Внутренний тепловой баланс земли - Earths internal heat budget

Глобальная карта потока тепла, в мВт / м2, из недр Земли на поверхность.[1] Наибольшие значения теплового потока приходятся на срединно-океанические хребты, а наименьшие значения теплового потока - в устойчивых континентальных недрах.

Внутренний тепловой баланс Земли имеет основополагающее значение для тепловая история Земли. Поток тепла из недр Земли к поверхности оценивается в 47 ± 2 тераватты (TW)[1] и поступает из двух основных источников примерно в равных количествах: радиогенное тепло произведенный радиоактивный распад изотопов в мантии и коре, а изначальное тепло осталось от формирование Земли.[2]

Внутреннее тепло Земли поддерживает большинство геологических процессов[3] и диски тектоника плит.[2] Несмотря на свое геологическое значение, эта тепловая энергия, поступающая из недр Земли, на самом деле составляет всего 0,03% от Общий энергетический бюджет Земли на поверхности, где преобладают 173000 ТВт входящих солнечная радиация.[4] В инсоляция который, в конце концов, после отражения достигает поверхности, проникает всего на несколько десятков сантиметров в суточном цикле и только на несколько десятков метров в годовом цикле. Это делает солнечное излучение минимально важным для внутренних процессов.[5]

Глобальные данные о плотности теплового потока собираются и обрабатываются Международной комиссией по тепловому потоку Международная ассоциация сейсмологии и физики недр Земли.[6]

Жара и ранняя оценка возраста Земли

На основе расчетов скорости охлаждения Земли, которые предполагали постоянную проводимость в недрах Земли, в 1862 г. Уильям Томсон позднее лорд Кельвин оценил возраст Земли в 98 миллионов лет,[7] что контрастирует с возрастом 4,5 миллиарда лет, полученным в 20 веке радиометрическое датирование.[8] Как указал Джон Перри в 1895 г.[9] переменная проводимость в недрах Земли может увеличить вычисленный возраст Земли до миллиардов лет, что позже подтвердило радиометрическое датирование. В отличие от обычного представления аргумента Томсона, наблюдаемый тепловой градиент земной коры не может быть объяснен добавлением радиоактивности в качестве источника тепла. Что еще более важно, мантийная конвекция изменяет способ переноса тепла внутри Земли, опровергая предположение Томсона о чисто кондуктивном охлаждении.

Глобальный внутренний тепловой поток

Поперечное сечение Земли, показывающее ее основные подразделения и их приблизительный вклад в общий внутренний тепловой поток Земли к поверхности, а также основные механизмы переноса тепла внутри Земли.

Оценки общего теплового потока из недр Земли на поверхность охватывают диапазон от 43 до 49 тераватт (ТВт) (тераватт равен 1012 Вт ).[10] По недавним оценкам, 47 ТВт.[1] эквивалентно среднему тепловому потоку 91,6 мВт / м2, и основан на более чем 38 000 измерений. Средние тепловые потоки континентальной и океанической коры соответственно составляют 70,9 и 105,4 мВт / м2.[1]

В то время как общий внутренний тепловой поток Земли к поверхности хорошо ограничен, относительный вклад двух основных источников тепла Земли, радиогенного и первичного тепла, весьма неопределен, поскольку их прямое измерение затруднительно. Химические и физические модели дают оценочные диапазоны 15–41 ТВт и 12–30 ТВт для радиогенное тепло и изначальное тепло, соответственно.[10]

В структура Земли жесткий внешний корка который состоит из более толстых Континентальный разлом и тоньше океаническая кора твердый, но пластически текучий мантия, жидкость внешнее ядро, и твердый Внутреннее ядро. В текучесть материала пропорционально температуре; таким образом, твердая мантия все еще может течь в течение длительного времени в зависимости от ее температуры.[2] и, следовательно, как функция потока внутреннего тепла Земли. В мантия конвектирует в ответ на выход тепла из недр Земли, когда более горячая и плавучая мантия поднимается, а более холодная и, следовательно, более плотная мантия опускается. Этот конвективный поток мантии приводит в движение Землю. литосферные плиты; таким образом, дополнительный резервуар тепла в нижней мантии имеет решающее значение для работы тектоники плит, и одним из возможных источников является обогащение радиоактивными элементами в нижней мантии.[11]

Перенос тепла Земли происходит за счет проводимость, мантийная конвекция, гидротермальная конвекция, и вулканический адвекция.[12] Считается, что внутренний тепловой поток Земли к поверхности на 80% обусловлен конвекцией мантии, а остающееся тепло в основном происходит из земной коры.[13] около 1% связано с вулканической активностью, землетрясениями и горообразованием.[2] Таким образом, около 99% внутренних тепловых потерь Земли на поверхности происходит за счет теплопроводности через кору, а мантийная конвекция является доминирующим контролем над переносом тепла из глубин Земли. Большая часть теплового потока от более толстой континентальной коры связана с внутренними радиогенными источниками; напротив, более тонкая океаническая кора имеет только 2% внутреннего радиогенного тепла.[2] Остающийся тепловой поток на поверхности будет связан с базальным нагревом коры от мантийной конвекции. Тепловые потоки отрицательно коррелируют с возрастом горных пород,[1] с наибольшими тепловыми потоками от самой молодой породы на Срединно-океанический хребет спрединговые центры (зоны апвеллинга мантии), как это наблюдается в глобальная карта теплового потока Земли.[1]

