Введение

По сравнению с размерами земного шара, земная кора составляет 1/200 его радиуса. Но эта "пленка" - самое сложное по строению и до сих пор наиболее загадочное образование нашей планеты. Главнейшая особенность коры в том, что она служит пограничным слоем между земным шаром и окружающим нас космическим пространством. В этой переходной зоне между двумя стихиями мироздания - космосом и веществом планеты - постоянно происходили сложнейшие физико-химические процессы, и, что замечательное, следы этих процессов в значительной степени сохранились.

Основными целями работы является:

Рассмотреть основные типы земной коры и её составляющие;

Определить тектонические структуры земной коры;

Рассмотреть минеральный состав земной коры и горных пород.

Строение и мощность земной коры

Первые представления о существовании земной коры были высказаны английским физиком У.Гильбертом в 1600 г. Им было предложено делить недра Земли на две неравные части: кору или скорлупу и твёрдое ядро.

Развитие этих идей содержится в трудах Л.Декарта, Г.Лейбница, Ж.Бюффона, М.В.Ломоносова и многих других, зарубежных и отечественных учёных. В начале исследование земной коры было ориентировано на изучение земной коры континентов. Поэтому первые модели коры отражали особенности строения коры континентального типа.

Термин "земная кора" был введен в географическую науку австрийским геологом Э. Зюссом в 1881 г. (8) Помимо этого термина данный слой имеет и другое название - сиаль, составленное из первых букв наиболее распространенных здесь элементов - кремния (silicium, 26%) и алюминия (aluminium, 7,45%).

В первой половине XX века изучение строения недр стало проводиться с использованием сейсмологии и сейсмики. Анализируя характер сейсмических волн от землетрясения в Хорватии в 1909 г., сейсмолог А.Мохоровичич, как уже указывалось, выделил чётко прослеживающуюся сейсмическую границу на глубине порядка 50 км, которую он определил как подошву земной коры (поверхность Мохоровичича, Мохо, или М).

В 1925 г. В.Конрад зафиксировал выше границы Мохоровичича ещё одну поверхность раздела внутри коры, которая также получила его имя - поверхность Конрада, или поверхность К - граница между "гранитным" и "базальтовым" слоями является раздел Конрада.

Учёным было предложено верхний слой коры мощностью порядка 12 км называть "гранитным слоем", а нижний мощностью 25 км - "базальтовым". Появилась первая двухслойная модель строения земной коры. Дальнейшие исследования позволили измерить мощность коры в разных областях континентов. Было установлено, что в низменных районах она составляет 35 ? 45 км, а в горных возрастает до 50 ? 60 км (максимальная мощность коры - 75 км зафиксирована на Памире). Такое утолщение земной коры Б.Гутенбергом было названо "корнями гор".

Установлено было также, что гранитный слой имеет скорость сейсмических волн 5 ? 6 км/с, свойственную для гранитов, а нижний - 6 ? 7 км/с, характерную для базальтов. Земную кору, состоящую из гранитного и базальтового слоёв, назвали консолидированной корой, на которой располагается ещё один, верхний, осадочный слой. Его мощность варьировала в пределах 0 ? 5-6 км (максимальная мощность осадочного слоя достигает 20 ? 25 км).

Новый шаг в изучении строения земной коры континентов сделан в результате внедрения мощных взрывных источников сейсмических волн.

В 1954 г. Г.А. Гамбурцевым был разработан метод глубокого сейсмического зондирования (ГСЗ), позволивший "просветить" недра Земли до глубины в 100 км.

Сейсмические исследования стали проводить по специальным профилям, что позволило получать учёным непрерывную информацию о строении земной коры. Сейсморазведка проводилась в прибрежных зонах морей и океанов, а в начале 60-ых годов начались глобальные исследования этим методом дна Мирового океана. Было научно обосновано представление о существовании двух принципиально различных типов коры: континентальной и океанической.

Материалы ГСЗ позволили советским геофизикам (Ю.Н.Годин, Н.И.Павлинкова, Н.К.Булин и др.) опровергнуть представления о существовании повсеместно выдержанной поверхности Конрада. Это было подтверждено и бурением Кольской сверхглубокой скважины, которая не вскрыла подошву гранитного слоя на глубине, указанной геофизиками.

Стали развиваться представления о существовании нескольких поверхностей раздела типа поверхности Конрада, положения которых определялись не столько сменой состава кристаллических пород, сколько различной степенью их метаморфизма. Высказывались мысли о том, что в составе гранитного и базальтового слоёв земной коры существенную роль играют метаморфические породы (Ю.Н.Годин, И.А.Резанов, В.В.Белоусов и др.).

Увеличение скорости сейсмических волн объяснялось возрастанием основности пород и большой степенью их метаморфизма. Таким образом, в составе "гранитного" слоя должны находиться не только гранитоиды, но и метаморфические породы (типа гнейсов, слюдистых сланцев и т.д.), возникшие из первично осадочных отложений. Слой стали называть гранито-метаморфическим, или гранито-гнейсовым. Под ним понималась совокупность магматических и осадочно-метаморфических пород, состав и фазовое состояние которых обуславливают физические параметры, близкие к таковым у неизмененных гранитов или гранитоидов, т.е. плотность порядка 2,58 ? 2,64 г/см и пластовая скорость 5,5 ? 6,3 км/с.

В составе "базальтового" слоя допускалось наличие пород глубокой (гранулитовой) стадии метаморфизма. Его стали именовать гранулито-базитовым, гранулито-эклогитовым, и понимать под ним совокупность магматических и метаморфизованных пород среднего, основного или близкого к ним состава, имеющих физические параметры: плотность 2,8 ? 3,1 г/см, пластовую скорость 6,6 ? 7,4 км/с. Судя по экспериментальным данным, обломкам (ксенолитам) глубинных пород из трубок взрыва, этот слой может быть сложен гранулитами, габброидами, основными гнейсами и эклогитоподобными породами.

Термины "гранитный" и "базальтовый" слой остались в обращении, но их брали в кавычки, подчеркивая тем самым условность их состава и названия.

Современный этап развития представлений о строении земной коры континентов начался в 80-ые годы прошлого столетия и характеризуется созданием трехслойной модели консолидированной коры. Исследования ряда отечественных (Н.И.Павленкова, И.П.Косминская) и зарубежных (С.Мюеллер) учёных доказали, что в строении земной коры континентов кроме осадочного слоя, необходимо выделить, по крайней мере, три, а не два, слоя: верхний, средний и нижний (рис. 1).

Верхний слой, мощностью 8 ? 15 км, отмечается нарастанием скорости сейсмических волн с глубиной, блоковостью строения, наличием сравнительно многочисленных трещин и разломов. Подошва слоя со скоростями 6,1 ? 6,5 км/с определяется как граница К. По мнению ряда учёных, верхний слой консолидированной коры соответствует гранитно-метаморфическому слою в двуслойной модели коры.

Второй (средний) слой до глубин 20 ? 25 км (иногда до 30 км) характеризуется некоторым снижением скорости упругих волн (порядка 6,4 км/с), отсутствием градиентов скоростей. Его подошва выделяется как граница К. Считается, что второй слой сложен породами типа базальтов, поэтому его можно отождествлять с "базальтовым" слоем коры.

Рис.1

Третий (нижний) слой, прослеживающийся до подошвы коры, высокоскоростной (6,8 ? 7,7 км/с). Для него присуща тонкая расслоенность и увеличение с глубиной градиента скорости. Он представлен ультраосновными породами, поэтому его нельзя относить к "базальтовому" слою коры. Есть предположения, что нижний слой коры является продуктом преобразования вещества верхней мантии, своеобразной зоной выветривания мантии (Н.И.Павленкова). В классической модели строения коры средний и нижний слои составляют гранулито-базитовый слой.

Строение и мощности земной коры в пределах различных областей континентов несколько варьируют. Так для земной коры, глубоких платформенных впадин и передовых прогибов характерны следующие особенности строения: большая мощность осадочного слоя (до половины мощности всей коры); более тонкая и более высокоскоростная, чем на других участках платформ, консолидированная кора; приподнятое положение поверхности М. Часто в их пределах выклинивается или резко утончается верхний ("гранитный") слой консолидированной коры, существенно сокращается мощность и среднего слоя.

В нашей стране, богатой углеводородами, геотермальная энергия - некий экзотический ресурс, который при сегодняшнем положении дел вряд ли составит конкуренцию нефти и газу. Тем не менее этот альтернативный вид энергии может использоваться практически всюду и довольно эффективно.

Геотермальная энергия - это тепло земных недр. Вырабатывается оно в глубинах и поступает к поверхности Земли в разных формах и с различной интенсивностью.

Температура верхних слоёв грунта зависит в основном от внешних (экзогенных) факторов - солнечного освещения и температуры воздуха. Летом и днём грунт до определённых глубин прогревается, а зимой и ночью охлаждается вслед за изменением температуры воздуха и с некоторым запаздыванием, нарастающим с глубиной. Влияние суточных колебаний температуры воздуха заканчивается на глубинах от единиц до нескольких десятков сантиметров. Сезонные колебания захватывают более глубокие пласты грунта - до десятков метров.

На некоторой глубине - от десятков до сотен метров - температура грунта держится постоянной, равной среднегодовой температуре воздуха у поверхности Земли. В этом легко убедиться, спустившись в достаточно глубокую пещеру.

Когда среднегодовая температура воздуха в данной местности ниже нуля, это проявляется как вечная (точнее, многолетняя) мерзлота. В Восточной Сибири мощность, то есть толщина, круглогодично мёрзлых грунтов достигает местами 200–300 м.

С некоторой глубины (своей для каждой точки на карте) действие Солнца и атмосферы ослабевает настолько, что на первое место выходят эндогенные (внутренние) факторы и происходит разогрев земных недр изнутри, так что температура с глубиной начинает расти.

Разогрев глубинных слоёв Земли связывают, главным образом, с распадом находящихся там радиоактивных элементов, хотя называют и другие источники тепла, например физико-химические, тектонические процессы в глубоких слоях земной коры и мантии. Но чем бы это ни было обусловлено, температура горных пород и связанных с ними жидких и газообразных субстанций с глубиной растёт. С этим явлением сталкиваются горняки - в глубоких шахтах всегда жарко. На глубине 1 км тридцатиградусная жара - нормальное явление, а глубже температура ещё выше.

