Para a Rússia, a energia do calor da Terra pode se tornar uma fonte constante e confiável de fornecimento de eletricidade e calor baratos e acessíveis, usando novas tecnologias ecológicas de alta qualidade para sua extração e fornecimento ao consumidor. Isso é especialmente verdadeiro no momento
Recursos limitados de matérias-primas de energia fóssil
A demanda por matérias-primas energéticas orgânicas é alta em países industrializados e países em desenvolvimento(EUA, Japão, estados da Europa unida, China, Índia, etc.). Ao mesmo tempo, seus próprios recursos de hidrocarbonetos nesses países são insuficientes ou reservados, e um país, como os Estados Unidos, compra matérias-primas energéticas no exterior ou desenvolve depósitos em outros países.
Na Rússia, um dos países mais ricos em recursos energéticos, as necessidades econômicas de energia ainda são satisfeitas pelas possibilidades de utilização dos recursos naturais. No entanto, a extração de hidrocarbonetos fósseis das entranhas é muito rapidamente. Se nos anos 1940-1960. as principais regiões produtoras de petróleo eram o “Segundo Baku” no Volga e Cis-Urais, então, a partir da década de 1970 e até o presente, tal área é Sibéria Ocidental. Mas mesmo aqui há um declínio significativo na produção de hidrocarbonetos fósseis. A era do gás cenomaniano "seco" está passando. Antiga fase de desenvolvimento de produção extensa gás natural chegou ao fim. Sua extração de depósitos gigantes como Medvezhye, Urengoyskoye e Yamburgskoye totalizou 84, 65 e 50%, respectivamente. A proporção de reservas de petróleo favoráveis ao desenvolvimento também diminui com o tempo.
Devido ao consumo ativo de combustíveis de hidrocarbonetos, as reservas terrestres de petróleo e gás natural foram significativamente reduzidas. Agora suas principais reservas estão concentradas em plataforma continental. E embora base de matéria-prima indústria de petróleo e gás ainda é suficiente para a produção de petróleo e gás na Rússia em volumes necessários, em um futuro próximo será fornecido por todos em mais devido ao desenvolvimento de jazidas com condições mineiras e geológicas complexas. Ao mesmo tempo, o custo da produção de hidrocarbonetos aumentará.
A maior parte dos recursos não renováveis extraídos do subsolo é utilizada como combustível para usinas de energia. Em primeiro lugar, esta é a participação de 64% na estrutura do combustível.
Na Rússia, 70% da eletricidade é gerada em usinas termelétricas. As empresas de energia do país queimam anualmente cerca de 500 milhões de toneladas de c.e. toneladas para fins de geração de eletricidade e calor, enquanto a produção de calor consome 3-4 vezes mais combustível de hidrocarbonetos do que a geração de eletricidade.
A quantidade de calor obtida com a combustão desses volumes de matérias-primas de hidrocarbonetos equivale ao uso de centenas de toneladas de combustível nuclear - a diferença é enorme. No entanto energia nuclear requer provisão segurança ambiental(para evitar a repetição de Chernobyl) e protegê-lo de possíveis ataques terroristas, bem como o descomissionamento seguro e caro de unidades de energia nuclear obsoletas e gastas. As reservas comprovadas recuperáveis de urânio no mundo são da ordem de 3 milhões e 400 mil toneladas, sendo que em todo o período anterior (até 2007) foram mineradas cerca de 2 milhões de toneladas.
RES como o futuro da energia global
Criado em décadas recentes no mundo, o interesse por fontes alternativas de energia renovável (FER) é causado não apenas pelo esgotamento das reservas de combustíveis de hidrocarbonetos, mas também pela necessidade de resolver problemas ambientais. Fatores objetivos (combustível fóssil e reservas de urânio, bem como mudanças na ambiente associadas à utilização do fogo tradicional e da energia nuclear) e as tendências de desenvolvimento energético sugerem que a transição para novos métodos e formas de produção de energia é inevitável. Já na primeira metade do século XXI. haverá uma transição completa ou quase completa para fontes de energia não tradicionais.
Quanto mais cedo for feito um avanço nessa direção, menos doloroso será para toda a sociedade e mais benéfico para o país onde passos decisivos na direção indicada.
