Bagi Rusia, energi panas bumi dapat menjadi sumber yang konstan dan andal untuk menyediakan listrik dan panas yang murah dan terjangkau dengan menggunakan teknologi tinggi baru yang ramah lingkungan untuk ekstraksi dan pasokannya ke konsumen. Ini terutama benar saat ini
Sumber daya bahan baku energi fosil yang terbatas
Permintaan bahan baku energi organik tinggi di industri dan negara berkembang(AS, Jepang, negara-negara Eropa bersatu, Cina, India, dll.). Pada saat yang sama, sumber daya hidrokarbon mereka sendiri di negara-negara ini tidak mencukupi atau dicadangkan, dan sebuah negara, misalnya, Amerika Serikat, membeli bahan baku energi di luar negeri atau mengembangkan simpanan di negara lain.
Di Rusia, salah satu negara terkaya dalam hal sumber daya energi, kebutuhan ekonomi akan energi masih dipenuhi oleh kemungkinan penggunaan sumber daya alam. Namun, ekstraksi fosil hidrokarbon dari perut sangat dengan cepat. Jika pada tahun 1940-an-1960-an. daerah penghasil minyak utama adalah "Baku Kedua" di Volga dan Cis-Ural, kemudian, mulai dari tahun 1970-an, dan hingga saat ini, daerah tersebut adalah Siberia Barat. Tetapi bahkan di sini ada penurunan yang signifikan dalam produksi fosil hidrokarbon. Era gas Cenomania yang "kering" sedang berlalu. Tahap sebelumnya dari pengembangan produksi yang ekstensif gas alam berakhir. Ekstraksinya dari deposit raksasa seperti Medvezhye, Urengoyskoye dan Yamburgskoye masing-masing berjumlah 84, 65 dan 50%. Proporsi cadangan minyak yang menguntungkan bagi pembangunan juga menurun seiring waktu.
Karena konsumsi aktif bahan bakar hidrokarbon, cadangan minyak dan gas alam di darat telah berkurang secara signifikan. Sekarang cadangan utama mereka terkonsentrasi pada landas kontinen. Dan meskipun bahan baku dasar industri minyak dan gas masih cukup untuk produksi minyak dan gas di Rusia di volume yang dibutuhkan, dalam waktu dekat akan disediakan oleh all in lagi karena perkembangan endapan dengan penambangan dan kondisi geologis yang kompleks. Pada saat yang sama, biaya produksi hidrokarbon akan meningkat.
Sebagian besar sumber daya tak terbarukan yang diekstraksi dari lapisan tanah bawah digunakan sebagai bahan bakar untuk pembangkit listrik. Pertama-tama, ini adalah bagian yang dalam struktur bahan bakar adalah 64%.
Di Rusia, 70% listrik dihasilkan di pembangkit listrik termal. Perusahaan energi negara setiap tahun membakar sekitar 500 juta ton c.e. ton untuk mendapatkan listrik dan panas, sedangkan produksi panas mengkonsumsi bahan bakar hidrokarbon 3-4 kali lebih banyak daripada pembangkit listrik.
Jumlah panas yang diperoleh dari pembakaran volume bahan baku hidrokarbon ini setara dengan penggunaan ratusan ton bahan bakar nuklir - perbedaannya sangat besar. Namun energi nuklir membutuhkan ketentuan keamanan lingkungan(untuk mencegah terulangnya Chernobyl) dan melindunginya dari kemungkinan serangan teroris, serta dekomisioning yang aman dan mahal dari unit tenaga nuklir usang dan bekas. Cadangan terbukti uranium yang dapat dipulihkan di dunia sekitar 3 juta 400 ribu ton, untuk seluruh periode sebelumnya (hingga 2007), sekitar 2 juta ton ditambang.
RES sebagai masa depan energi global
Dibesarkan di dekade terakhir Di dunia, minat terhadap sumber energi alternatif terbarukan (RES) disebabkan tidak hanya oleh menipisnya cadangan bahan bakar hidrokarbon, tetapi juga oleh kebutuhan untuk memecahkan isu yang berkaitan dengan lingkungan. Faktor obyektif (bahan bakar fosil dan cadangan uranium, serta perubahan lingkungan terkait dengan penggunaan api tradisional dan energi nuklir) dan tren pengembangan energi menunjukkan bahwa transisi ke metode dan bentuk baru pembangkitan energi tidak dapat dihindari. Sudah di paruh pertama abad XXI. akan ada transisi lengkap atau hampir lengkap ke sumber energi non-tradisional.
Semakin cepat terobosan dibuat ke arah ini, semakin tidak menyakitkan bagi seluruh masyarakat dan lebih bermanfaat bagi negara di mana langkah yang menentukan dalam arah yang ditunjukkan.
Ekonomi dunia telah menetapkan arah untuk transisi ke kombinasi rasional sumber energi tradisional dan baru. Konsumsi energi di dunia pada tahun 2000 berjumlah lebih dari 18 miliar ton setara bahan bakar. ton, dan konsumsi energi pada tahun 2025 dapat meningkat menjadi 30–38 miliar ton setara bahan bakar. ton, menurut data perkiraan, pada tahun 2050 konsumsi pada tingkat setara bahan bakar 60 miliar ton dimungkinkan. t Kecenderungan karakteristik dalam perkembangan ekonomi dunia pada periode yang ditinjau adalah penurunan sistematis dalam konsumsi bahan bakar fosil dan peningkatan yang sesuai dalam penggunaan bahan bakar non-tradisional. sumber energi. Energi panas Bumi menempati salah satu tempat pertama di antara mereka.
Saat ini, Kementerian Energi Federasi Rusia telah mengadopsi program pembangunan energi non-tradisional, termasuk 30 proyek besar penggunaan instalasi pompa panas (HPU), prinsip operasinya didasarkan pada konsumsi energi panas bumi yang berpotensi rendah.