Тепловой поток земных недр, достигающий поверхности Земли, невелик - в среднем его мощность составляет 0,03–0,05 Вт/м 2 , или примерно 350 Вт·ч/м 2 в год. На фоне теплового потока от Солнца и нагретого им воздуха это незаметная величина: Солнце даёт каждому квадратному метру земной поверхности около 4000 кВт·ч ежегодно, то есть в 10 000 раз больше (разумеется, это в среднем, при огромном разбросе между полярными и экваториальными широтами и в зависимости от других климатических и погодных факторов).

Незначительность теплового потока из недр к поверхности на большей части планеты связана с низкой теплопроводностью горных пород и особенностями геологического строения. Но есть исключения - места, где тепловой поток велик. Это, прежде всего, зоны тектонических разломов, повышенной сейсмической активности и вулканизма, где энергия земных недр находит выход. Для таких зон характерны термические аномалии литосферы, здесь тепловой поток, достигающий поверхности Земли, может быть в разы и даже на порядки мощнее «обычного». Огромное количество тепла на поверхность в этих зонах выносят извержения вулканов и горячие источники воды.

Именно такие районы наиболее благоприятны для развития геотермальной энергетики. На территории России это, прежде всего, Камчатка, Курильские острова и Кавказ.

В то же время развитие геотермальной энергетики возможно практически везде, поскольку рост температуры с глубиной - явление повсеместное, и задача заключается в «добыче» тепла из недр, подобно тому, как оттуда добывается минеральное сырьё.

В среднем температура с глубиной растёт на 2,5–3°C на каждые 100 м. Отношение разности температур между двумя точками, лежащими на разной глубине, к разности глубин между ними называют геотермическим градиентом.

Обратная величина - геотермическая ступень, или интервал глубин, на котором температура повышается на 1°C.

Чем выше градиент и соответственно ниже ступень, тем ближе тепло глубин Земли подходит к поверхности и тем более перспективен данный район для развития геотермальной энергетики.

В разных районах, в зависимости от геологического строения и других региональных и местных условий, скорость роста температуры с глубиной может резко различаться. В масштабах Земли колебания величин геотермических градиентов и ступеней достигают 25 крат. Например, в штате Орегон (США) градиент составляет 150°C на 1 км, а в Южной Африке - 6°C на 1 км.

Вопрос, какова температура на больших глубинах - 5, 10 км и более? При сохранении тенденции температура на глубине 10 км должна составлять в среднем примерно 250–300°C. Это более или менее подтверждается прямыми наблюдениями в сверхглубоких скважинах, хотя картина существенно сложнее линейного повышения температуры.

Например, в Кольской сверхглубокой скважине, пробурённой в Балтийском кристаллическом щите, температура до глубины 3 км меняется со скоростью 10°C/1 км, а далее геотермический градиент становится в 2–2,5 раза больше. На глубине 7 км зафиксирована уже температура 120°C, на 10 км - 180°C, а на 12 км - 220°C.

Другой пример - скважина, заложенная в Северном Прикаспии, где на глубине 500 м зарегистрирована температура 42°C, на 1,5 км - 70°C, на 2 км - 80°C, на 3 км - 108°C.

Предполагается, что геотермический градиент уменьшается начиная с глубины 20–30 км: на глубине 100 км предположительные температуры около 1300–1500°C, на глубине 400 км - 1600°C, в ядре Земли (глубины более 6000 км) - 4000–5000°C.

На глубинах до 10–12 км температуру измеряют через пробурённые скважины; там же, где их нет, её определяют по косвенным признакам так же, как и на бóльших глубинах. Такими косвенными признаками могут быть характер прохождения сейсмических волн или температура изливающейся лавы.

Впрочем, для целей геотермальной энергетики данные о температурах на глубинах более 10 км пока не представляют практического интереса.

На глубинах в несколько километров много тепла, но как его поднять? Иногда эту задачу решает за нас сама природа с помощью естественного теплоносителя - нагретых термальных вод, выходящих на поверхность или же залегающих на доступной для нас глубине. В ряде случаев вода в глубинах разогрета до состояния пара.

Строгого определения понятия «термальные воды» нет. Как правило, под ними подразумевают горячие подземные воды в жидком состоянии или в виде пара, в том числе выходящие на поверхность Земли с температурой выше 20°C, то есть, как правило, более высокой, чем температура воздуха.

Тепло подземных вод, пара, пароводяных смесей - это гидротермальная энергия. Соответственно энергетика, основанная на её использовании, называется гидротермальной.

Сложнее обстоит дело с добычей тепла непосредственно сухих горных пород - петротермальной энергии, тем более что достаточно высокие температуры, как правило, начинаются с глубин в несколько километров.

На территории России потенциал петротермальной энергии в сто раз выше, чем у гидротермальной, - соответственно 3500 и 35 трлн тонн условного топлива. Это вполне естественно - тепло глубин Земли имеется везде, а термальные воды обнаруживаются локально. Однако из-за очевидных технических трудностей для получения тепла и электроэнергии в настоящее время используются большей частью термальные воды.

Воды температурой от 20–30 до 100°C пригодны для отопления, температурой от 150°C и выше - и для выработки электроэнергии на геотермальных электростанциях.

В целом же геотермальные ресурсы на территории России в пересчёте на тонны условного топлива или любую другую единицу измерения энергии примерно в 10 раз выше запасов органического топлива.

Теоретически только за счёт геотермальной энергии можно было бы полностью удовлетворить энергетические потребности страны. Практически же на данный момент на большей части её территории это неосуществимо по технико-экономическим соображениям.

В мире использование геотермальной энергии ассоциируется чаще всего с Исландией - страной, расположенной на северном окончании Срединно-Атлантического хребта, в исключительно активной тектонической и вулканической зоне. Наверное, все помнят мощное извержение вулкана Эйяфьятлайокудль (Eyjafjallajökull ) в 2010 году.

Именно благодаря такой геологической специфике Исландия обладает огромными запасами геотермальной энергии, в том числе горячих источников, выходящих на поверхность Земли и даже фонтанирующих в виде гейзеров.

В Исландии в настоящее время более 60% всей потребляемой энергии берут из Земли. В том числе за счёт геотермальных источников обеспечивается 90% отопления и 30% выработки электроэнергии. Добавим, что остальная часть электроэнергии в стране производится на ГЭС, то есть также с использованием возобновляемого источника энергии, благодаря чему Исландия выглядит неким мировым экологическим эталоном.

«Приручение» геотермальной энергии в XX веке заметно помогло Исландии в экономическом отношении. До середины прошлого столетия она была очень бедной страной, сейчас занимает первое место в мире по установленной мощности и производству геотермальной энергии на душу населения и находится в первой десятке по абсолютной величине установленной мощности геотермальных электростанций. Однако её население составляет всего 300 тысяч человек, что упрощает задачу перехода на экологически чистые источники энергии: потребности в ней в целом невелики.

Помимо Исландии высокая доля геотермальной энергетики в общем балансе производства электроэнергии обеспечивается в Новой Зеландии и островных государствах Юго-Восточной Азии (Филиппины и Индонезия), странах Центральной Америки и Восточной Африки, территория которых также характеризуется высокой сейсмической и вулканической активностью. Для этих стран при их нынешнем уровне развития и потребностях геотермальная энергетика вносит весомый вклад в социально-экономическое развитие.

Использование геотермальной энергии имеет весьма давнюю историю. Один из первых известных примеров - Италия, местечко в провинции Тоскана, ныне называемое Лардерелло, где ещё в начале XIX века местные горячие термальные воды, изливавшиеся естественным путём или добываемые из неглубоких скважин, использовались в энергетических целях.

Вода из подземных источников, богатая бором, употреблялась здесь для получения борной кислоты. Первоначально эту кислоту получали методом выпаривания в железных бойлерах, а в качестве топлива брали обычные дрова из ближайших лесов, но в 1827 году Франческо Лардерел (Francesco Larderel) создал систему, работавшую на тепле самих вод. Одновременно энергию природного водяного пара начали использовать для работы буровых установок, а в начале XX века - и для отопления местных домов и теплиц. Там же, в Лардерелло, в 1904 году термальный водяной пар стал энергетическим источником для получения электричества.

Примеру Италии в конце XIX-начале XX века последовали некоторые другие страны. Например, в 1892 году термальные воды впервые были использованы для местного отопления в США (Бойсе, штат Айдахо), в 1919-м - в Японии, в 1928-м - в Исландии.

В США первая электростанция, работавшая на гидротермальной энергии, появилась в Калифорнии в начале 1930-х годов, в Новой Зеландии - в 1958 году, в Мексике - в 1959-м, в России (первая в мире бинарная ГеоЭС) - в 1965-м.

Старый принцип на новом источнике

Выработка электроэнергии требует более высокой температуры гидроисточника, чем для отопления, - более 150°C. Принцип работы геотермальной электростанции (ГеоЭС) сходен с принципом работы обычной тепловой электростанции (ТЭС). По сути, геотермальная электростанция - разновидность ТЭС.

На ТЭС в роли первичного источника энергии выступают, как правило, уголь, газ или мазут, а рабочим телом служит водяной пар. Топливо, сгорая, нагревает воду до состояния пара, который вращает паровую турбину, а она генерирует электричество.

Отличие ГеоЭС состоит в том, что первичный источник энергии здесь - тепло земных недр и рабочее тело в виде пара поступает на лопасти турбины электрогенератора в «готовом» виде прямо из добывающей скважины.

Существуют три основные схемы работы ГеоЭС: прямая, с использованием сухого (геотермального) пара; непрямая, на основе гидротермальной воды, и смешанная, или бинарная.

Применение той или иной схемы зависит от агрегатного состояния и температуры энергоносителя.

Самая простая и потому первая из освоенных схем - прямая, в которой пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину. На сухом пару работала и первая в мире ГеоЭС в Лардерелло в 1904 году.

ГеоЭС с непрямой схемой работы в наше время самые распространённые. Они используют горячую подземную воду, которая под высоким давлением нагнетается в испаритель, где часть её выпаривается, а полученный пар вращает турбину. В ряде случаев требуются дополнительные устройства и контуры для очистки геотермальной воды и пара от агрессивных соединений.

Отработанный пар поступает в скважину нагнетания либо используется для отопления помещений, - в этом случае принцип тот же, что при работе ТЭЦ.

На бинарных ГеоЭС горячая термальная вода взаимодействует с другой жидкостью, выполняющей функции рабочего тела с более низкой температурой кипения. Обе жидкости пропускаются через теплообменник, где термальная вода выпаривает рабочую жидкость, пары которой вращают турбину.

Эта система замкнута, что решает проблемы выбросов в атмосферу. Кроме того, рабочие жидкости со сравнительно низкой температурой кипения позволяют использовать в качестве первичного источника энергии и не очень горячие термальные воды.

