Энергетика Земли

 

Энергетика Земли

Геофизические исследования и теория образования Земли из протопланетного газопылевого облака дают основания считать, что в формировании неоднородной Земли участвовали в основном три энергетически мощных процесса: гравитационная дифференциация глубинного вещества по плотности, процесс распада радионуклидов и процесс приливного взаимодействия  Земли и Луны.

Процесс гравитационной аккреции первичного вещества Земли длился 108 лет и завершился к моменту 4.6×109 лет тому назад. К этому времени сформировалась первичная и в среднем слоисто-однородная по составу Земля. Одновременно происходило сжатие земных недр, на что тратилась определенная энергия.

Энергию аккреции Земли Еа и ее первичного формирования рассчитывают по формуле потенциальной энергии

 ,

где f =6,67×10-8 см3×с2 – гравитационная постоянная; R = 6,37×108см – радиус Земли; rа(r)  – распределение плотности вещества недр Земли к моменту 4,6×109 лет; m(r) – масса вещества, заключенная в сфере радиуса r.

По оценкам, приведенным в работе (Сорохтин, Ушаков, 1991), энергия аккреции Земли равна Еа=23,61×1038эрг.

Энергию сжатия Земли Ес к моменту 4.6×109 лет вычисляют как разность энергии аккреции Еа и потенциальной энергии Е0 = 20,13×1038эрг, рассчитанной для гидростатически равновесной Земли со средней плотностью r0=4,0 г/см3 и общей массой М=5,98×1027г;  при этом получено

Ес = Еа – Е0 = 23,61×1038 – 20,13×1038 = 3,48×1038эрг.

В процессе аккреции и сжатия Земли, продолжавшегося 108 лет, интенсивного разогрева вещества не происходило из-за существенного теплового излучения планеты.

Дальнейшее формирование земных недр, т.е. начиная с 4,6×109 лет назад до сегодняшних дней, рассматривается как геологическая стадия.

За время с 4.6×109 лет до 4.0×109 лет, называемом катархеем (600 млн лет), в недрах Земли происходила интенсивная  гравитационная дифференциация вещества по плотности, а ее энергетический баланс дополнялся радиогенной энергией и энергией приливных источников. В результате этих процессов к моменту 4,0×109 лет образовалось окисно-железное ядро Земли и силикатная оболочка (мантия), а энергия Еям Земли равнялась 23,29×1038эрг.

Поскольку энергия современной Земли Есз при распределении плотностей, указанных на рис.9, равняется 24,75×1038эрг, то не трудно найти энергию гравитационной дифференциации Земли за период с 4,0×109 лет до настоящего времени:

 

Егд = Есз    Еям = 24,75×1038 – 23,29×1038 = 1,46×1038эрг.

 

Эта потенциальная энергия переходит как в кинетическую энергию,  обеспечивая конвективные течения мантийного вещества, так и расходуется на дополнительное сжатие земных недр. При этом в процессе формирования ядра на дополнительное сжатие земных недр ушло 0,23×1038эрг, а на выделение тепла 1,23×1038эрг энергии гравитационной дифференциации.

Расчеты показывают, что максимум выделения энергии гравитационной дифференциации приходится на эпоху позднего архея, к которому по геологическим данным, приурочена наибольшая тектоническая активность.

Перейдем теперь к оценке энергии распада радиоактивных элементов в Земле. Современный уровень генерации радиогенной энергии оценивается следующими числами: для Земли в целом – 1,26×1020 эрг/с, в мантии – 0,35×1020 эрг/с, в земной коре 0,91×1020 эрг/с. При этом в земной коре радиоактивные элементы концентрируются в основном в ее верхнем гранито-метаморфическом слое. Тем самым практически они не участвуют в разогреве мантийного вещества, а генерируемое ими тело выносится через земную поверхность.

По оценкам в первичной Земле выделялось около 6,95×1020 эрг/с радиогенной энергии, в первичной мантии – около 4,5×1020 эрг/с. Предполагается, что уменьшение радиогенной генерации с течением времени шло по экспоненте до указанных выше величин. Интегрируя по времени генерацию радиогенной энергии, получим, что в целом в Земле за время 4,6×109 лет выделилось 4,27×1027 эрг радиогенной энергии, в катархее (за 600 млн лет) – 1,13×1037 эрг, за архей (с 4×109 до 2,6×109 лет назад) – 1,65×1037 эрг, причем в мантии 1,24×1037 эрг и в земной коре – 0,41×1037 эрг. За остальное время (т.е. за 2,6×109 лет) в мантии выделилось 0,61×1037 эрг.