Energi potensial rendah dari panas bumi dan pompa panas
Sumber energi potensial rendah dari panas bumi adalah radiasi matahari dan radiasi termal dari perut yang dipanaskan di planet kita. Saat ini, penggunaan energi tersebut merupakan salah satu bidang energi yang paling dinamis berkembang berdasarkan sumber energi terbarukan.
Panas bumi dapat digunakan dalam berbagai jenis bangunan dan struktur untuk pemanas, pasokan air panas, AC (pendingin), serta untuk jalur pemanas di waktu musim dingin tahun, pencegahan lapisan es, pemanasan lapangan di stadion luar ruangan, dll. Dalam bahasa Inggris literatur teknis sistem yang memanfaatkan panas bumi dalam sistem pemanas dan pendingin udara disebut sebagai GHP - "pompa panas panas bumi" (geothermal heat pumps). Karakteristik iklim negara-negara Tengah dan Eropa Utara, yang, bersama-sama dengan AS dan Kanada, merupakan area utama untuk penggunaan panas bumi tingkat rendah, menentukan ini terutama untuk tujuan pemanasan; pendinginan udara bahkan dalam periode musim panas relatif jarang diperlukan. Oleh karena itu, tidak seperti di AS, pompa panas di negara-negara Eropa beroperasi terutama dalam mode pemanasan. Di AS, mereka lebih sering digunakan dalam sistem pemanas udara yang dikombinasikan dengan ventilasi, yang memungkinkan pemanasan dan pendinginan udara luar. Di negara-negara Eropa, pompa panas biasanya digunakan dalam sistem pemanas air. Karena efisiensinya meningkat ketika perbedaan suhu antara evaporator dan kondensor berkurang, sistem pemanas lantai sering digunakan untuk memanaskan bangunan, di mana pendingin dengan suhu yang relatif rendah (35–40 ° C) bersirkulasi.
Jenis sistem untuk penggunaan energi potensial rendah dari panas bumi
PADA kasus umum Ada dua jenis sistem untuk menggunakan energi potensial rendah dari panas bumi:
- sistem terbuka: sebagai sumber energi panas tingkat rendah, air tanah digunakan, yang disuplai langsung ke pompa panas;
– sistem tertutup: penukar panas terletak di massif tanah; ketika pendingin dengan suhu lebih rendah dari tanah bersirkulasi melalui mereka, energi panas "diambil" dari tanah dan dipindahkan ke evaporator pompa panas (atau ketika pendingin dengan suhu yang lebih tinggi relatif terhadap tanah digunakan, itu didinginkan ).
minus sistem terbuka adalah bahwa sumur membutuhkan perawatan. Selain itu, penggunaan sistem seperti itu tidak mungkin dilakukan di semua area. Persyaratan utama untuk tanah dan air tanah adalah sebagai berikut:
- permeabilitas air yang cukup dari tanah, memungkinkan pengisian cadangan air;
- bagus komposisi kimia air tanah(misalnya kandungan besi rendah) untuk menghindari masalah kerak dan korosi pada pipa.
Sistem tertutup untuk penggunaan energi potensial rendah dari panas bumi
Sistem tertutup adalah horizontal dan vertikal (Gambar 1).
Beras. 1. Skema instalasi pompa kalor panas bumi dengan: a - horizontal
dan b - penukar panas tanah vertikal.
Penukar panas tanah horizontal
Di negara-negara Barat dan Eropa Tengah penukar panas tanah horizontal biasanya pipa terpisah diletakkan relatif erat dan terhubung satu sama lain secara seri atau paralel (Gbr. 2).
Beras. 2. Penukar panas tanah horizontal dengan: a - berurutan dan
b - koneksi paralel.
Untuk menyelamatkan area situs di mana panas dihilangkan, jenis penukar panas yang ditingkatkan telah dikembangkan, misalnya, penukar panas dalam bentuk spiral (Gbr. 3), yang terletak secara horizontal atau vertikal. Bentuk penukar panas ini umum di AS.
2. Rezim termal Bumi
Bumi adalah tubuh kosmik yang dingin. Suhu permukaan terutama tergantung pada panas yang dipasok dari luar. 95% dari panas lapisan atas bumi adalah luar (matahari) panas dan hanya 5% panas intern , yang berasal dari perut bumi dan mencakup beberapa sumber energi. Di perut bumi, suhu meningkat dengan kedalaman dari 1300 o C (di mantel atas) menjadi 3700 o C (di tengah inti).
panas luar. Panas datang ke permukaan bumi terutama dari Matahari. Setiap sentimeter persegi permukaan menerima sekitar 2 kalori panas dalam satu menit. Nilai ini disebut konstanta matahari dan mendefinisikan total panas yang datang ke bumi dari matahari. Selama setahun, itu berjumlah 2,26 10 21 kalori. Kedalaman penetrasi panas matahari ke dalam perut bumi terutama tergantung pada jumlah panas yang jatuh per satuan luas permukaan, dan pada konduktivitas termal. batu. Kedalaman maksimum yang menembus panas eksternal adalah 200 m di lautan dan sekitar 40 m di darat.
kehangatan internal. Dengan kedalaman, ada peningkatan suhu, yang terjadi sangat tidak merata di berbagai wilayah. Kenaikan suhu mengikuti hukum adiabatik dan tergantung pada kompresi zat di bawah tekanan ketika pertukaran panas dengan lingkungan tidak mungkin.
Sumber utama panas di dalam bumi:
Panas yang dilepaskan selama peluruhan radioaktif unsur.
Panas sisa yang tersisa dari pembentukan Bumi.
Panas gravitasi yang dilepaskan selama kompresi Bumi dan distribusi materi dalam kepadatan.
Panas yang dihasilkan oleh reaksi kimia yang terjadi di kedalaman kerak bumi.
Panas yang dilepaskan oleh gesekan pasang surut bumi.