Во всех трёх схемах эксплуатируется гидротермальный источник, но для получения электричества можно использовать и петротермальную энергию.

Принципиальная схема в этом случае также достаточно проста. Необходимо пробурить две соединяющиеся между собою скважины - нагнетательную и эксплуатационную. В нагнетательную скважину закачивается вода. На глубине она нагревается, затем нагретая вода или образовавшийся в результате сильного нагрева пар по эксплуатационной скважине подаётся на поверхность. Далее всё зависит от того, как используется петротермальная энергия - для отопления или для производства электроэнергии. Возможен замкнутый цикл с закачиванием отработанного пара и воды обратно в нагнетательную скважину либо другой способ утилизации.

Недостаток такой системы очевиден: для получения достаточно высокой температуры рабочей жидкости нужно бурить скважины на большую глубину. А это серьёзные затраты и риск существенных потерь тепла при движении флюида вверх. Поэтому петротермальные системы пока менее распространены по сравнению с гидротермальными, хотя потенциал петротермальной энергетики на порядки выше.

В настоящее время лидер в создании так называемых петротермальных циркуляционных систем (ПЦС) - Австралия. Кроме того, это направление геотермальной энергетики активно развивается в США, Швейцарии, Великобритании, Японии.

Подарок лорда Кельвина

Изобретение в 1852 году теплового насоса физиком Уильямом Томпсоном (он же - лорд Кельвин) предоставило человечеству реальную возможность использования низкопотенциального тепла верхних слоёв грунта. Теплонасосная система, или, как её называл Томпсон, умножитель тепла, основана на физическом процессе передачи тепла от окружающей среды к хладагенту. По сути, в ней используют тот же принцип, что и в петротермальных системах. Отличие - в источнике тепла, в связи с чем может возникнуть терминологический вопрос: насколько тепловой насос можно считать именно геотермальной системой? Дело в том, что в верхних слоях, до глубин в десятки-сотни метров, породы и содержащиеся в них флюиды нагреваются не глубинным теплом земли, а солнцем. Таким образом, именно солнце в данном случае - первичный источник тепла, хотя забирается оно, как и в геотермальных системах, из земли.

Работа теплового насоса основана на запаздывании прогрева и охлаждения грунта по сравнению с атмосферой, в результате чего образуется градиент температур между поверхностью и более глубокими слоями, которые сохраняют тепло даже зимой, подобно тому, как это происходит в водоёмах. Основное назначение тепловых насосов - обогрев помещений. По сути - это «холодильник наоборот». И тепловой насос, и холодильник взаимодействуют с тремя составляющими: внутренней средой (в первом случае - отапливаемое помещение, во втором - охлаждаемая камера холодильника), внешней средой - источником энергии и холодильным агентом (хладагентом), он же - теплоноситель, обеспечивающий передачу тепла или холода.

В роли хладагента выступает вещество с низкой температурой кипения, что позволяет ему отбирать тепло у источника, имеющего даже сравнительно низкую температуру.

В холодильнике жидкий хладагент через дроссель (регулятор давления) поступает в испаритель, где из-за резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости. Испарение - эндотермический процесс, требующий поглощения тепла извне. В результате тепло из внутренних стенок испарителя забирается, что и обеспечивает охлаждающий эффект в камере холодильника. Далее из испарителя хладагент засасывается в компрессор, где он возвращается в жидкое агрегатное состояние. Это обратный процесс, ведущий к выбросу отнятого тепла во внешнюю среду. Как правило, оно выбрасывается в помещение, и задняя стенка холодильника сравнительно тёплая.

Тепловой насос работает практически так же, с той разницей, что тепло забирается из внешней среды и через испаритель поступает во внутреннюю среду - систему отопления помещения.

В реальном тепловом насосе вода нагревается, проходя по внешнему контуру, уложенному в землю или водоём, далее поступает в испаритель.

В испарителе тепло передаётся во внутренний контур, заполненный хладагентом с низкой температурой кипения, который, проходя через испаритель, переходит из жидкого состояния в газообразное, забирая тепло.

Далее газообразный хладагент попадает в компрессор, где сжимается до высокого давления и температуры, и поступает в конденсатор, где происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из системы отопления.

Для работы компрессора требуется электроэнергия, тем не менее коэффициент трансформации (соотношение потребляемой и вырабатываемой энергии) в современных системах достаточно высок, чтобы обеспечить их эффективность.

В настоящее время тепловые насосы довольно широко используются для отопления помещений, главным образом, в экономически развитых странах.

Экокорректная энергетика

Геотермальная энергетика считается экологически чистой, что в целом справедливо. Прежде всего, в ней используется возобновляемый и практически неисчерпаемый ресурс. Геотермальная энергетика не требует больших площадей, в отличие от крупных ГЭС или ветропарков, и не загрязняет атмосферу, в отличие от углеводородной энергетики. В среднем ГеоЭС занимает 400 м 2 в пересчёте на 1 ГВт вырабатываемой электроэнергии. Тот же показатель для угольной ТЭС, к примеру, составляет 3600 м 2 . К экологическим преимуществам ГеоЭС относят также низкое водопотребление - 20 литров пресной воды на 1 кВт, тогда как для ТЭС и АЭС требуется около 1000 литров. Отметим, что это экологические показатели «среднестатистической» ГеоЭС.

Но отрицательные побочные эффекты всё же имеются. Среди них чаще всего выделяют шум, тепловое загрязнение атмосферы и химическое - воды и почвы, а также образование твёрдых отходов.

Главный источник химического загрязнения среды - собственно термальная вода (с высокой температурой и минерализацией), нередко содержащая большие количества токсичных соединений, в связи с чем существует проблема утилизации отработанной воды и опасных веществ.

Отрицательные эффекты геотермальной энергетики могут прослеживаться на нескольких этапах, начиная с бурения скважин. Здесь возникают те же опасности, что и при бурении любой скважины: разрушение почвенно-растительного покрова, загрязнение грунта и грунтовых вод.

На стадии эксплуатации ГеоЭС проблемы загрязнения окружающей среды сохраняются. Термальные флюиды - вода и пар - обычно содержат углекислый газ (CO 2), сульфид серы (H 2 S), аммиак (NH 3), метан (CH 4), поваренную соль (NaCl), бор (B), мышьяк (As), ртуть (Hg). При выбросах во внешнюю среду они становятся источниками её загрязнения. Кроме того, агрессивная химическая среда может вызывать коррозионные разрушения конструкций ГеоТЭС.

В то же время выбросы загрязняющих веществ на ГеоЭС в среднем ниже, чем на ТЭС. Например, выбросы углекислого газа на каждый киловатт-час выработанной электроэнергии составляют до 380 г на ГеоЭС, 1042 г - на угольных ТЭС, 906 г - на мазутных и 453 г - на газовых ТЭС.

Возникает вопрос: что делать с отработанной водой? При невысокой минерализации она после охлаждения может быть сброшена в поверхностные воды. Другой путь - закачивание её обратно в водоносный пласт через нагнетательную скважину, что предпочтительно и преимущественно применяется в настоящее время.

Добыча термальной воды из водоносных пластов (как и выкачивание обычной воды) может вызывать просадку и подвижки грунта, другие деформации геологических слоёв, микроземлетрясения. Вероятность таких явлений, как правило, невелика, хотя отдельные случаи зафиксированы (например, на ГеоЭС в Штауфен-им-Брайсгау в Германии).

Следует подчеркнуть, что большая часть ГеоЭС расположена на сравнительно малонаселённых территориях и в странах третьего мира, где экологические требования бывают менее жёсткими, чем в развитых странах. Кроме того, на данный момент количество ГеоЭС и их мощности сравнительно невелики. При более масштабном развитии геотермальной энергетики экологические риски могут возрасти и умножиться.

Почём энергия Земли?

Инвестиционные затраты на строительство геотермальных систем варьируют в очень широком диапазоне - от 200 до 5000 долларов на 1 кВт установленной мощности, то есть самые дешёвые варианты сопоставимы со стоимостью строительства ТЭС. Зависят они, прежде всего, от условий залегания термальных вод, их состава, конструкции системы. Бурение на большую глубину, создание замкнутой системы с двумя скважинами, необходимость очистки воды могут многократно увеличивать стоимость.

Например, инвестиции в создание петротермальной циркуляционной системы (ПЦС) оцениваются в 1,6–4 тыс. долларов на 1 кВт установленной мощности, что превышает затраты на строительство атомной электростанции и сопоставимо с затратами на строительство ветряных и солнечных электростанций.

Очевидное экономическое преимущество ГеоТЭС - бесплатный энергоноситель. Для сравнения - в структуре затрат работающей ТЭС или АЭС на топливо приходится 50–80% или даже больше, в зависимости от текущих цен на энергоносители. Отсюда ещё одно преимущество геотермальной системы: расходы при эксплуатации более стабильны и предсказуемы, поскольку не зависят от внешней конъюнктуры цен на энергоносители. В целом эксплуатационные затраты ГеоТЭС оцениваются в 2–10 центов (60 коп.–3 руб.) на 1 кВт·ч произведённой мощности.

Вторая по величине после энергоносителя (и весьма существенная) статья расходов - это, как правило, заработная плата персонала станции, которая может кардинально различаться по странам и регионам.

В среднем себестоимость 1 кВт·ч геотермальной энергии сопоставима с таковой для ТЭС (в российских условиях - около 1 руб./1 кВт·ч) и в десять раз выше себестоимости выработки электроэнергии на ГЭС (5–10 коп./1 кВт·ч).

Отчасти причина высокой себестоимости заключается в том, что, в отличие от тепловых и гидравлических электростанций, ГеоТЭС имеет сравнительно небольшую мощность. Кроме того, необходимо сравнивать системы, находящиеся в одном регионе и в сходных условиях. Так, например, на Камчатке, по оценкам экспертов, 1 кВт·ч геотермальной электроэнергии обходится в 2–3 раза дешевле электроэнергии, произведённой на местных ТЭС.

Показатели экономической эффективности работы геотермальной системы зависят, например, и от того, нужно ли утилизировать отработанную воду и какими способами это делается, возможно ли комбинированное использование ресурса. Так, химические элементы и соединения, извлечённые из термальной воды, могут дать дополнительный доход. Вспомним пример Лардерелло: первичным там было именно химическое производство, а использование геотермальной энергии первоначально носило вспомогательный характер.