A economia mundial já traçou um rumo para a transição para uma combinação racional de fontes de energia tradicionais e novas. O consumo de energia no mundo em 2000 totalizou mais de 18 bilhões de toneladas de combustível equivalente. toneladas, e o consumo de energia até 2025 pode aumentar para 30-38 bilhões de toneladas de combustível equivalente. toneladas, de acordo com dados de previsão, até 2050 o consumo no nível de 60 bilhões de toneladas de combustível equivalente é possível. t. Uma tendência característica no desenvolvimento da economia mundial no período em análise é uma diminuição sistemática no consumo de combustíveis fósseis e um aumento correspondente no uso de não tradicionais recursos energéticos. A energia térmica da Terra ocupa um dos primeiros lugares entre eles.
Atualmente, o Ministério de Energia da Federação Russa adotou um programa de desenvolvimento energia não tradicional, incluindo 30 grandes projectos o uso de instalações de bomba de calor (HPU), cujo princípio de operação é baseado no consumo de energia térmica de baixo potencial da Terra.
Energia de baixo potencial das bombas de calor e calor da Terra
As fontes de energia de baixo potencial do calor da Terra são a radiação solar e a radiação térmica das entranhas aquecidas do nosso planeta. Atualmente, o uso dessa energia é uma das áreas de desenvolvimento mais dinâmico da energia baseada em fontes de energia renováveis.
O calor da terra pode ser usado em Vários tipos edifícios e estruturas para aquecimento, abastecimento de água quente, ar condicionado (resfriamento), bem como para caminhos de aquecimento em inverno ano, prevenção de formação de gelo, aquecimento de campos em estádios ao ar livre, etc. No idioma inglês literatura técnica sistemas que utilizam o calor da terra em sistemas de aquecimento e ar condicionado são referidos como GHP - "bombas de calor geotérmicas" (geothermal heat pumps). características do clima países do Centro e Norte da Europa, que, juntamente com os EUA e o Canadá, são as principais áreas de aproveitamento do calor de baixo grau da Terra, determinam isso principalmente para fins de aquecimento; refrigeração a ar mesmo em período de verão relativamente raramente requerido. Portanto, ao contrário dos EUA, as bombas de calor em países europeus operam principalmente no modo de aquecimento. Nos EUA, eles são mais usados em sistemas de aquecimento de ar combinados com ventilação, o que permite aquecer e resfriar o ar externo. Nos países europeus, as bombas de calor são normalmente utilizadas em sistemas de aquecimento de água. Como sua eficiência aumenta à medida que a diferença de temperatura entre o evaporador e o condensador diminui, os sistemas de piso radiante são frequentemente usados para aquecimento de edifícios, nos quais circula um refrigerante de temperatura relativamente baixa (35–40 ° C).
Tipos de sistemas para aproveitamento da energia de baixo potencial do calor da Terra
NO caso Geral Existem dois tipos de sistemas para usar a energia de baixo potencial do calor da Terra:
- sistemas abertos: como fonte de energia térmica de baixo grau, são utilizadas águas subterrâneas, que são fornecidas diretamente às bombas de calor;
– sistemas fechados: os trocadores de calor estão localizados no maciço do solo; quando por eles circula um líquido de refrigeração com temperatura inferior à do solo, a energia térmica é “retirada” do solo e transferida para o evaporador da bomba de calor (ou quando é utilizado um líquido de refrigeração com uma temperatura superior à do solo, é arrefecido ).
Minuses sistemas abertos são que os poços precisam de manutenção. Além disso, o uso de tais sistemas não é possível em todas as áreas. Os principais requisitos para o solo e as águas subterrâneas são os seguintes:
- permeabilidade suficiente do solo à água, permitindo a reposição das reservas de água;
- Boa composição química lençóis freáticos(por exemplo, baixo teor de ferro) para evitar incrustações e problemas de corrosão.
Sistemas fechados de aproveitamento da energia de baixo potencial do calor da Terra
Os sistemas fechados são horizontais e verticais (Figura 1).
Arroz. 1. Esquema de instalação de bomba de calor geotérmica com: a - horizontal
e b - trocadores de calor verticais no solo.
Trocador de calor de solo horizontal
Nos países ocidentais e A Europa Central trocadores de calor de solo horizontais geralmente são tubos separados colocados de forma relativamente apertada e conectados uns aos outros em série ou em paralelo (Fig. 2).