Ada 3 zona suhu:
SAYA- zona suhu variabel . Perubahan suhu ditentukan oleh iklim daerah tersebut. Fluktuasi harian praktis mati pada kedalaman sekitar 1,5 m, dan fluktuasi tahunan pada kedalaman 20 ... 30 m Ia - zona beku.
II - zona suhu konstan terletak di kedalaman 15…40 m, tergantung wilayahnya.
AKU AKU AKU - zona panas .
Rezim suhu batuan di perut kerak bumi biasanya dinyatakan oleh gradien panas bumi dan langkah panas bumi.
Jumlah kenaikan suhu untuk setiap kedalaman 100 m disebut gradien panas bumi. Di Afrika, di ladang Witwatersrand, suhunya 1,5 °C, di Jepang (Echigo) - 2,9 °C, di Australia Selatan- 10,9 °С, di Kazakstan (Samarinda) - 6,3 °С, di Semenanjung Kola- 0,65 °С.
Beras. 3. Zona suhu di kerak bumi: I - zona suhu variabel, Iа - zona beku; II - zona suhu konstan; III - zona kenaikan suhu.
Kedalaman di mana suhu naik 1 derajat disebut langkah panas bumi. Nilai numerik langkah panas bumi tidak konstan tidak hanya pada garis lintang yang berbeda, tetapi juga pada kedalaman yang berbeda dari titik yang sama di wilayah tersebut. Nilai langkah panas bumi bervariasi dari 1,5 hingga 250 m, di Arkhangelsk - 10 m, di Moskow - 38,4 m, dan di Pyatigorsk - 1,5 m. Secara teoritis, nilai rata-rata langkah ini adalah 33 m.
Di sumur yang dibor di Moskow hingga kedalaman 1.630 m, suhu lubang dasar adalah 41 °C, dan di tambang yang dibor di Donbass hingga kedalaman 1.545 m, suhunya 56,3 °C. Suhu tertinggi tercatat di AS di sumur dengan kedalaman 7136 m, di mana itu sama dengan 224 °C. Peningkatan suhu dengan kedalaman harus diperhitungkan saat merancang struktur dalam Menurut perhitungan, pada kedalaman 400 km suhu seharusnya mencapai 1400...1700 °C. Suhu tertinggi (sekitar 5000 °C) diperoleh untuk inti bumi.
Kehangatan bumi. Kemungkinan sumber panas dalam
panas bumi- ilmu yang mempelajari medan panas bumi. Suhu rata-rata permukaan bumi adalah tren umum ke penurunan. Tiga miliar tahun yang lalu, suhu rata-rata di permukaan bumi adalah 71 o, sekarang menjadi 17 o. Sumber panas (termal ) Bidang bumi bersifat internal dan proses eksternal. Panas Bumi disebabkan oleh radiasi matahari dan berasal dari perut planet. Nilai masuknya panas dari kedua sumber secara kuantitatif sangat berbeda dan perannya dalam kehidupan planet ini berbeda. Pemanasan matahari di Bumi adalah 99,5% dari jumlah total panas yang diterima oleh permukaannya, dan pemanasan internal menyumbang 0,5%. Selain itu, masuknya panas internal sangat tidak merata di Bumi dan terkonsentrasi terutama di tempat-tempat manifestasi vulkanisme.
Sumber luar adalah radiasi matahari . Setengah energi matahari diserap oleh permukaan, vegetasi dan lapisan dekat permukaan kerak bumi. Setengah lainnya tercermin dalam ruang dunia. Radiasi sinar matahari mempertahankan suhu permukaan bumi rata-rata sekitar 0 0 C. Matahari menghangatkan lapisan permukaan bumi hingga kedalaman rata-rata 8 - 30 m, dengan kedalaman rata-rata 25 m, efek panas matahari berhenti dan suhu menjadi konstan (lapisan netral). Kedalaman ini minimal di area dengan iklim laut dan maksimum di Kutub Utara. Di bawah batas ini ada sabuk suhu konstan yang sesuai dengan suhu tahunan rata-rata daerah tersebut. Jadi, misalnya, di Moskow di wilayah pertanian. akademi. Timiryazev, pada kedalaman 20 m, suhu selalu tetap sama dengan 4,2 o C sejak 1882. Di Paris, pada kedalaman 28 m, termometer secara konsisten menunjukkan 11,83 o C selama lebih dari 100 tahun. suhu konstan adalah yang terdalam di mana abadi ( Frost abadi. Di bawah sabuk suhu konstan adalah zona panas bumi, yang dicirikan oleh panas yang dihasilkan oleh Bumi itu sendiri.
Sumber internal adalah perut Bumi. Bumi memancar ke luar angkasa lebih panas daripada yang diterimanya dari matahari. Sumber internal meliputi panas sisa dari saat planet dicairkan, panas reaksi termonuklir yang terjadi di perut bumi, panas kompresi gravitasi Bumi di bawah aksi gravitasi, panas reaksi kimia dan proses kristalisasi. , dll. (misalnya, gesekan pasang surut). Panas dari perut terutama berasal dari zona bergerak. Peningkatan suhu dengan kedalaman dikaitkan dengan keberadaan sumber internal panas - peluruhan isotop radioaktif– U, Th, K, diferensiasi gravitasi materi, gesekan pasang surut, redoks eksotermik reaksi kimia, metamorfisme dan transisi fase. Tingkat kenaikan suhu dengan kedalaman ditentukan oleh sejumlah faktor - konduktivitas termal, permeabilitas batuan, kedekatan dengan ruang vulkanik, dll.