Форварды геотермальной энергетики

Геотермальная энергетика развивается несколько иначе, чем ветряная и солнечная. В настоящее время она в существенно большей степени зависит от характера самого ресурса, который резко различается по регионам, а наибольшие концентрации привязаны к узким зонам геотермических аномалий, связанных, как правило, с районами развития тектонических разломов и вулканизма.

Кроме того, геотермальная энергетика менее технологически ёмкая по сравнению с ветряной и тем более с солнечной энергетикой: системы геотермальных станций достаточно просты.

В общей структуре мирового производства электроэнергии на геотермальную составляющую приходится менее 1%, но в некоторых регионах и странах её доля достигает 25–30%. Из-за привязки к геологическим условиям значительная часть мощностей геотермальной энергетики сосредоточена в странах третьего мира, где выделяются три кластера наибольшего развития отрасли - острова Юго-Восточной Азии, Центральная Америка и Восточная Африка. Два первых региона входят в Тихоокеанский «огненный пояс Земли», третий привязан к Восточно-Африканскому рифту. С наибольшей вероятностью геотермальная энергетика и далее будет развиваться в этих поясах. Более отдалённая перспектива - развитие петротермальной энергетики, использующей тепло слоёв земли, лежащих на глубине нескольких километров. Это практически повсеместно распространённый ресурс, но его извлечение требует высоких затрат, поэтому петротермальная энергетика развивается прежде всего в наиболее экономически и технологически мощных странах.

В целом, учитывая повсеместное распространение геотермальных ресурсов и приемлемый уровень экологической безопасности, есть основания предполагать, что геотермальная энергетика имеет хорошие перспективы развития. Особенно при нарастании угрозы дефицита традиционных энергоносителей и росте цен на них.

От Камчатки до Кавказа

В России развитие геотермальной энергетики имеет достаточно давнюю историю, и по ряду позиций мы находимся в числе мировых лидеров, хотя в общем энергобалансе огромной страны доля геотермальной энергии пока ничтожно мала.

Пионерами и центрами развития геотермальной энергетики в России стали два региона - Камчатка и Северный Кавказ, причём если в первом случае речь идёт прежде всего об электроэнергетике, то во втором - об использовании тепловой энергии термальной воды.

На Северном Кавказе - в Краснодарском крае, Чечне, Дагестане - тепло термальных вод для энергетических целей использовалось ещё до Великой Отечественной войны. В 1980–1990-е годы развитие геотермальной энергетики в регионе по понятным причинам застопорилось и пока из состояния стагнации не вышло. Тем не менее геотермальное водоснабжение на Северном Кавказе обеспечивает теплом около 500 тыс. человек, а, например, город Лабинск в Краснодарском крае с населением 60 тыс. человек полностью отапливается за счёт геотермальных вод.

На Камчатке история геотермальной энергетики связана, прежде всего, со строительством ГеоЭС. Первые из них, до сих пор работающие Паужетская и Паратунская станции, были построены ещё в 1965–1967 годах, при этом Паратунская ГеоЭС мощностью 600 кВт стала первой станцией в мире с бинарным циклом. Это была разработка советских учёных С. С. Кутателадзе и А. М. Розенфельда из Института теплофизики СО РАН, получивших в 1965 году авторское свидетельство на извлечение электроэнергии из воды с температурой от 70°C. Эта технология впоследствии стала прототипом для более 400 бинарных ГеоЭС в мире.

Мощность Паужетской ГеоЭС, введённой в эксплуатацию в 1966 году, изначально составляла 5 МВт и впоследствии была наращена до 12 МВт. В настоящее время на станции идёт строительство бинарного блока, который увеличит её мощность ещё на 2,5 МВт.

Развитие геотермальной энергетики в СССР и России тормозилось доступностью традиционных энергоносителей - нефти, газа, угля, но никогда не прекращалось. Крупнейшие на данный момент объекты геотермальной энергетики - Верхне-Мутновская ГеоЭС с суммарной мощностью энергоблоков 12 МВт, введённая в эксплуатацию в 1999 году, и Мутновская ГеоЭС мощностью 50 МВт (2002 год).

Мутновская и Верхне-Мутновская ГеоЭС - уникальные объекты не только для России, но и в мировом масштабе. Станции расположены у подножия вулкана Мутновский, на высоте 800 метров над уровнем моря, и работают в экстремальных климатических условиях, где 9–10 месяцев в году зима. Оборудование Мутновских ГеоЭС, на данный момент одно из самых современных в мире, полностью создано на отечественных предприятиях энергетического машиностроения.

В настоящее время доля Мутновских станций в общей структуре энергопотребления Центрально-Камчатского энергетического узла составляет 40%. В ближайшие годы планируется увеличение мощности.

Отдельно следует сказать о российских петротермальных разработках. Крупных ПЦС у нас пока нет, однако есть передовые технологии бурения на большую глубину (порядка 10 км), которые также не имеют аналогов в мире. Их дальнейшее развитие позволит кардинально снизить затраты на создание петротермальных систем. Разработчики данных технологий и проектов - Н. А. Гнатусь, М. Д. Хуторской (Геологический институт РАН), А. С. Некрасов (Институт народнохозяйственного прогнозирования РАН) и специалисты Калужского турбинного завода. Сейчас проект петротермальной циркуляционной системы в России находится на экспериментальной стадии.

Перспективы у геотермальной энергетики в России есть, хотя и сравнительно отдалённые: на данный момент достаточно велик потенциал и сильны позиции традиционной энергетики. В то же время в ряде отдалённых районов страны использование геотермальной энергии экономически выгодно и востребовано уже сейчас. Это территории с высоким геоэнергетическим потенциалом (Чукотка, Камчатка, Курилы - российская часть Тихоокеанского «огненного пояса Земли», горы Южной Сибири и Кавказ) и одновременно удалённые и отрезанные от централизованного энергоснабжения.

Вероятно, в ближайшие десятилетия геотермальная энергетика в нашей стране будет развиваться именно в таких регионах.

"Мы не знаем когда точно возник земной магнетизм, однако это могло и произойти вскоре после формирования мантии и внешнего ядра. Для включения геодинамо требуется внешнее затравочное поле, причем необязательно мощное. Эту роль, к примеру, могло взять на себя магнитное поле Солнца, или поле токов, порожденных в ядре за счет термоэлектрического эффекта. В конечном счете, не слишком важно, источников магнетизма хватало. При наличии такого поля и кругового движения токов проводящей жидкости, запуск внутрипланетной динамомашины становится просто неизбежным"

Дэвид Стивенсон, профессор калифорнийского психологического института - крупнейший специалист по планетарному магнетизму

Земля – огромный генератор неисчерпаемой электрической энергии

Еще в 16 веке английский врач и физик Уильям Гильберт высказывал предположение о том, что земной шар является гигантским магнитом, а знаменитый французский ученый Андре Мари Ампер (1775-1836гг.), чьим именем названа физическая величина, определяющая силу электрического тока, доказывал, что наша Планета представляет из себя огромную динамо-машину, вырабатывающую электрический ток. При этом магнитное поле Земли есть производная от этого тока, который обтекает Землю с запада на восток и по этой причине магнитное поле Земли направлено с юга на север. Уже в начале 20-го века, после проведения значительного количества практических экспериментов, знаменитым ученым и экспериментатором Николой Тесла, предположения У. Гильберта и А. Ампера получили свое подтверждение. О некоторых экспериментах Н.Теслы и их практических результатах мы поговорим в дальнейшем, непосредственно в этой статье.

Интересные данные об огромных, по своей величине, электрических токах, протекающих в глубинах океанских вод, сообщил с своей работе "Обходите впадины стороной" (журнал "Изобретатель и рационализатор" №11. 1980г.), кандидат технических наук, автор научных трудов в областях машиностроения, акустики, физики металлов, технологии радиоаппаратуры, автор более 40 изобретений-Альфтан Эрминингельт Алексеевич. Возникает естественный вопрос: "Что из себя представляет эта природная динамомашина и есть ли возможность использования неисчерпаемой энергии этого генератора электрического тока в интересах человека?" Целью данной статьи и является поиск ответов и на этот, и на другие вопросы, связанные с этой тематикой.

Раздел 1 Что является первопричиной возникновения электрического тока внутри Земли? Каковы потенциалы электрического и магнитных полей над поверхностью Земли, обусловленные протеканием электрического тока внутри нашей Планеты?

Внутреннее строение Земли, ее недр и земной коры формировалось в течении миллиардов лет. Под действием собственного гравитационного поля происходил разогрев ее недр, а это привело к дифферентации внутреннего строения недр Земли и ее оболочки - земной коры по агрегатному состоянию, химическому составу и физическим свойствам, в результате чего недра Земли и ее околоземное пространство приобрели следующую структуру:

Ядро Земли, расположенное в центре внутренней земной сферы;
- Мантия;
- Земная кора;
- Гидросфера;
- Атмосфера;
- Магнитосфера

Земная кора, мантия, и внутренняя часть ядра Земли состоят из твердых веществ. Внешняя часть ядра Земли состоит, в основном, из расплавленной массы железа, с добавкой никеля, кремния и небольшого количества других элементов. Основной тип земной коры -материковый и океанический, в переходной зоне от материка к океану развита кора промежуточного строения.

Ядро Земли - центральная, наиболее глубинная геосфера Планеты. Средний радиус ядра около 3.5 тысяч километров. Само ядро состоит из внешней и внутренней части(субъядро). Температура в центре ядра достигает примерно 5000 градусов Цельсия, плотность около 12.5 тонн/м2, давление до 361 Гпа. В последние годы появились новые, дополнительные сведения о ядре Земли. Как было установлено учеными- Полем Ричардсом (земная обсерватория Лимонте-Доэрти) и Сяодун Суном (университет Иллинойса), железное расплавленное ядро Планеты, при при его вращении вокруг земной оси, обгоняет вращение остальной части земного шара на 0.25-0.5 градусов в год. Определен диаметр твердой, внутренней части ядра(субъядро). Он составляет 2.414 тысяч километров(журнал "Открытия и гипотезы", ноябрь. 2005 год. Киев).

В настоящее время высказывается следующая основная гипотеза, объясняющая возникновение электрического тока внутри расплавленной внешней оболочки ядра Земли. Суть этой гипотезы состоит в следующем: Вращение Земли вокруг своей оси приводит к возникновению турбулентности во внешней, расплавленной оболочке ядра, что, в свою очередь, приводит к возникновению электрического тока, протекающего внутри расплавленного железа. Думаю, что в качестве гипотезы, можно высказать и следующее предположение. Так как внешняя, расплавленная часть оболочки ядра Земли находится в постоянном движении как относительно своего субъядра, так и относительно наружной части-Мантии Земли, и этот процесс протекает в течении очень длительного периода времени, произошла наэлектролизованность расплавленной, внешней части ядра Земли. В результате процесса наэлектролизованности возникло направленное движение свободных электронов, в огромнейшем количестве находящихся в расплавленной массе железа, в результате чего в замкнутом контуре внешнего ядра образовался огромный по своей величине электрический ток, по всей видимости его величину можно оценить не менее чем в сотни миллионов ампер и выше. В свою очередь, вокруг силовых линий электрического тока образовались силовые линии магнитного поля, сдвинутые относительно силовых линий электрического тока на 90 градусов. Пройдя через огромную толщу Земли, напряженность электрического и магнитных полей в значительной мере уменьшилась. И если говорить конкретно о напряженности силовых линий магнитного поля Земли, то на ее магнитных полюсах напряженность магнитного поля Земли составляет по величине 0.63 гаусса.

Кроме вышеприведенных гипотез, надеюсь, уместно будет привести и результаты исследований французских ученных, о чем поведал в статье "Ядро Земли" автор Леонид Попов. Полный текст статьи размещен в Интернете, а я приведу только небольшую часть указанного текста.

"Группа исследователей из университетов Жозефера, Фурье и Лиона утверждают, что внутреннее ядро Земли постоянно кристаллизируется на западе и плавится на востоке. Вся масса внутреннего ядра медленно смещается от западной стороны к восточной со скоростью 1.5 см в год. Возраст внутреннего твердого тела ядра оценивается в 2-4 млрд лет, в то время как земли- 4.5 млрд лет.

Столь мощные процессы затвердевания и плавления очевидно, не могут не сказаться на конвективных потоках в ядре внешнем. А значит они затрагивают и планетарную динамо-машину и земное магнитное поле и поведение мантии и движение материков.

Не тут ли кроется разгадка несовпадения скорости вращения ядра и остальной планеты и путь к объяснению ускоряющего сдвига магнитных полюсов?" (Интернет, тема статьи "Ядро Земли постоянно переваривает само себя". Автор Леонид Попов. 9 августа 2010 года)

Согласно уравнениям Джеймса Максвелла (1831-1879гг.), вокруг силовых линий магнитного поля образуются силовые линии электрического тока, совпадающие по своему направлению с направлением движения тока внутри наружного расплавленного ядра Планеты. Следовательно, как внутри "тела" Земли, так и вокруг околоземной поверхности должно иметь место наличие силовых линий электрического поля, причем, чем дальше электрическое(как и магнитное поле) поле находится от ядра Земли, тем ниже напряженность его силовых линий. Так фактически должно быть и этому предположению имеется реальное подтверждение.

Откроем "Справочник по физике" автора А.С. Еноковича (Москва. Изд "Просвещение", 1990 год) и обратимся к данным, приведенным в таблице 335 "Физические параметры Земли". Читаем:
- Напряженность электрического поля
непосредственно у поверхности Земли - 130 вольт/ м;
- На высоте 0.5 км на поверхностью Земли - 50 вольт/ м;
- На высоте 3 км над поверхностью Земли - 30 вольт/ м;
- На высоте 12 км над поверхностью Земли - 2.5 вольт/ м;

Здесь же дана величина электрического заряда Земли- 57-10 в четвертой степени кулон.

Напомним, что единица количества электричества в 1 кулон равна количеству электричества, проходящего через поперечное сечение при силе тока 1 ампер за время 1 сек.

Практически во всех источниках, несущих информацию о магнитном и электрическом полях Земли отмечается, что они носят пульсирующий характер.

Раздел 2. Причины возникновения пульсаций магнитного и электрического силовых полей Планеты.

Известно, что напряженность магнитного поля Земли не постоянна и возрастает с широтой. Максимальная напряженность силовых линий магнитного поля Земли наблюдается на ее полюсах, минимальная- на экваторе Планеты. Не остается она постоянной и в течении суток на всех широтах Земли. Суточные пульсации магнитного поля вызваны целым рядом причин: Циклическими изменениями солнечной активности; орбитальным движением Земли вокруг Солнца; суточным вращением Земли вокруг собственной оси; воздействием на расплавленную массу внешнего ядра Земли сил тяготений (гравитационных сил) других планет солнечной системы. Вполне понятно, что пульсации напряженности силовых линий магнитного поля, вызывают, в свою очередь, и пульсации напряженности электрического поля Планеты. Наша Земля, при орбитальном вращении вокруг Солнца, по почти круговой орбите, то приближается на минимальные расстояния к другим планетам солнечной системы, совершающим орбитальное движение вокруг Солнца по своим орбитам, то удаляется от них на максимальные расстояния. Рассмотрим конкретно, как изменяются минимальные и максимальные расстояния между Землей и другими планетами Солнечной системы, при их движении по своим орбитам вокруг Солнца:

Минимальное расстояние между Землей и Меркурием – 82х10 в 9-й степени м;
-Максимальное расстояние между ними – 217х10 в 9-й степени м;
-Минимальное расстояние между Землей и Венерой – 38х10 в 9-й степени м;
-Максимальное расстояние между ними – 261х10 в 9-й степени м;
-Минимальное расстояние между Землей и Марсом – 56х10 в 9-й степени м;
-Максимальное расстояние между ними – 400х10 в 9-й степени м;
-Минимальное расстояние между Землей и Юпитером – 588х10 в 9-й степени м;
-Максимальное расстояние между ними – 967х10 в 9-й степени м;
-Минимальное расстояние между Землей и Сатурном – 1199х10 в 9-й степени м;
-Максимальное расстояние между ними – 1650х10 в 9-й степени м;
-Минимальное расстояние между Землей и Ураном – 2568х10 в 9-й степени м;
-Максимальное расстояние между ними – 3153х10 в 9-й степени м;
-Минимальное расстояние между Землей и Нептуном – 4309х10 в 9-й степени м;
-Максимальное расстояние между ними – 4682х10 в 9-й степени м;
-Минимальное расстояние между Землей и Луной – 3.56х10 в 8-й степени м;
-Максимальное расстояние между ними – 4.07х10 в 8-й степени м;
-Минимальное расстояние между Землей и Солнцем – 1.47х10 в 11-й степени м;
-Максимальное расстояние между ними – 1.5х10 в 11-й степени м;

Используя известную формулу Ньютона и подставляя в нее данные о максимальных и минимальных расстояниях между планетами Солнечной системы и Землей, данные о минимальном и максимальном расстояниях между Землей и Луной, Землей и Солнцем, а также справочные данные о массах планет солнечной системы, Луны и Солнца и данные о величине гравитационной постоянной, определим минимальные и максимальные величины сил тяготений(гравитационных сил), воздействующих на нашу Планету, а следовательно, на ее расплавленное ядро, при орбитальном движении Земли вокруг Солнца и при орбитальном движении Луны вокруг Земли:

Величина силы тяготения между Меркурием и Землей, соответствующая минимальному расстоянию между ними - 1.77х10 в 15-й степени кг;
-Соответствующая максимальному расстоянию между ними - 2.5х10 в 14-й степени кг;
-Величина силы тяготения между Венерой и Землей, соответствующая минимальному расстоянию между ними - 1.35х10 в 17-й степени кг;
-Соответствующая максимальному расстоянию между ними -2.86х10 в 15-й степени кг;
-Величина силы тяготения между Марсом и Землей, соответствующая минимальному расстоянию между ними – 8.5х10 в 15-й степени кг;
-Соответствующая максимальному расстоянию между ними – 1.66х10 в 14-й степени кг;
-Величина силы тяготения между Юпитером и Землей, соответствующая минимальному расстоянию между ними – 2.23х10 в 17-й степени кг;
-Соответствующая максимальному расстоянию между ними – 8.25х10 в 16-й степени кг; -Величина силы тяготения между Сатурном и Землей, соответствующая минимальному расстоянию между ними – 1.6х10 в 16-й степени кг;
-Соответствующая максимальному расстоянию между ними – 8.48х10 в 15-й степени кг;
-Величина силы тяготения между Ураном и Землей, соответствующая минимальному расстоянию между ними – 5.31х10 в 14-й степени кг;
-Соответствующая максимальному расстоянию между ними – 3.56х10 в 16-й степени кг;
-Величина силы тяготения между Нептуном и Землей, соответствующая минимальному расстоянию между ними – 2.27х10 в 14-й степени кг;
-Соответствующая максимальному расстоянию между ними – 1.92х10 в 14-й степени кг;
-Величина силы тяготения между Луной и Землей, соответствующая минимальному расстоянию между ними – 2.31х10 в 19-й степени кг;
-Соответствующая максимальному расстоянию между ними – 1.77х10 в 19-й степени кг;
-Величина силы тяготения между Солнцем и Землей, соответствующая минимальному расстоянию между ними – 3.69х10 в 21-й степени кг;
-Соответствующая максимальному расстоянию между ними – 3.44х10 в 21-й степени кг;

Видно какие огромные величины сил тяготений воздействуют на внешнее, расплавленное ядро Земли. Можно только представить, как эти возмущающие силы, воздействуя одновременно, с разных сторон на эту расплавленную массу железа, заставляют ее то сжиматься, то увеличивать свое сечение и, как следствие, вызывают пульсации напряженностей как электрического, так и магнитного полей Планеты. Эти пульсации носят периодический характер, спектр их частот лежит в диапазонах инфразвуковых и очень низких частот.

Также на процесс образования пульсаций напряженностей электрического и магнитных полей влияет, правда в меньшей степени, суточное вращение Земли вокруг собственной оси. Действительно, силы тяготений планет, Луны, Солнца, находящиеся в данный конкретный период суток со стороны фронтальной поверхности Земли, оказывают на расплавленную массу ядра Планеты несколько более возмущающее воздействие, чем в этот же период суточного времени на обратную(тыльную) сторону массы ядра. При этом, часть ядра, направленная в сторону Солнца(Луны, планеты) вытягивается в сторону объекта возмущающего воздействия, а тыльная(обратная) сторона расплавленной массы железа, в это же время сжимается в сторону центрального твердого субъядра Земли, уменьшая свое сечение.

Раздел 3 Можно ли использовать электрическое поле Земли в практических целях?

Прежде чем получить ответ на этот вопрос, попытаемся провести некий мысленный виртуальный эксперимент, суть которого заключается в следующем. Разместим на высоте 0.5 км. от поверхности Земли(разумеется мысленно) металлический электрод, роль которого будет выполнять плоская металлическая пластина, площадью 1х1 м2. Сориентируем эту пластину относительно силовых линий напряженности электрического поля Земли таким образом, чтобы они пронизывали ее поверхность, то есть поверхность этой пластины должна быть установлена перпендикулярно силовым линиям электрического поля, направленным с запада на восток. Второй, точно такой же электрод, разместим таким же образом непосредственно у поверхности Земли. Произведем замер разности электрических потенциалов между этими электродами. Согласно данным, приведенным выше из "Справочника по физике", этот измеренный электрический потенциал должен быть 130в-50в=80 вольт.

Продолжим проведение мысленного эксперимента, несколько изменив начальные условия. Металлический электрод, который находился непосредственно у поверхности Земли, установим на ее поверхность и тщательно заземлим. Второй металлический электрод опустим а шахту на глубину 0.5км и, как в предыдущем случае, сориентируем его относительно силовых линий электрического поля Земли. Вновь произведем замеры величины электрического потенциала между этими электродами. Мы должны увидеть значительную разницу в величинах измеренных потенциалов электрического поля Земли. И чем глубже, внутрь Земли мы будем опускать второй электрод, тем выше будут величины измеренных разностей потенциалов электрического поля Планеты. И если мы бы смогли измерить разность электрических потенциалов между внешним жидким ядром Земли и ее поверхностью, то, по всей видимости, эти разности потенциалов как по напряжению, так и по мощности должно было бы хватить, чтобы обеспечить потребности в электроэнергии всего населения нашей Планеты.

Но все о чем мы рассуждали, к сожалению пока что рассматривается в области проведения виртуальных, мысленных экспериментов. А теперь обратимся к результатам практических экспериментов, которые были проведены в начале 20 века Николой Тесла и опубликованы в его работах.

В своей лаборатории в Колорадо - Спрингзе (США), построенной в районе Уорденклифа, Н.Тесла организовывал проведение экспериментов, позволяющих передавать информацию через толщу Земли на ее противоположную сторону. В качестве основы для успешного проведения задуманного эксперимента Н.Тесла предполагал использовать электрический потенциал Планеты, так как несколько раннее он убедился в том, что Земля электрически заряжена.

Для проведения намеченных экспериментов по его предложениям были построены башни-антенны, высотой до 60-ти метров, с медной полусферой на их верхушках. Эти медные полусферы играли роль того самого металлического электрода, о котором мы говорили выше. Основания построенных башен уходили под землю на глубину 40 метров, где заглубленная поверхность земли играла роль второго электрода. Результат экспериментов Н.Тесла описал в опубликованной им статье "Беспроводная передача электрической энергии" (5 марта 1904 года). Он писал: "Возможно не только отправлять без проводов телеграфные сообщения, но и доносить через весь земной шар слабые модуляции человеческого голоса и, более того, передавать энергию в неограниченных количествах на любые расстояния и без потерь"

И далее, в этой же статье: "В середине июня, когда шла подготовка к другой работе, я настроил один из моих понижающих трансформаторов с целью определения новаторским образом, экспериментально, электрический потенциал земного шара и изучения его периодических и случайных колебаний. Это сформировало часть плана, тщательно сформированного заранее. Высокочувствительный, автоматически приводящийся в действие прибор, контролирующий записывающее устройство, был включен во вторичную цепь, тогда как первичная была соединена с поверхностью Земли…Оказалось, что Земля, в буквальном смысле этого слова, живет электрическими колебаниями".

Убедительное доказательство того, что Земля действительно является огромным природным генератором неисчерпаемой электрической энергии и эта энергия носит пульсирующий гармоничный характер. В некоторых немногочисленных статьях, посвященных рассматриваемой теме, высказываются предположения о том, что землетрясения, взрывы в шахтах и на нефтедобывающих морских платформах, все это результаты проявления земного электричества.

На нашей планете значительное количество пустотелых природных образований, уходящих в глубь Земли, есть и значительное количество глубоких шахт, где можно провести практические исследования по определению возможностей использования электрической энергии, вырабатываемой природным генератором нашей Планеты. Остается только надеяться, что такие исследования когда-то будут проведены.

Раздел 4. Что происходит с электрическим полем Земли при разряде линейной молнии на ее поверхность?

Результаты опытов, проведенных Н.Тесла убедительно доказывают, что наша Планета есть природный генератор неисчерпаемой электрической энергии. Причем максимальный потенциал этой энергии заключен внутри расплавленной металлической оболочки внешнего ядра Планеты и убывает по мере приближения к ее поверхности и за пределами поверхности Земли. Результаты экспериментов, проведенных Н.Тесла также убедительно доказывают, что электрическое и магнитное поля Земли носят периодический пульсирующий характер, причем спектр частот пульсаций лежит в диапазоне инфразвуковых и очень низких частот. А это означает следующее - воздействуя на пульсирующее электрическое поле Земли с помощью внешнего источника гармоничных колебаний, близких или равных по частоте собственным пульсациям электрического поля Земли, можно добиться явления их резонанса. Н.Тесла писал: "При сокращении электрических волн до незначительного количества и достижения необходимых условий резонанса, схема(о которой говорилось выше) будет работать как огромный маятник, сохраняя неопределенный период времени энергию первоначальных возбуждающих импульсов, и последствия воздействия на Землю и ее проводящую атмосферу единых гармоничных колебаний излучения, которые, как показывают испытания в реальных условиях, могут развиться до такой степени, что превзойдут достигнутые природными проявлениями статистического электричества " (Статья "Беспроводная передача электрической энергии" 6 марта 1904 г).

А что из себя представляет резонанс колебаний? "Резонанс – это резкое возрастание амплитуды установившихся вынужденных колебаний при приближении частоты внешнего гармоничного воздействия к частоте одного из собственных колебаний системы " (Советский энциклопедический словарь, изд. "Советская энциклопедия". Москва. 1983г.)

Никола Тесла, в своих экспериментах, в качестве источника внешнего воздействия для достижений условий резонанса внутри Земли, использовал разряды как природных, так и искусственных линейных молний, которые он и его ассистенты, экспериментально создавали в своей лаборатории.
Что же из себя представляет линейная молния и каким образом она может быть использована в качестве внешнего источника гармоничных колебаний, способных создавать резонанс колебаний внутри Земли?

Откроем "Справочник по физике", таблица 240. Физические параметры молнии:
- длительность(средняя) вспышки разряда молнии, С – 0.2 сек.
(Примечание. Молния воспринимается глазом как одна вспышка, в действительности представляет собой прерывистый разряд, состоящий из отдельных разрядов-импульсов, число которых 2-3, но может доходить и до 50-ти).
- диаметр(средний) канала молнии, см – 16.
- сила тока молнии(типичное значение), А – 2х10 в 4-й степени.
- средняя длина молнии(между облаком и Землей), км – 2 – 3.
- разность потенциалов при возникновении молнии, В – до 4х10 в 9-й степени.
- число грозовых разрядов над Землей в 1 секунду – около 100.
Таким образом, молния представляет собой электрический импульс, огромной мощности и малой длительности действия. Специалисты, работающие в области импульсной техники могут подтвердить следующий факт- чем меньше длительность импульса(чем короче импульс), тем богаче спектр частот гармоничных электрических колебаний, формирующих этот импульс. Следовательно молния, представляющая собой кратковременный импульс электрической энергии, включает в себя ряд гармоничных электрических колебаний, лежащих в широком диапазоне частот, в том числе и в диапазоне инфронизких и очень низких частот. При этом максимальная мощность импульса распределяется как раз в области именно этих частот. А этот факт означает, что гармоничные колебания, возникающие при разряде линейной молнии на поверхность Земли, могут обеспечить возникновение резонанса при взаимодействии с собственными периодическими колебаниями(пульсациями) электрического поля Земли. В статье "Управляемая молния" от 8 марта 1904 года Н.Тесла писал: "Открытие земных стоячих волн показывает, что несмотря на ее огромные размеры(имеется в виду размеры Земли), целую планету можно подвергнуть в резонансные колебания как маленький камертон, что электрические колебания, приведенные в соответствии с ее физическими характеристиками и размерами, проходят через нее беспрепятственно". Известно, что в своих экспериментах, для достижения явления резонанса, Н.Тесла и его помощники создавали искусственные линейные молнии(искровые разряды) длиной чуть более 3-х метров с очень малой длительностью действия) и электрическим потенциалом - более пятидесяти миллионов вольт.

И тут возникает очень интересный вопрос: "А не является ли Тунгусский метеорит следствием резонансного воздействия природной линейной молнии на электрическое поле Земли?" Здесь не рассматривается вопрос влияния искусственных линейных молний, создаваемых в лаборатории Н.Тесла на появление Тунгусского метеорита, так как во время, связанное с событиями Тунгусского метеорита, лаборатория Н.Теслы уже не работала.

Вот как описывают события связанные с, так называемым, Тунгусским метеоритом свидетели этого явления. 17(30) июня 1908 года около 7 часов утра, над территорией бассейна реки Енисей пронесся громадных размеров огненный шар. Полет его завершился огромной силы взрывом, который произошел на высоте от 7 до 10 км от поверхности Земли. Мощность взрыва, как позже определили специалисты, примерно соответствовала мощности взрыва водородной бомбы от 10 до 40 мегатонн тротилового эквивалента.

Обратим особое внимание на то, что это событие произошло в летний период времени, то есть в период образований частых летних гроз, сопровождаемых разрядами молний. А нам известно, что именно разряды линейных молний на поверхность Земли могли вызвать резонансные явления внутри земного шара, что, в свою очередь, могло способствовать образованию шаровой молнии огромной электрической мощности. В качестве подтверждения высказанной, и не только мною, версии обратимся к "Энциклопедическому словарю" : "Шаровая молния – светящийся сфероид диаметром от 10см. и более, образуется обычно вслед за ударом линейной молнии и состоящий, по всей видимости, из неравновесной плазмы". Но это еще не все. Обратимся к статье Н.Теслы "Разговор с планетой " от 9 февраля 1901 года. Приведем отрывок из этой статьи: "Я уже продемонстрировал с помощью решающих испытаний практическую осуществляемость передачи сигнала с помощью моей системы от одной до другой точки земного шара, неважно насколько удаленных друг от друга, и вскорости я обращу неверующих в свою веру. У меня есть все причины поздравить себя с тем, что в ходе этих экспериментов, многие из которых были исключительно тонкими и рискованными, ни я сам, ни мои ассистенты не получили никаких повреждений. Во время работы с этими мощными электрическими колебаниями иногда происходили самые необычные явления. Из-за некоторой интерференции колебаний на огромные расстояния могли выскакивать настоящие огненные шары, и если бы кто-то находился на их пути или вблизи, он был бы моментально уничтожен".

Как видим, пока еще рано исключать возможность участия шаровой молнии в вышеописанных событиях, связанных с Тунгусским метеоритом. Частые летние грозы, приходящиеся на это время года, удары линейных молний могли быть причиной возникновения шаровой молнии, причем она могла возникнуть далеко за приделами бассейна реки Енисей и затем, "путешествуя" с огромной скоростью вдоль силовых линий электрического поля Земли, оказаться в том районе, где и произошли указанные выше события.

Заключение
Природные энергетические ресурсы Планеты неумолимо сокращаются. Идут активные поиски альтернативных источников энергии, позволяющих прийти на замену исчезающим. Думается, что настало время заняться глубокими исследованиями, как теоретически так и практически, в определении возможности использования электрического потенциала природного генератора электрической энергии в интересах Человека. И если подтвердиться, что такая возможность существует, и, при этом земному генератору, в результате использования его энергии, не будет нанесен вред, то вполне возможно, что электрическое поле Планет послужит людям в качестве одного из альтернативных источников энергии.

Клещевич В.А. Сентябрь-ноябрь 2011 года (г. Харьков)

Материки в свое время были сформированы из массивов земной коры, которая в той или иной степени выступает над уровнем воды в виде суши. Эти глыбы земной коры не один миллион лет раскалывались, сдвигались, части их сминались, чтобы предстать в том виде, которым известен нам сейчас.

Сегодня мы рассмотрим наибольшую и наименьшую мощность земной коры и особенности ее строения.

Немного о нашей планете

В начале формирования нашей планеты здесь действовали множественные вулканы, происходили постоянные столкновения с кометами. Лишь после того, как бомбардировки прекратились, раскаленная поверхность планеты застыла.
То есть ученые уверены, что изначально наша планета представляла собой бесплодную пустыню без воды и растительности. Откуда на ней взялось столько воды - до сих пор остается загадкой. Но не так давно под землей были обнаружены большие запасы воды, возможно, именно они и стали основой наших океанов.

Увы, все гипотезы о происхождении нашей планеты и ее составе являются скорее предположениями, чем фактами. Согласно утверждениям А. Вегенера, изначально Землю покрывал тонкий слой гранита, который в палеозойскую эру преобразовался в праматерик Пангею. В мезозойскую эру Пангея начала раскалываться на части, образовавшиеся материки постепенно отплывали друг от друга. Тихий океан, утверждает Вегенер, - это остаток первичного океана, а Атлантический и Индийский рассматриваются как вторичные.

Земная кора

Состав земной коры практически аналогичен составу планет нашей Солнечной системы - Венеры, Марса и др. Ведь основой для всех планет Солнечной системы послужили одни и те же вещества. А с недавних пор ученые уверены, что столкновение Земли с еще одной планетой, названной Теей, вызвало слияние двух небесных тел, а от отколовшегося осколка образовалась Луна. Это объясняет то, что минеральный состав Луны схож с составом нашей планеты. Ниже мы рассмотрим строение земной коры - карту ее слоев на суше и океане.

Кора составляет всего 1% от массы Земли. Преимущественно она состоит из кремния, железа, алюминия, кислорода, водорода, магния, кальция и натрия и еще 78 элементов. Предполагается, что в сравнении с мантией и ядром кора Земли - оболочка тонкая и хрупкая, состоящая преимущественно из легких веществ. Тяжелые же вещества, как считают геологи, спускаются к центру планеты, а самые тяжелые сосредоточены в ядре.

Строение земной коры и карта его слоев представлены на рисунке ниже.

Материковая земная кора

Кора Земли имеет 3 слоя, каждый из которых неровными пластами покрывает предыдущий. Большая часть ее поверхности - это континентальные и океанические равнины. Континенты также окружает шельф, который после обрывчатого изгиба переходит в континентальный склон (область подводной окраины материка).
Земная материковая кора делится на слои:

1. Осадочный.
2. Гранитный.
3. Базальтовый.

Осадочный слой покрывают осадочные, метаморфические и магматические горные породы. Мощность материковой земной коры составляет наименьший процент.

Типы материковой земной коры

Осадочные горные породы представляют собой скопления, среди которых находятся глина, карбонат, вулканогенные горные породы и другие твердые вещества. Это своеобразный осадок, который сформировался в результате тех или иных природных условий, которые раньше существовали на Земле. Он позволяет исследователям делать выводы по поводу истории нашей планеты.

Гранитный слой состоит из магматических и метаморфических горных пород, схожих с гранитом по своим свойствам. То есть не только гранит составляет второй слой земной коры, но вещества эти по составу очень с ним схожи и имеют примерно аналогичную прочность. Скорость его продольных волн достигает 5,5-6,5 км/с. Состоит он из гранитов, кристаллических сланцев, гнейсов и т. д.

Базальтовый слой слагается из веществ, по составу схожих с базальтами. Является более плотным в сравнении с гранитным слоем. Под базальтовым слоем протекает тягучая мантия из твердых веществ. Условно мантию от коры отделяет так называемая граница Мохоровичича, которая, по сути, разделяет слои различного химического состава. Характеризуется резким нарастанием скорости сейсмических волн.
То есть относительно тонкий слой земной коры является хрупкой преградой, отделяющей нас от раскаленной мантии. Толщина самой мантии составляет в среднем 3 000 км. Вместе с мантией движутся и тектонические плиты, которые, как часть литосферы, являются участком земной коры.

Ниже рассмотрим мощность материковой земной коры. Составляет она до 35 км.

Мощность материковой коры

Толщина земной коры варьируется от 30 до 70 км. И если под равнинами слой ее составляет всего 30-40 км, то под горными системами достигает 70 км. Под Гималаями толщина слоя доходит до 75 км.

Мощность материковой земной коры составляет от 5 до 80 км и напрямую зависит от ее возраста. Так, холодные древние платформы (Восточно-Европейская, Сибирская, Западно-Сибирская) имеют достаточно высокую мощность - 40-45 км.

При этом каждый из слоев имеет свою мощность и толщину, которая в разных областях материка может изменяться.

Мощность материковой земной коры составляет:

1. Осадочный слой - 10-15 км.

2. Гранитный слой - 5-15 км.

3. Базальтовый слой - 10-35 км.

Температура коры Земли

Температура повышается по мере углубления в нее. Считается, что температура ядра составляет до 5 000 С, однако эти цифры остаются условными, так как вид и состав его до сих пор не ясен ученым. По мере углубления в земную кору температура ее повышается каждые 100 м, однако ее цифры варьируются в зависимости от состава элементов и глубины. Океаническая земная кора имеет более высокую температуру.

Океаническая земная кора

Изначально, по предположениям ученых, Земля покрылась именно океаническим слоем коры, который несколько отличается по толщине и составу от материкового слоя. вероятно, возникла из верхнего дифференцированного слоя мантии, то есть по составу она очень близка к ней. Мощность земной коры океанического типа в 5 раз меньше, чем мощность материкового типа. При этом ее состав в глубоких и неглубоких районах морей и океанов друг от друга отличается несущественно.

Слои материковой коры

Мощность океанической земной коры составляют:

1. Слой океанической воды, толщина которого составляет 4 км.

2. Слой неплотных осадков. Мощность составляет 0,7 км.

3. Слой, сложенный из базальтов с карбонатными и кременистыми породами. Средняя мощность - 1,7 км. Он не выделяется резко и характеризуется уплотнением осадочного слоя. Этот вариант его строения называют субокеаническим.

4. Базальтовый слой, не отличающийся от континентальной коры. Мощность океанической земной коры составляет в этом слое 4,2 км.

Базальтовый слой океанической коры в зонах субдукции (зона, в которых один слой коры поглощает другой) превращается в эклогиты. Их плотность настолько высока, что они погружаются вглубь коры на глубину более 600 км, а затем опускаются в нижнюю мантию.

Учитывая, что наименьшая мощность земной коры наблюдается под океанами и составляет всего 5-10 км, ученые давно вынашивают идею начать бурение коры на глубине океанов, что позволило бы более подробно изучить внутреннее строение Земли. Однако слой океанической земной коры очень прочен, а исследования на глубине океана делают эту задачу еще более сложной.

Заключение

Земная кора, пожалуй, единственный слой, подробно изученный человечеством. А вот то, что находится под ней, до сих пор волнует геологов. Остается лишь надеяться, что однажды неизведанные глубины нашей Земли будут изучены.

И.М. Капитонов

Ядерное тепло Земли

Земное тепло

Земля – довольно сильно нагретое тело и является источником тепла. Она нагревается, прежде всего, за счёт поглощаемого ею солнечного излучения. Но Земля имеет и собственный тепловой ресурс сопоставимый с получаемым теплом от Солнца. Считается, что эта собственная энергия Земли имеет следующее происхождение. Земля возникла около 4.5 млрд лет назад вслед за образованием Солнца из вращающегося вокруг него и уплотняющегося протопланетного газо-пылевого диска. На раннем этапе своего формирования происходил разогрев земной субстанции за счёт сравнительно медленного гравитационного сжатия. Большую роль в тепловом балансе Земли играла также энергия, выделявшаяся при падении на неё мелких космических тел. Поэтому молодая Земля была расплавленной. Остывая, она постепенно пришла к своему нынешнему состоянию с твёрдой поверхностью, значительная часть которой покрыта океаническими и морскими водами. Этот твёрдый наружный слой называют земной корой и в среднем на участках суши его толщина около 40 км, а под океаническими водами – 5-10 км. Более глубокий слой Земли, называемый мантией , также состоит из твёрдого вещества. Он простирается на глубину почти до 3000 км и в нём содержится основная часть вещества Земли. Наконец самая внутренняя часть Земли – это её ядро . Оно состоит из двух слоёв – внешнего и внутреннего. Внешнее ядро это слой расплавленного железа и никеля при температуре 4500-6500 K толщиной 2000-2500 км. Внутреннее ядро радиусом 1000-1500 км представляет собой нагретый до температуры 4000-5000 K твёрдый железо-никелевый сплав плотностью около 14 г/см 3 , возникший при огромном (почти 4 млн бар) давлении.
Помимо внутреннего тепла Земли, доставшегося её в наследство от самого раннего горячего этапа её формирования, и количество которого должно уменьшаться со временем, существует и другой, – долговременный, связанный с радиоактивным распадом ядер с большим периодом полураспада – прежде всего, 232 Th, 235 U, 238 U и 40 K. Энергия, выделяющаяся в этих распадах – на их долю приходится почти 99% земной радиоактивной энергии – постоянно пополняет тепловые запасы Земли. Вышеперечисленные ядра содержатся в коре и мантии. Их распад приводит к нагреву как внешних, так и внутренних слоёв Земли.
Часть огромного тепла, содержащегося внутри Земли, постоянно выходит на её поверхность часто в весьма масштабных вулканических процессах. Тепловой поток, вытекающий из глубин Земли через её поверхность известен. Он составляет (47±2)·10 12 Ватт , что эквивалентно теплу, которое могут генерировать 50 тысяч атомных электростанций (средняя мощность одной АЭС около 10 9 Ватт). Возникает вопрос, играет ли какую-либо существенную роль радиоактивная энергия в полном тепловом бюджете Земли и если играет, то какую? Ответ на эти вопросы долгое время оставался неизвестным. В настоящее время появились возможности ответить на эти вопросы. Ключевая роль здесь принадлежит нейтрино (антинейтрино), которые рождаются в процессах радиоактивного распада ядер, входящих в состав вещества Земли и которые получили название гео-нейтрино .