Радиогенное тепло

Эволюция Земли радиогенное тепло течь со временем

В радиоактивный распад элементов в мантии и коре Земли приводит к образованию дочерних изотопы и выпуск геонейтрино и тепловая энергия, или радиогенное тепло. Четыре радиоактивных изотопа ответственны за большую часть радиогенного тепла из-за их обогащения по сравнению с другими радиоактивными изотопами: уран-238 (238U), уран-235 (235U), торий-232 (232Th), и калий-40 (40К).[14] Из-за отсутствия образцов пород с глубины менее 200 км трудно точно определить радиогенное тепло по всей мантии,[14] хотя некоторые оценки доступны.[15] Для ядра Земли, геохимический исследования показывают, что он вряд ли станет значительным источником радиогенного тепла из-за ожидаемой низкой концентрации радиоактивных элементов, распадающихся на железо.[16] Производство радиогенного тепла в мантии связано со структурой мантийная конвекция, тема многих дискуссий, и считается, что мантия может иметь либо слоистую структуру с более высокой концентрацией радиоактивных тепловыделяющих элементов в нижней мантии, либо небольшие резервуары, обогащенные радиоактивными элементами, рассредоточенными по всей мантии.[17]

Оценка современных основных изотопов, выделяющих тепло[2]
ИзотопТепловыделение
W/кг изотопа		Период полураспада
годы		Средняя мантийная концентрация
кг изотопа/кг мантия		Тепловыделение
W/кг мантия
232Чт26.4×10−614.0×109124×10−93.27×10−12
238U94.6×10−64.47×10930.8×10−92.91×10−12
40K29.2×10−61.25×10936.9×10−91.08×10−12
235U569×10−60.704×1090.22×10−90.125×10−12

Детекторы геонейтрино могут обнаруживать распад 238U и 232Th и, таким образом, позволяют оценить их вклад в текущий радиогенный тепловой баланс, в то время как 235U и 40K таким образом не обнаруживаются. Несмотря на, 40K, по оценкам, дает 4 ТВт тепла.[18] Однако из-за короткого период полураспада распад 235U и 40K внес большой вклад в радиогенный поток тепла на раннюю Землю, которая также была намного горячее, чем в настоящее время.[11] Первые результаты измерения геонейтрино продуктов радиоактивный распад изнутри Земли, доверенное лицо для радиогенного тепла дала новую оценку того, что половина всего внутреннего источника тепла Земли является радиогенным,[18] и это согласуется с предыдущими оценками.[17]

Первозданное тепло

Изначальное тепло - это тепло, теряемое Землей по мере того, как она продолжает охлаждаться от своего первоначального образования, и это контрастирует с ее все еще активно производимым радиогенным теплом. Считается, что тепловой поток ядра Земли - тепло, покидающее ядро ​​и перетекающее в вышележащую мантию, происходит из-за изначального тепла и оценивается в 5–15 ТВт.[19] Оценки первичных потерь тепла в мантии находятся в диапазоне от 7 до 15 ТВт, которые рассчитываются как остаток тепла после удаления теплового потока ядра и радиогенного производства тепла в объеме Земли из наблюдаемого поверхностного теплового потока.[10]

Раннее формирование плотного ядра Земли могло вызвать перегрев и быструю потерю тепла, а скорость потери тепла замедлилась бы после затвердевания мантии.[19] Тепловой поток от ядра необходим для поддержания конвектирующего внешнего ядра и геодинамо и Магнитное поле Земли; поэтому изначальное тепло ядра позволило создать атмосферу Земли и, таким образом, помочь удержать жидкую воду Земли.[17]

Тектоническая эволюция Земли с течением времени из расплавленного состояния на 4,5 млрд лет назад,[8] в одноплитную литосферу,[20] к современному тектоника плит где-то между 3,2 млрд лет[21] и 1,0 млрд лет[22]

Тепловой поток и тектонические плиты

Разногласия по поводу точной природы мантийной конвекции затрудняют выявление взаимосвязанной эволюции теплового баланса Земли и динамики и структуры мантии.[17] Есть свидетельства того, что процессы тектоника плит не были активны на Земле до 3,2 миллиарда лет назад, и что внутренние потери тепла на ранней Земле могли определяться адвекция через тепловую трубку вулканизм.[20] Земные тела с меньшими тепловыми потоками, такие как Луна и Марс, руководить их внутреннее тепло через одну литосферную плиту и более высокие тепловые потоки, например, на луне Юпитера Ио, результат в адвективный перенос тепла через усиленный вулканизм, в то время как активная тектоника плит Земли происходит с промежуточным тепловым потоком и конвекционная мантия.[20]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж Дэвис, Дж. Х., и Дэвис, Д. Р. (2010). Тепловой поток на поверхности Земли. Твердая Земля, 1 (1), 5–24.
  2. ^ а б c d е ж Дональд Л. Тюркотт; Джеральд Шуберт (25 марта 2002 г.). Геодинамика. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-66624-4.
  3. ^ Баффетт, Б.А. (2007). Измерение температуры Земли. Наука, 315 (5820), 1801–1802.
  4. ^ Арчер, Д. (2012). Глобальное потепление: понимание прогноза. ISBN  978-0-470-94341-0.
  5. ^ Лоури, В. (2007). Основы геофизики. Кембридж: КУБОК, 2-е изд.
  6. ^ www.ihfc-iugg.org IHFC: Международная комиссия по тепловым потокам - Домашняя страница. Проверено 18.09.2019.
  7. ^ Томсон, Уильям. (1864 г.). О вековом охлаждении земли, прочтите 28 апреля 1862 г. Сделки Королевского общества Эдинбурга, 23, 157–170.
  8. ^ а б Росс Тейлор, Стюарт (26 октября 2007 г.). «Глава 2: Формирование Земли и Луны». У Мартина Дж. Ван Кранендонка; Вики Беннетт; Хью Р.Х. Смитис (ред.). Самые старые породы Земли (Developments in докембрийская геология, том 15, 2007). Эльзевир. С. 21–30. ISBN  978-0-08-055247-7.
  9. ^ Англия, Филипп; Мольнар, Питер; Рихтер, Франк (2007). «Пренебрегаемая критика Джоном Перри возраста Земли по Кельвину: упущенная возможность в геодинамике». GSA сегодня. 17 (1): 4–9. Дои:10.1130 / GSAT01701A.1.
  10. ^ а б c Краситель, С. Т. (2012). Геонейтрино и радиоактивная энергия Земли. Обзоры геофизики, 50 (3). DOI: 10.1029 / 2012RG000400
  11. ^ а б Аревало-младший, Р., МакДонаф, У. Ф. и Луонг, М. (2009). В K / U соотношение силикатной Земли: понимание состава, структуры и термической эволюции мантии. Письма о Земле и планетологии, 278 (3), 361–369.
  12. ^ Jaupart, C., & Mareschal, J. C. (2007). Тепловой поток и термическая структура литосферы. Трактат по геофизике, 6, 217–251.
  13. ^ Коренага, Дж. (2003). Энергетика мантийной конвекции и судьба ископаемого тепла. Письма о геофизических исследованиях, 30 (8), 1437.
  14. ^ а б Коренага, Дж. (2011). Бюджет тепла Земли: Ясновидящие геонейтрино. Природа Геонауки, 4 (9), 581–582.
  15. ^ Шрамек, Ондржей; McDonough, William F .; Кайт, Эдвин С .; Лекич, Ведран; Краска, Стивен Т .; Чжун, Шицзе (01.01.2013). «Геофизические и геохимические ограничения на потоки геонейтрино из мантии Земли». Письма по науке о Земле и планетах. 361: 356–366. arXiv:1207.0853. Bibcode:2013E и PSL.361..356S. Дои:10.1016 / j.epsl.2012.11.001. ISSN  0012-821X. S2CID  15284566.
  16. ^ Макдонау, В.Ф. (2003), "Композиционная модель ядра Земли", Трактат по геохимии, Elsevier, стр. 547–568, Bibcode:2003TrGeo ... 2..547M, Дои:10.1016 / b0-08-043751-6 / 02015-6, ISBN  9780080437514
  17. ^ а б c d Коренага, Дж. (2008). Коэффициент Юри, структура и эволюция мантии Земли. Обзоры геофизики, 46 (2).
  18. ^ а б Гандо А., Дуайер Д. А., Маккеун Р. Д. и Чжан К. (2011). Модель частичного радиогенного тепла Земли, выявленная с помощью измерений геонейтрино. Nature Geoscience, 4 (9), 647–651.
  19. ^ а б Лэй, Т., Хернлунд, Дж., И Баффет, Б.А. (2008). Граничный тепловой поток ядро ​​– мантия. Природа Геонауки, 1 (1), 25–32.
  20. ^ а б c Мур, В. Б., и Уэбб, А. А. Г. (2013). Тепловая трубка Земля. Природа, 501 (7468), 501–505.
  21. ^ Пиз В., Персиваль Дж., Смитис Х., Стивенс Г. и Ван Кранендонк М. (2008). Когда началась тектоника плит? Свидетельства из орогенной записи. Когда началась тектоника плит на планете Земля, 199–208 гг.
  22. ^ Стерн, Р. Дж. (2008). Тектоника плит в современном стиле началась в неопротерозое: альтернативная интерпретация тектонической истории Земли. Когда началась тектоника плит на планете Земля, 265–280 гг.