Di bawah sabuk suhu konstan terjadi peningkatan suhu, rata-rata 1 o per 33 m ( tahap panas bumi) atau 3 o setiap 100 m ( gradien panas bumi). Nilai-nilai ini adalah indikator medan termal Bumi. Jelas bahwa nilai-nilai ini rata-rata dan nilainya bervariasi dalam berbagai bidang atau wilayah bumi. Tahap panas bumi di berbagai titik Bumi berbeda. Misalnya, di Moskow - 38,4 m, di Leningrad - 19,6, di Arkhangelsk - 10. Jadi, saat mengebor sumur dalam di Semenanjung Kola, pada kedalaman 12 km, suhu diasumsikan 150 derajat, pada kenyataannya ternyata sekitar 220 derajat. Saat mengebor sumur di Kaspia utara pada kedalaman 3000 m, suhu diasumsikan 150 derajat, tetapi ternyata 108 derajat.
Perlu dicatat bahwa fitur iklim medan dan suhu rata-rata tahunan tidak mempengaruhi perubahan nilai langkah panas bumi, alasannya adalah sebagai berikut:
1) dalam konduktivitas termal yang berbeda dari batuan yang membentuk area tertentu. Di bawah ukuran konduktivitas termal dipahami jumlah panas dalam kalori yang ditransfer dalam 1 detik. Melalui bagian 1 cm 2 dengan gradien suhu 1 o C;
2) dalam radioaktivitas batuan, semakin besar konduktivitas termal dan radioaktivitas, semakin rendah langkah panas bumi;
3) dalam berbagai kondisi terjadinya batuan dan umur gangguan terjadinya; pengamatan telah menunjukkan bahwa suhu naik lebih cepat di lapisan yang dikumpulkan dalam lipatan, mereka sering memiliki pelanggaran (retak), di mana akses panas dari kedalaman difasilitasi;
4) karakter air tanah: aliran air tanah panas batuan hangat, dingin - sejuk;
5) keterpencilan dari laut: dekat laut karena pendinginan batuan oleh massa air, langkah panas bumi lebih besar, dan pada kontak itu lebih kecil.
Mengetahui nilai spesifik dari langkah panas bumi sangat penting secara praktis.
1. Ini penting saat merancang tambang. Dalam beberapa kasus, akan perlu untuk mengambil tindakan untuk menurunkan suhu secara artifisial dalam pekerjaan yang dalam (suhu - 50 ° C adalah batas untuk seseorang di udara kering dan 40 ° C di udara basah); di tempat lain, akan mungkin untuk bekerja dengan sangat mendalam.
2. Sangat penting memiliki penilaian kondisi suhu selama tunneling di daerah pegunungan.
3. Studi tentang kondisi panas bumi di bagian dalam bumi memungkinkan penggunaan uap dan mata air panas yang muncul di permukaan bumi. Panas bawah tanah digunakan, misalnya, di Italia, Islandia; di Rusia, pembangkit listrik industri eksperimental dibangun di atas panas alami di Kamchatka.
Menggunakan data ukuran langkah panas bumi, seseorang dapat membuat beberapa asumsi tentang kondisi suhu zona dalam Bumi. Jika menerima nilai rata-rata langkah panas bumi melampaui 33 m dan menganggap bahwa kenaikan suhu dengan kedalaman terjadi secara merata, maka pada kedalaman 100 km akan ada suhu 3000 ° C. Suhu ini melebihi titik leleh semua zat yang dikenal di Bumi, oleh karena itu, ada harus massa cair pada kedalaman ini. Tetapi karena tekanan besar 31.000 atm. Massa superheated tidak memiliki karakteristik cairan, tetapi diberkahi dengan karakteristik benda padat.
Dengan kedalaman, langkah panas bumi tampaknya harus meningkat secara signifikan. Jika kita berasumsi bahwa langkahnya tidak berubah dengan kedalaman, maka suhu di pusat Bumi harus sekitar 200.000 derajat, dan menurut perhitungan, itu tidak boleh melebihi 5.000 - 10.000 derajat.
Sumber utama energi panas bumi adalah [ , ]:
Sampai saat ini, hanya empat sumber pertama yang telah dikuantifikasi. Di negara kita, jasa utama dalam hal ini adalah milik O.G. Sorokhtin dan S.A. Ushakov. Data berikut ini terutama didasarkan pada perhitungan para ilmuwan ini.
Panas dari diferensiasi gravitasi bumi
Salah satu keteraturan terpenting dalam perkembangan Bumi adalah diferensiasi substansinya, yang berlanjut hingga saat ini. Diferensiasi ini menghasilkan formasi inti dan kerak, perubahan komposisi primer jubah, sedangkan pembagian zat yang awalnya homogen menjadi pecahan kepadatan yang berbeda disertai pelepasan energi termal, dan pelepasan panas maksimum terjadi selama pemisahan materi terestrial pada inti padat dan berat dan sisa lebih ringan cangkang silikat mantel bumi. Saat ini, sebagian besar panas ini dihasilkan di perbatasan mantel - inti.
Energi Diferensiasi Gravitasi Bumi untuk seluruh waktu keberadaannya menonjol - 1,46 * 10 38 erg (1,46 * 10 31 J). Energi yang diberikan untuk sebagian besar pertama masuk ke energi kinetik arus konvektif dari zat mantel, dan kemudian masuk dengan hangat; sebagian lagi dihabiskan untuk tambahan kompresi bagian dalam bumi, timbul karena konsentrasi fase padat di bagian tengah Bumi. Dari 1.46*10 38 erg energi diferensiasi gravitasi Bumi pergi ke kompresi tambahannya 0,23*10 38 erg (0,23*10 31 J), dan dalam bentuk kalor yang dilepaskan 1.23*10 38 erg (1.23*10 31 J). Besarnya komponen termal ini secara signifikan melebihi pelepasan total di Bumi dari semua jenis energi lainnya. Distribusi dalam waktu nilai total dan laju pelepasan komponen termal energi gravitasi tercermin pada Gambar. 3.6 .
Beras. 3.6.
Tingkat modern generasi panas selama diferensiasi gravitasi Bumi - 3*10 20 erg/dtk (3*10 13W), yaitu dari nilai modern aliran panas melewati permukaan planet di ( 4.2-4.3) * 10 20 erg / dtk ((4.2-4.3)*10 13W), adalah ~ 70%
.
panas radiogenik
Disebabkan oleh peluruhan radioaktif yang tidak stabil isotop. Yang paling boros energi dan berumur panjang ( dengan waktu paruh sesuai dengan umur bumi) adalah isotop 238 U, 235 U, 232Th dan 40K. Kebanyakan dari mereka terkonsentrasi di kerak benua . Tingkat generasi modern panas radiogenik:
- oleh ahli geofisika Amerika V.Vakye - 1.14*10 20 erg/dtk (1.14*10 13W) ,
- menurut ahli geofisika Rusia O.G. Sorokhtin dan S.A. Ushakov - 1,26*10 20 erg/dtk(1.26*10 13W) .
Dari nilai aliran panas modern, ini adalah ~ 27-30%.
Dari total panas peluruhan radioaktif di 1,26*10 20 erg/dtk (1.26*10 13W) di kerak bumi menonjol - 0,91*10 20 erg/dtk, dan di dalam mantel - 0,35*10 20 erg/dtk. Dari sini dapat disimpulkan bahwa proporsi panas radiogenik mantel tidak melebihi 10% dari total kehilangan panas bumi modern, dan tidak dapat menjadi sumber energi utama untuk proses tektono-magmatik aktif, yang kedalamannya dapat mencapai 2.900 km. ; dan panas radiogenik yang dilepaskan di kerak relatif cepat hilang melalui permukaan bumi dan praktis tidak berpartisipasi dalam pemanasan perut bagian dalam planet ini.
Di zaman geologis masa lalu, jumlah panas radiogenik yang dilepaskan di mantel pasti lebih tinggi. Perkiraannya pada saat pembentukan Bumi ( 4,6 miliar tahun yang lalu) memberi - 6.95*10 20 erg/dtk. Sejak saat itu, telah terjadi penurunan yang stabil dalam laju pelepasan energi radiogenik (Gbr. 3.7 ).
Untuk semua waktu di Bumi menonjol ~4.27*10 37 erg(4.27*10 30 J) energi termal peluruhan radioaktif, yang hampir tiga kali lebih rendah dari nilai total panas diferensiasi gravitasi.
Panas gesekan pasang surut
Itu menonjol di interaksi gravitasi Bumi pertama dengan Bulan sebagai mayor terdekat badan luar angkasa. Terima kasih untuk saling tarikan gravitasi deformasi pasang surut terjadi di tubuh mereka - pembengkakan atau punuk. Punuk pasang surut planet, dengan daya tarik tambahannya, memengaruhi pergerakannya. Dengan demikian, daya tarik kedua punuk pasang surut Bumi menciptakan sepasang gaya yang bekerja baik di Bumi itu sendiri maupun di Bulan. Namun, pengaruh pembengkakan yang dekat dan menghadap bulan agak lebih kuat daripada yang jauh. Karena kenyataan bahwa kecepatan sudut rotasi bumi modern (7.27*10 -5 s -1) melebihi kecepatan orbit pergerakan bulan 2.66*10 -6 s -1), dan substansi planet tidak elastis secara ideal, maka punuk pasang surut Bumi, seolah-olah, terbawa oleh rotasi ke depan dan secara nyata mendahului pergerakan Bulan. Ini mengarah pada fakta bahwa pasang surut maksimum Bumi selalu terjadi di permukaannya lebih lambat dari saat ini klimaks Bulan, dan momen gaya tambahan bekerja di Bumi dan Bulan (Gbr. 3.8 ) .
Nilai mutlak gaya interaksi pasang surut dalam sistem Bumi-Bulan sekarang relatif kecil dan deformasi pasang surut litosfer yang disebabkan olehnya hanya dapat mencapai beberapa puluh sentimeter, tetapi mereka menyebabkan perlambatan bertahap rotasi Bumi dan, sebaliknya, percepatan gerakan orbit bulan dan jaraknya dari bumi. Energi kinetik pergerakan punuk pasang surut bumi berubah menjadi energi termal, karena friksi internal zat dalam punuk pasang surut.
Saat ini, laju pelepasan energi pasang surut sebesar G. McDonald adalah ~0,25*10 20 erg/dtk (0,25*10 13W), sedangkan bagian utamanya (sekitar 2/3) mungkin menghilang(tersebar) di hidrosfer. Oleh karena itu, proporsi energi pasang surut yang disebabkan oleh interaksi Bumi dengan Bulan dan dihamburkan dalam tanah padat(terutama di astenosfer), tidak melebihi 2 %
total energi panas yang dihasilkan di kedalamannya; dan fraksi pasang surut matahari tidak melebihi 20 %
dari pengaruh pasang surut bulan. Oleh karena itu, pasang surut sekarang hampir tidak berperan dalam nutrisi. proses tektonik energi, tetapi dalam beberapa kasus dapat bertindak sebagai " pemicu, seperti gempa bumi.
Jumlah energi pasang surut berhubungan langsung dengan jarak antara benda luar angkasa. Dan jika jarak antara Bumi dan Matahari tidak mengasumsikan perubahan signifikan pada skala waktu geologi, maka dalam sistem Bumi-Bulan parameter ini adalah variabel. Terlepas dari gagasan tentang, hampir semua peneliti mengakui bahwa pada tahap awal perkembangan Bumi, jarak ke Bulan secara signifikan lebih kecil daripada yang modern, sementara dalam proses pengembangan planet, menurut sebagian besar ilmuwan, secara bertahap meningkat. , dan menurut Yu.N. avsyuku jarak ini mengalami perubahan jangka panjang dalam bentuk siklus "kedatangan - keberangkatan" bulan. Ini menyiratkan bahwa di zaman geologis masa lalu peran panas pasang surut secara umum keseimbangan termal Tanah itu lebih signifikan. Secara umum, untuk seluruh waktu perkembangan Bumi, ia telah menonjol ~3.3*10 37 erg (3.3*10 30 J) energi panas pasang surut (ini tunduk pada pemindahan Bulan secara berurutan dari Bumi). Perubahan waktu laju pelepasan panas ini ditunjukkan pada Gambar. 3.10 .
Lebih dari setengah total energi pasang surut dilepaskan di katarchee (hala)) - 4,6-4,0 miliar tahun yang lalu, dan pada saat itu, hanya karena energi ini, Bumi juga dapat memanas hingga ~ 500 0 . energi intensif proses endogen
.
panas pertambahan
Ini adalah panas yang disimpan oleh Bumi sejak pembentukannya. Selama pertambahan, yang berlangsung selama beberapa puluh juta tahun, karena tumbukan planetesimal Bumi telah mengalami pemanasan yang signifikan. Pada saat yang sama, tidak ada konsensus tentang besarnya pemanasan ini. Saat ini, para peneliti cenderung percaya bahwa dalam proses pertambahan, Bumi mengalami, jika tidak lengkap, maka pencairan parsial yang signifikan, yang menyebabkan diferensiasi awal Proto-Bumi menjadi inti besi berat dan mantel silikat ringan, dan ke formasi "lautan magma" pada permukaannya atau pada kedalaman yang dangkal. Meski bahkan sebelum tahun 1990-an, modelnya relatif dingin bumi utama, yang secara bertahap memanas karena proses di atas, disertai dengan pelepasan sejumlah besar energi panas.
Penilaian yang akurat dari panas akresi primer dan bagiannya yang bertahan hingga saat ini dikaitkan dengan kesulitan yang signifikan. Oleh O.G. Sorokhtin dan S.A. Ushakov, yang merupakan pendukung Bumi primer yang relatif dingin, nilai energi pertambahan yang diubah menjadi panas adalah - 20.13*10 38 erg (20.13*10 31 J). Energi ini tanpa adanya kehilangan panas akan cukup untuk penguapan lengkap materi terestrial, karena suhu bisa naik ke 30.000 0. Tetapi proses pertambahannya relatif lama, dan energi tumbukan planetesimal hanya dilepaskan di lapisan dekat permukaan Bumi yang sedang tumbuh dan dengan cepat hilang dengan radiasi termal, sehingga pemanasan awal planet ini tidak besar. Besarnya ini radiasi termal, berjalan secara paralel dengan pembentukan (pertambahan) Bumi, para penulis ini memperkirakan 19.4*10 38 erg (19.4*10 31 J)
.
Dalam keseimbangan energi Bumi saat ini, panas pertambahan kemungkinan besar memainkan peran yang tidak signifikan.
MEREKA. Kapitonov
Panas nuklir bumi
panas bumi
Bumi adalah benda yang cukup panas dan merupakan sumber panas. Ini memanas terutama karena radiasi matahari yang diserapnya. Tetapi Bumi juga memiliki sumber panasnya sendiri yang sebanding dengan panas yang diterima dari Matahari. Diyakini bahwa energi Bumi sendiri ini memiliki asal usul sebagai berikut. Bumi muncul sekitar 4,5 miliar tahun yang lalu setelah pembentukan Matahari dari piringan debu-gas protoplanet yang berputar di sekitarnya dan mengembun. Pada tahap awal pembentukannya, substansi bumi memanas karena kompresi gravitasi yang relatif lambat. Peran penting dalam keseimbangan panas Bumi juga dimainkan oleh energi yang dilepaskan selama jatuhnya benda-benda kosmik kecil di atasnya. Karena itu, Bumi muda itu cair. Mendingin, secara bertahap sampai pada kondisi saat ini dengan permukaan padat, yang sebagian besar ditutupi dengan lautan dan perairan laut. Ini sulit lapisan luar ditelepon kerak bumi dan rata-rata di petak tanah ketebalannya sekitar 40 km, dan di bawah perairan laut- 5-10km. Lagi lapisan dalam Tanah yang disebut mantel, juga terdiri dari benda padat. Ini meluas hingga kedalaman hampir 3000 km dan berisi sebagian besar materi Bumi. Akhirnya, bagian terdalam dari Bumi adalah inti. Ini terdiri dari dua lapisan - eksternal dan internal. inti luar ini adalah lapisan besi cair dan nikel pada suhu 4500-6500 K dengan ketebalan 2000-2500 km. inti dengan radius 1000-1500 km adalah paduan besi-nikel padat yang dipanaskan hingga suhu 4000-5000 K dengan kepadatan sekitar 14 g / cm 3, yang muncul pada tekanan besar (hampir 4 juta bar).
Selain panas internal Bumi, yang diwarisi dari tahap panas paling awal pembentukannya, dan jumlahnya akan berkurang seiring waktu, ada lagi, jangka panjang, yang terkait dengan peluruhan radioaktif inti dengan setengah panjang yang panjang. kehidupan - pertama-tama, 232 Th, 235 U , 238 U dan 40 K. Energi yang dilepaskan dalam peluruhan ini - mereka menyumbang hampir 99% dari energi radioaktif bumi - terus-menerus mengisi kembali cadangan termal Bumi. Inti di atas terkandung dalam kerak dan mantel. Peluruhan mereka menyebabkan pemanasan lapisan luar dan dalam Bumi.
Bagian dari panas yang sangat besar yang terkandung di dalam Bumi terus-menerus dilepaskan ke permukaannya, seringkali dalam proses vulkanik berskala sangat besar. Aliran panas yang mengalir dari kedalaman bumi melalui permukaannya diketahui. Ini adalah (47±2)·10 12 watt, yang setara dengan panas yang dapat dihasilkan oleh 50 ribu pembangkit listrik tenaga nuklir (daya rata-rata satu pembangkit listrik tenaga nuklir adalah sekitar 109 watt). Timbul pertanyaan apakah ada peran penting energi radioaktif dalam total anggaran termal Bumi, dan jika diputar, lalu jenis apa? Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini lama tetap tidak diketahui. Sekarang ada kesempatan untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini. Peran kunci di sini milik neutrino (antineutrino), yang lahir dalam proses peluruhan radioaktif inti yang membentuk materi bumi dan yang disebut geo-neutrino.
Geo-neutrino
Geo-neutrino adalah nama gabungan untuk neutrino atau antineutrino, yang dipancarkan sebagai akibat peluruhan beta dari inti yang terletak di bawah permukaan bumi. Jelas, karena kemampuan penetrasi yang belum pernah terjadi sebelumnya, pendaftaran ini (dan hanya mereka) oleh detektor neutrino berbasis darat dapat memberikan informasi objektif tentang proses peluruhan radioaktif yang terjadi jauh di dalam Bumi. Contoh peluruhan tersebut adalah peluruhan - peluruhan inti 228 Ra, yang merupakan produk peluruhan inti 232 Th yang berumur panjang (lihat tabel):
Waktu paruh (T 1/2) dari inti 228 Ra adalah 5,75 tahun, dan energi yang dilepaskan sekitar 46 keV. Spektrum energi antineutrino kontinu dengan batas atas mendekati energi yang dilepaskan.
Peluruhan inti 232 Th, 235 U, 238 U adalah rantai peluruhan berurutan yang membentuk apa yang disebut seri radioaktif. Dalam rantai seperti itu, peluruhan diselingi dengan peluruhan , karena pada peluruhan inti terakhir ternyata bergeser dari garis stabilitas ke daerah inti yang kelebihan muatan neutron. Setelah rantai peluruhan berturut-turut di akhir setiap baris, inti stabil terbentuk dengan jumlah proton dan neutron yang mendekati atau sama dengan bilangan ajaib (Z
=
82,N= 126). Inti akhir tersebut adalah isotop stabil timbal atau bismut. Dengan demikian, peluruhan T 1/2 berakhir dengan pembentukan inti ajaib ganda 208 Pb, dan pada jalur 232 Th → 208 Pb, enam peluruhan terjadi, bergantian dengan empat peluruhan β (dalam rantai 238 U → 206 Pb, delapan - dan enam - - meluruh; ada tujuh - dan empat meluruh dalam rantai 235 U → 207 Pb). Dengan demikian, spektrum energi antineutrino dari setiap deret radioaktif merupakan superposisi spektrum parsial dari peluruhan individu yang menyusun deret ini. Spektrum antineutrino yang dihasilkan pada peluruhan 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K ditunjukkan pada Gambar. 1. Peluruhan 40 K adalah peluruhan tunggal (lihat tabel). energi terbesar(hingga 3,26 MeV) antineutrino mencapai peluruhan
214 Bi → 214 Po, yang merupakan penghubung dalam deret radioaktif 238 U. Energi total yang dilepaskan selama perjalanan semua mata rantai peluruhan dalam deret 232 Th → 208 Pb adalah 42,65 MeV. Untuk deret radioaktif 235 U dan 238 U, energi ini berturut-turut adalah 46,39 dan 51,69 MeV. Energi yang dilepaskan dalam peluruhan
40 K → 40 Ca adalah 1,31 MeV.
Karakteristik inti 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K
| Inti | Bagikan dalam % dalam campuran isotop |
Jumlah inti berhubungan. inti |
T 1/2 miliar tahun |
Tautan pertama membusuk |
|---|---|---|---|---|
| 232Th | 100 | 0.0335 | 14.0 | |
| 235 U | 0.7204 | 6.48 10 -5 | 0.704 | |
| 238 U | 99.2742 | 0.00893 | 4.47 | |
| 40K | 0.0117 | 0.440 | 1.25 |
 |
Perkiraan fluks geo-neutrino, dibuat berdasarkan peluruhan inti 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K yang terkandung dalam komposisi materi Bumi, menghasilkan nilai orde 106 cm -2 detik -1 . Dengan mendaftarkan geo-neutrino ini, seseorang dapat memperoleh informasi tentang peran panas radioaktif dalam keseimbangan panas total Bumi dan menguji gagasan kita tentang kandungan radioisotop berumur panjang dalam komposisi materi terestrial.
Beras. 1. Spektrum energi antineutrino dari peluruhan nuklir
232 Th, 235 U, 238 U, 40 K dinormalisasi menjadi satu peluruhan inti induk
Reaksi ini digunakan untuk mendaftarkan elektron antineutrino
P → e + + n, (1)
di mana partikel ini benar-benar ditemukan. Ambang batas untuk reaksi ini adalah 1,8 MeV. Oleh karena itu, hanya geo-neutrino yang terbentuk dalam rantai peluruhan mulai dari inti 232 Th dan 238 U yang dapat didaftarkan dalam reaksi di atas. Penampang melintang efektif dari reaksi yang dibahas sangat kecil: 10 -43 cm 2. Oleh karena itu, detektor neutrino dengan volume sensitif 1 m3 akan mencatat tidak lebih dari beberapa peristiwa per tahun. Jelas bahwa detektor neutrino diperlukan untuk memperbaiki fluks geo-neutrino secara andal. volume besar ditempatkan di laboratorium bawah tanah untuk perlindungan latar belakang yang maksimal. Ide untuk menggunakan detektor yang dirancang untuk mempelajari neutrino surya dan reaktor untuk pendaftaran geo-neutrino muncul pada tahun 1998. Saat ini, ada dua detektor neutrino volume besar menggunakan sintilator cair dan cocok untuk memecahkan masalah. Ini adalah detektor neutrino dari eksperimen KamLAND (Jepang, ) dan Borexino (Italia, ). Di bawah ini kami mempertimbangkan perangkat detektor Borexino dan hasil yang diperoleh pada detektor ini pada pendaftaran geo-neutrino.
Detektor Borexino dan registrasi geo-neutrino
Detektor neutrino Borexino terletak di Italia tengah di laboratorium bawah tanah di bawah pegunungan Gran Sasso, yang puncak gunungnya mencapai 2,9 km (Gbr. 2).
Beras. Gambar 2. Diagram lokasi laboratorium neutrino di bawah pegunungan Gran Sasso (Italia tengah)
Borexino adalah detektor masif tidak tersegmentasi yang media aktifnya adalah
280 ton sintilator cair organik. Itu mengisi bejana bola nilon dengan diameter 8,5 m (Gbr. 3). Sintilatornya adalah pseudocumene (C 9 H 12) dengan aditif PPO pengubah spektrum (1,5 g/l). Cahaya dari sintilator dikumpulkan oleh 2212 photomultiplier (PMT) delapan inci yang ditempatkan pada bola stainless steel (SSS).
Beras. 3. Skema perangkat detektor Borexino
Sebuah kapal nilon dengan pseudocumene adalah detektor internal yang bertugas untuk mendaftarkan neutrino (antineutrino). Detektor bagian dalam dikelilingi oleh dua zona penyangga konsentris yang melindunginya dari sinar gamma eksternal dan neutron. Zona bagian dalam diisi dengan media yang tidak gemerlap yang terdiri dari 900 ton pseudocumene dengan aditif dimetil ftalat untuk memadamkan kilau. Zona luar terletak di atas SNS dan merupakan detektor air Cherenkov yang mengandung 2000 ton air ultra murni dan memotong sinyal dari muon yang memasuki fasilitas dari luar. Untuk setiap interaksi yang terjadi di detektor internal, energi dan waktu ditentukan. Kalibrasi detektor menggunakan berbagai sumber radioaktif memungkinkan penentuan skala energi dan tingkat reproduktifitas sinyal cahaya dengan sangat akurat.
Borexino adalah detektor kemurnian radiasi yang sangat tinggi. Semua bahan dipilih secara ketat, dan sintilator dibersihkan untuk meminimalkan latar belakang internal. Karena kemurnian radiasinya yang tinggi, Borexino adalah detektor yang sangat baik untuk mendeteksi antineutrino.
Dalam reaksi (1), positron memberikan sinyal sesaat, yang setelah beberapa waktu diikuti oleh penangkapan neutron oleh inti hidrogen, yang mengarah pada munculnya -kuantum dengan energi 2,22 MeV, yang menciptakan sinyal tertunda relatif terhadap yang pertama. Di Borexino, waktu penangkapan neutron sekitar 260 s. Sinyal sesaat dan tertunda berkorelasi dalam ruang dan waktu, memberikan pengakuan akurat dari peristiwa yang disebabkan oleh e .
Ambang batas untuk reaksi (1) adalah 1,806 MeV dan, seperti dapat dilihat dari Gambar. 1, semua geo-neutrino dari peluruhan 40 K dan 235 U berada di bawah ambang batas ini, dan hanya sebagian dari geo-neutrino yang berasal dari peluruhan 232 Th dan 238 U yang dapat dideteksi.
Detektor Borexino pertama kali mendeteksi sinyal dari geo-neutrino pada tahun 2010 dan baru-baru ini menerbitkan hasil baru berdasarkan pengamatan selama 2056 hari dari Desember 2007 hingga Maret 2015. Di bawah ini kami menyajikan data yang diperoleh dan hasil diskusi mereka, berdasarkan artikel.
Dari hasil analisis data eksperimen, teridentifikasi 77 kandidat antineutrino elektron yang lolos semua kriteria seleksi. Latar belakang dari peristiwa simulasi e diperkirakan oleh . Jadi, rasio sinyal/latar belakang adalah 100.
Sumber latar belakang utama adalah antineutrino reaktor. Bagi Borexino, situasinya cukup menguntungkan, karena tidak ada reaktor nuklir di dekat laboratorium Gran Sasso. Selain itu, antineutrino reaktor lebih energik daripada geo-neutrino, yang memungkinkan untuk memisahkan antineutrino ini dari positron dengan kekuatan sinyal. Hasil analisis kontribusi geo-neutrino dan antineutrino reaktor terhadap jumlah total peristiwa yang tercatat dari e ditunjukkan pada Gambar. 4. Jumlah geo-neutrino terdaftar yang diberikan oleh analisis ini (area yang diarsir sesuai dengannya pada Gambar 4) sama dengan 
. Dalam spektrum geo-neutrino yang diekstraksi sebagai hasil analisis, dua kelompok terlihat - kurang energik, lebih intens dan lebih energik, kurang intens. Penulis studi yang dijelaskan mengaitkan kelompok-kelompok ini dengan peluruhan thorium dan uranium, masing-masing.
Dalam analisis yang sedang dibahas, kami menggunakan rasio massa thorium dan uranium dalam materi Bumi
m(Th)/m(U) = 3,9 (dalam tabel nilai ini adalah 3.8). Angka ini mencerminkan kandungan relatif unsur-unsur kimia ini dalam chondrites - kelompok meteorit yang paling umum (lebih dari 90% meteorit yang jatuh ke Bumi termasuk dalam kelompok ini). Diyakini bahwa komposisi chondrites, dengan pengecualian gas ringan (hidrogen dan helium), mengulangi komposisi tata surya dan cakram protoplanet tempat Bumi terbentuk.
Beras. Gambar 4. Spektrum keluaran cahaya dari positron dalam satuan jumlah fotoelektron untuk kejadian kandidat antineutrino (titik eksperimen). Daerah yang diarsir merupakan kontribusi geo-neutrino. Garis padat adalah kontribusi antineutrino reaktor.