Рассмотрим третий энергетический процесс – энергию приливного торможения Земли Луной. На рис. 18 показана схема взаимодействия Земли и Луны. Если бы Земля была бы упругим шаром  и не вращалась, а Луна находилась бы  в одной и той же точке относительно Земли, то в силу закона притяжения упругий шар Земли растягивался бы в эллипсоид и по линии, соединяющей центры планет, возникали бы «приливные» горбы (на рис. – штриховой эллипс). В силу же движения планет, причем из-за того, что Земля вращается с существенно большей угловой скоростью w3 = 7,27×10-5с-1, чем Луна обращается вокруг Земли (wл = 2,66×10-6с-1), и потому, что Земля не является идеально упругим телом, приливный горб будет опережать кульминационное положение Луны (см. рис.18, где эллипсоид показан сплошной линией). Возникающий при этом расклад гравитационных сил будет таковым, что гравитационные силы, порожденные приливным горбом (F), будут тормозить вращение Земли (как известно, вековое замедление скорости вращения Земли равно -5×10-22с-2), а соответствующие силы, воздействующие на Луну (f) будут ускорять ее орбитальное движение вокруг Земли.

Современные значения приливной энергии рассчитываются по формулам (Сорохтин, Ушаков, 1991):


,    ,

где I = 8,03×1044 г×см2 – момент инерции Земли; М = 5,98×1027г – масса Земли; m = 7,35×1025г – масса Луны;  L – 3,844×1010см –   расстояние между центрами Земли и Луны; Е3 = 2,12×1036эрг, ЕЛ = -0,38×1036эрг.

Энергия приливов в начальной геологической стадии, т.е. 4,6×109 лет назад, оценивается равной 3,28×1037эрг. При этом предполагается, что в позднем архее, протерозое и фанерозое приливная энергия влияла на тектонические процессы весьма мало.

Используя указанные три вида источников  энергии разогрева Земли, общее уравнение энергетического баланса Земли  на момент времени t можно записать в виде (Сорохтин, Ушаков, 1991):


,

 

 

 

где ET –изменения теплового запаса Земли с течением времени; EГД –тепловыделения за счет гравитационной дифференциации Земли; EР –выделения радиогенной энергии; EП –рассеяния приливной энергии; 

 

 



На рис. 19 приведена эволюция теплосодержания Земли во времени.

 

Не трудно видеть, что основные энергетические характеристики с течением времени в целом растут, причем с момента 4,6×109 лет до 2.6×109 лет скорость роста выше, чем в протерозое и фанерозое. Причем, в архейскую эпоху, когда наблюдался самый высокий уровень тектонической активности, в недрах Земли выделилось около 11×1037эрг тепловой энергии, из которых 5,2×1037эрг пошло на разогрев Земли, а 5,8×1037эрг – это потери тепла.

Несколько иной вид имеет кривая теплового запаса Земли: до архея, т.е. примерно в промежутке от 4,6×109 лет до 2,6×109 лет, – наблюдается энергичный рост теплозапаса Земли, а затем слабое монотонное его уменьшение к сегодняшнему дню.

Однако глубинные источники энергии формируют не только тепловое поле Земли, но и возбуждают магнитное поле Земли. Предполагается, что формирование геомагнитного поля  связано, вероятнее всего, с конвективными процессами  в жидком электропроводящем ядре  вращающейся Земли. По мнению О.Г.Сорохтина и С.А.Ушакова  происхождение геомагнитного поля обусловлено двумя  факторами: первый связан с постепенным остыванием земных недр после активного архейского тектонического этапа, второй обусловлен струйными течениями  на поверхности ядра дезинтегрированного мантийного вещества. Эти течения замыкают собой конвективные движения вещества мантии в единые замкнутые структуры (см. рис.15),  направленные от подошвы нисходящих потоков в мантии к центрам восходящих. Мощность же  такого процесса определяется амплитудой перепада рельефа на поверхности внешнего ядра – подошве мантии и составляет  1,3×1020эрг/с, что вполне обеспечивает формирование геомагнитного поля, мощность которого  равна 2,0×1016  – ×1019  эрг/с.

21 июня 2012 /
Похожие новости
Топогеодезическая подготовка позиционных районов
Геологические условия применения электроразведки 
Геологические условия применения электроразведки
Физические неоднородности земных недр
Шторм, бушующий у берегов Антарктиды, Австралии и Новой Зеландии  создал сильное волнение океана у берегов Южной Калифорнии. Людям приходилось спасаться ...
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Полужирный Наклонный текст Подчеркнутый текст Зачеркнутый текст | Выравнивание по левому краю По центру Выравнивание по правому краю | Вставка смайликов Выбор цвета | Скрытый текст Вставка цитаты Преобразовать выбранный текст из транслитерации в кириллицу Вставка спойлера
Вопрос:
Столица России?
Ответ:*
Введите код: