negatif jeotermal gradyanlar, sıcaklığın derinlikle azaldığı yerlerde meydana gelir. Bu, yüzeye yakın üst birkaç yüz metrede meydana gelir. Kayaların düşük termal yayılımı nedeniyle, derin yeraltı sıcaklıkları günlük ve hatta yıllık yüzey sıcaklık değişimlerinden pek etkilenmez. Birkaç metre derinlikte, yeraltı sıcaklıkları bu nedenle yıllık ortalama yüzey sıcaklığına benzer. Daha derinlerde, yeraltı sıcaklıkları geçmiş iklime göre uzun vadeli bir ortalamayı yansıtır, böylece onlarca ila yüzlerce metre arasındaki derinliklerdeki sıcaklıklar, son yüz ila binlerce yılın iklimi hakkında bilgi içerir. Konuma bağlı olarak, son buzul çağına yakın daha soğuk hava nedeniyle veya daha yakın tarihli iklim değişikliği nedeniyle bunlar mevcut sıcaklıklardan daha soğuk olabilir .

Negatif jeotermal gradyanlar, derin sulardan konveksiyon ve adveksiyon yoluyla ısı transferinin, bitişik kayaları biraz daha derin bir seviyedeki kayalardan daha yüksek bir sıcaklığa ısıtmasıyla sonuçlandığı derin akiferler nedeniyle de meydana gelebilir .

Negatif jeotermal gradyanlar da yitim bölgelerinde büyük ölçeklerde bulunur. Bir yitim bölgesi, okyanusal levhanın altta yatan mantoya göre yüksek yoğunluğu nedeniyle okyanus kabuğunun mantoya battığı bir tektonik levha sınırıdır. Batan levha, mantoya yılda birkaç santimetre hızla girdiğinden, ısı iletimi levhayı battığı kadar hızlı ısıtamaz. Bu nedenle, batan plaka, çevreleyen mantodan daha düşük bir sıcaklığa sahiptir ve bu da negatif bir jeotermal gradyan ile sonuçlanır.

Ayrıca bakınız


Referanslar

"Jeotermal Kaynaklar" . DOE/EIA-0603(95) Arka Plan Bilgileri ve 1990 Temel Verileri İlk Olarak 1995 Yenilenebilir Enerji Yıllığında Yayınlandı . 4 Mayıs 2005'te alındı .