Arroz. 2. Trocadores de calor horizontais de solo com: a - sequencial e
b - conexão paralela.
Para economizar a área do local onde o calor é removido, foram desenvolvidos tipos aprimorados de trocadores de calor, por exemplo, trocadores de calor em forma de espiral (Fig. 3), localizados horizontal ou verticalmente. Esta forma de trocadores de calor é comum nos EUA.
2. Regime térmico da Terra
A Terra é um corpo cósmico frio. A temperatura da superfície depende principalmente do calor fornecido de fora. 95% do calor da camada superior da Terra é externo calor (solar) e apenas 5% de calor interno , que vem das entranhas da Terra e inclui várias fontes de energia. Nas entranhas da Terra, a temperatura aumenta com a profundidade de 1300 o C (no manto superior) a 3700 o C (no centro do núcleo).
calor externo. O calor chega à superfície da Terra principalmente do Sol. Cada centímetro quadrado da superfície recebe cerca de 2 calorias de calor em um minuto. Este valor é chamado constante solar e define total calor vindo do sol para a terra. Por um ano, equivale a 2,26 10 21 calorias. A profundidade de penetração do calor solar nas entranhas da Terra depende principalmente da quantidade de calor que cai por unidade de área de superfície e da condutividade térmica. rochas. A profundidade máxima em que o calor externo penetra é de 200 m nos oceanos e cerca de 40 m em terra.
calor interno. Com a profundidade, há um aumento da temperatura, que ocorre de forma muito desigual nos diferentes territórios. O aumento da temperatura segue uma lei adiabática e depende da compressão da substância sob pressão quando a troca de calor com o ambiente é impossível.
As principais fontes de calor dentro da Terra:
Calor liberado durante o decaimento radioativo dos elementos.
Calor residual que sobrou da formação da Terra.
Calor gravitacional liberado durante a compressão da Terra e a distribuição da matéria em densidade.
Calor gerado por reações químicas que ocorrem nas profundezas da crosta terrestre.
Calor liberado pela fricção das marés da Terra.
Existem 3 zonas de temperatura:
EU- zona de temperatura variável . A mudança de temperatura é determinada pelo clima da região. As flutuações diárias praticamente desaparecem a cerca de 1,5 me as flutuações anuais a profundidades de 20 ... 30 m. Ia - zona de congelamento.
II - zona de temperatura constante localizado em profundidades de 15…40 m, dependendo da região.
III- Zona quente .
O regime de temperatura das rochas nas entranhas da crosta terrestre é geralmente expresso por um gradiente geotérmico e um passo geotérmico.
A quantidade de aumento de temperatura para cada 100 m de profundidade é chamada gradiente geotérmico. Na África, no campo de Witwatersrand, é de 1,5 °C, no Japão (Echigo) - 2,9 °C, em Sul da Austrália- 10,9 °С, no Cazaquistão (Samarinda) - 6,3 °С, em Península de Kola- 0,65 °С.
Arroz. 3. Zonas de temperatura em crosta da terrra: I - zona de temperatura variável, Iа - zona de congelamento; II - zona de temperaturas constantes; III - zona de aumento de temperatura.
A profundidade na qual a temperatura sobe 1 grau é chamada etapa geotérmica. Os valores numéricos da etapa geotérmica não são constantes não apenas em diferentes latitudes, mas também em diferentes profundidades do mesmo ponto da região. O valor da etapa geotérmica varia de 1,5 a 250 m. Em Arkhangelsk é de 10 m, em Moscou - 38,4 me em Pyatigorsk - 1,5 m. Teoricamente, o valor médio dessa etapa é de 33 m.
Em um poço perfurado em Moscou a uma profundidade de 1.630 m, a temperatura do fundo do poço foi de 41 °C, e em uma mina perfurada no Donbass a uma profundidade de 1.545 m, a temperatura foi de 56,3 °C. A temperatura mais alta foi registrada nos EUA em um poço com profundidade de 7.136 m, onde é igual a 224 °C. O aumento da temperatura com a profundidade deve ser levado em consideração ao projetar estruturas profundo De acordo com os cálculos, a uma profundidade de 400 km a temperatura deve atingir 1400...1700 °C. As temperaturas mais altas (cerca de 5000 °C) foram obtidas para o núcleo da Terra.