Гео-нейтрино

Гео-нейтрино – это объединённое название нейтрино или антинейтрино, которые испускаются в результате бета-распада ядер, расположенных под земной поверхностью. Очевидно, что благодаря беспрецедентной проникающей способности, регистрация именно их (и только их) наземными нейтринными детекторами может дать объективную информацию о процессах радиоактивного распада, происходящих глубоко внутри Земли. Примером такого распада является β − -распад ядра 228 Ra, которое является продуктом α-распада долгоживущего ядра 232 Th (см. таблицу):

Период полураспада (T 1/2) ядра 228 Ra равен 5.75 лет, выделяющаяся энергия составляет около 46 кэВ. Энергетический спектр антинейтрино непрерывен с верхней границей близкой к выделяющейся энергии.
Распады ядер 232 Th, 235 U, 238 U представляют собой цепочки последовательных распадов, образующих так называемые радиоактивные ряды . В таких цепочках α-распады перемежаются β − -распадами, так как при α-распадах конечные ядра оказываются смещёнными от линии β-стабильности в область ядер, перегруженных нейтронами. После цепочки последовательных распадов в конце каждого ряда образуются стабильные ядра с близким или равным магическим числам количеством протонов и нейтронов (Z = 82, N = 126). Такими конечными ядрами являются стабильные изотопы свинца или висмута. Так распад T 1/2 завершается образованием дважды магического ядра 208 Pb, причем на пути 232 Th → 208 Pb происходит шесть α-распадов, перемежающихся четырьмя β − -распадами (в цепочке 238 U → 206 Pb восемь α- и шесть β − -распадов; в цепочке 235 U → 207 Pb семь α- и четыре β − -распада). Таким образом, энергетический спектр антинейтрино от каждого радиоактивного ряда представляет собой наложение парциальных спектров от отдельных β − -распадов, входящих в состав этого ряда. Спектры антинейтрино, образующихся в распадах 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, показаны на рис. 1. Распад 40 K это однократный β − -распад (см. таблицу). Наибольшей энергии (до 3.26 МэВ) антинейтрино достигают в распаде
214 Bi → 214 Po, являющемся звеном радиоактивного ряда 238 U. Полная энергия, выделяющаяся при прохождении всех звеньев распада ряда 232 Th → 208 Pb, равна 42.65 МэВ. Для радиоактивных рядов 235 U и 238 U эти энергии соответственно 46.39 и 51.69 МэВ. Энергия, освобождающаяся в распаде
40 K → 40 Ca, составляет 1.31 МэВ.

Характеристики ядер 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K

Ядро	Доля в % в смеси изотопов	Число ядер относит. ядер Si	T 1/2 , млрд лет	Первые звенья распада
232 Th	100	0.0335	14.0
235 U	0.7204	6.48·10 -5	0.704
238 U	99.2742	0.00893	4.47
40 K	0.0117	0.440	1.25

Оценка потока гео-нейтрино, сделанная на основе распада ядер 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, содержащихся в составе вещества Земли, приводит к величине порядка 10 6 см -2 сек -1 . Зарегистрировав эти гео-нейтрино, можно получить информацию о роли радиоактивного тепла в полном тепловом балансе Земли и проверить наши представления о содержании долгоживущих радиоизотопов в составе земного вещества.

Рис. 1. Энергетические спектры антинейтрино от распада ядер

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, нормализованные к одному распаду родительского ядра

Для регистрации электронных антинейтрино используется реакция

P → e + + n, (1)

в которой собственно и была открыта эта частица. Порог этой реакции 1.8 МэВ. Поэтому только гео-нейтрино, образующиеся в цепочках распада, стартующих с ядер 232 Th и 238 U, могут быть зарегистрированы в вышеуказанной реакции. Эффективное сечение обсуждаемой реакции крайне мало: σ ≈ 10 -43 см 2 . Отсюда следует, что нейтринный детектор с чувствительным объёмом 1 м 3 будет регистрировать не более нескольких событий в год. Очевидно, что для уверенной фиксации потоков гео-нейтрино необходимы нейтринные детекторы большого объёма, размещённые в подземных лабораториях для максимальной защиты от фона. Идея использовать для регистрации гео-нейтрино детекторы, предназначенные для изучения солнечных и реакторных нейтрино, возникла в 1998 г. . В настоящее время имеется два нейтринных детектора большого объёма, использующих жидкий сцинтиллятор и пригодные для решения поставленной задачи. Это нейтринные детекторы экспериментов KamLAND (Япония, ) и Borexino (Италия, ). Ниже рассматривается устройство детектора Borexino и полученные на этом детекторе результаты по регистрации гео-нейтрино.

Детектор Borexino и регистрация гео-нейтрино

Нейтринный детектор Борексино расположен в центральной Италии в подземной лаборатории под горным массивом Гран Сассо, высота горных пиков которого достигает 2.9 км (рис. 2).

Рис. 2. Схема расположения нейтринной лаборатории под горным массивом Гран Сассо (центральная Италия)

Борексино это несегментированный массивный детектор, активной средой которого являются
280 тонн органического жидкого сцинтиллятора. Им заполнен нейлоновый сферический сосуд диаметром 8.5 м (рис. 3). Сцинтиллятором является псевдокумол (С 9 Н 12) со сдвигающей спектр добавкой РРО (1.5 г/л). Свет от сцинтиллятора собирается 2212 восьмидюймовыми фотоумножителями (ФЭУ), размещёнными на сфере из нержавеющей стали (СНС).

Рис. 3. Схема устройства детектора Борексино

Нейлоновый сосуд с псевдокумолом является внутренним детектором, в задачу которого и входит регистрация нейтрино (антинейтрино). Внутренний детектор окружён двумя концентрическими буферными зонами, защищающими его от внешних гамма-квантов и нейтронов. Внутренняя зона заполнена несцинтиллирующей средой, состоящей из 900 тонн псевдокумола с добавками диметилфталата, гасящими сцинтилляции. Внешняя зона располагается поверх СНС и является водным черенковским детектором, содержащим 2000 тонн сверхчистой воды и отсекающим сигналы от мюонов, попадающих в установку извне. Для каждого взаимодействия, происходящего во внутреннем детекторе, определяется энергия и время. Калибровка детектора с использованием различных радиоактивных источников позволила весьма точно определить его энергетическую шкалу и степень воспроизводимости светового сигнала.
Борексино является детектором очень высокой радиационной чистоты. Все материалы прошли строгий отбор, а сцинтиллятор был подвергнут очистке для максимального уменьшения внутреннего фона. Вследствие высокой радиационной чистоты Борексино является прекрасным детектором для регистрации антинейтрино.
В реакции (1) позитрон даёт мгновенный сигнал, за которым через некоторое время следует захват нейтрона ядром водорода, что приводит к появлению γ-кванта с энергией 2.22 МэВ, создающего сигнал, задержанный относительно первого. В Борексино время захвата нейтрона около 260 мкс. Мгновенный и задержанный сигналы коррелируют в пространстве и во времени, обеспечивая точное распознавание события, вызванного e .
Порог реакции (1) равен 1.806 МэВ и, как видно из рис. 1, все гео-нейтрино от распадов 40 K и 235 U оказываются ниже этого порога и лишь часть гео-нейтрино, возникших в распадах 232 Th и 238 U, может быть зарегистрирована.
Детектор Борексино впервые зарегистрировал сигналы от гео-нейтрино в 2010 г. и недавно опубликованы новые результаты, основанные на наблюдениях в течение 2056 дней в период с декабря 2007 г. по март 2015 г. Ниже мы приведём полученные данные и результаты их обсуждения, основываясь на статье .
В результате анализа экспериментальных данных были идентифицированы 77 кандидатов в электронные антинейтрино, прошедшие все критерии отбора. Фон от событий, имитирующих e , оценивался величиной . Таким образом, отношение сигнал/фон было ≈100.
Главным источником фона были реакторные антинейтрино. Для Борексино ситуация была достаточно благоприятной, так как вблизи лаборатории Гран Сассо нет ядерных реакторов. Кроме того, реакторные антинейтрино более энергичные по сравнению с гео-нейтрино, что позволяло отделить эти антинейтрино по величине сигнала от позитрона. Результаты анализа вкладов гео-нейтрино и реакторных антинейтрино в полное число зарегистрированных событий от e показаны на рис. 4. Количество зарегистрированных гео-нейтрино, даваемое этим анализом (на рис. 4 им соответствует затемнённая область), равно . В извлечённом в результате анализа спектре гео-нейтрино видны две группы – менее энергичная, более интенсивная и более энергичная, менее интенсивная. Эти группы авторы описываемого исследования связывают с распадами соответственно тория и урана.
В обсуждаемом анализе использовалось отношение масс тория и урана в веществе Земли
m(Th)/m(U) = 3.9 (в таблице эта величина ≈3.8). Указанная цифра отражает относительное содержание этих химических элементов в хондритах – наиболее распространённой группе метеоритов (более 90% метеоритов, упавших на Землю, относятся к этой группе). Считается, что состав хондритов за исключением лёгких газов (водород и гелий) повторяет состав Солнечной системы и протопланетного диска, из которого образовалась Земля.

Рис. 4. Спектр светового выхода от позитронов в единицах числа фотоэлектронов для событий-кандидатов в антинейтрино (экспериментальные точки). Затемнённая область – вклад гео-нейтрино. Сплошная линия – вклад реакторных антинейтрино.