O calor da terra. Fontes prováveis calor interno
geotermia- ciência que estuda o campo térmico da Terra. A temperatura média da superfície terrestre é tendência geral a uma diminuição. Três bilhões de anos atrás, a temperatura média na superfície da Terra era de 71 o, agora é de 17 o. Fontes de calor (térmicas ) Os campos da Terra são internos e processos externos. O calor da Terra é causado pela radiação solar e se origina nas entranhas do planeta. Os valores do influxo de calor de ambas as fontes são quantitativamente extremamente diferentes e seus papéis na vida do planeta são diferentes. O aquecimento solar da Terra é de 99,5% da quantidade total de calor recebido por sua superfície, e o aquecimento interno é responsável por 0,5%. Além disso, o influxo de calor interno é distribuído de maneira muito desigual na Terra e concentra-se principalmente em locais de manifestação de vulcanismo.
Fonte externaé radiação solar . Metade energia solar absorvida pela superfície, vegetação e camada próxima da superfície da crosta terrestre. A outra metade se reflete em espaço mundial. Radiação solar mantém a temperatura da superfície da Terra em uma média de cerca de 0 0 C. O sol aquece a camada próxima à superfície da Terra a uma profundidade média de 8 a 30 m, com uma profundidade média de 25 m, o efeito do calor solar cessa e a temperatura torna-se constante (camada neutra). Esta profundidade é mínima em áreas com clima marítimo e máximo no Ártico. Abaixo deste limite existe um cinturão de temperatura constante correspondente à temperatura média anual da área. Assim, por exemplo, em Moscou, no território da agricultura. Academia. Timiryazev, a 20 m de profundidade, a temperatura permanece invariavelmente igual a 4,2 o C desde 1882. Em Paris, a 28 m de profundidade, o termômetro marca consistentemente 11,83 o C há mais de 100 anos. temperatura constante é o mais profundo onde perene ( geada eterna. Abaixo do cinturão de temperatura constante está a zona geotérmica, caracterizada pelo calor gerado pela própria Terra.
Fontes internas são as entranhas da Terra. A terra irradia para o espaço mais calor do que recebe do sol. As fontes internas incluem o calor residual da época em que o planeta foi derretido, o calor das reações termonucleares que ocorrem nas entranhas da Terra, o calor da compressão gravitacional da Terra sob a ação da gravidade, o calor das reações químicas e processos de cristalização , etc. (por exemplo, fricção de maré). O calor das entranhas vem principalmente das zonas móveis. O aumento da temperatura com a profundidade está associado à existência fontes internas calor - decadência isótopos radioativos– U, Th, K, diferenciação gravitacional da matéria, fricção de maré, redox exotérmico reações químicas, metamorfismo e transições de fase. A taxa de aumento da temperatura com a profundidade é determinada por vários fatores - condutividade térmica, permeabilidade das rochas, proximidade de câmaras vulcânicas, etc.
Abaixo do cinturão de temperaturas constantes há um aumento de temperatura, em média 1º por 33 m ( estágio geotérmico) ou 3 o cada 100 m ( gradiente geotérmico). Esses valores são indicadores do campo térmico da Terra. É claro que esses valores são médios e variam de valor em várias áreas ou áreas da terra. Estágio geotérmico em vários pontos A terra é diferente. Por exemplo, em Moscou - 38,4 m, em Leningrado - 19,6, em Arkhangelsk - 10. Portanto, ao perfurar poço profundo na Península de Kola, a uma profundidade de 12 km, presumia-se uma temperatura de 150 graus, na realidade era de cerca de 220 graus. Ao perfurar poços no norte do Cáspio a uma profundidade de 3.000 m, a temperatura foi considerada de 150 graus, mas acabou sendo de 108 graus.
Deve-se notar que características climáticas terreno e a temperatura média anual não afetam a mudança no valor do passo geotérmico, as razões são as seguintes:
1) nas diferentes condutividades térmicas das rochas que compõem uma determinada área. Por medida de condutividade térmica entende-se a quantidade de calor em calorias transferidas em 1 segundo. Através de uma seção de 1 cm 2 com gradiente de temperatura de 1 o C;
2) na radioatividade das rochas, quanto maior a condutividade térmica e a radioatividade, menor o passo geotérmico;
3) em várias condições ocorrência das rochas e idade de perturbação da sua ocorrência; observações mostraram que a temperatura sobe mais rapidamente nas camadas recolhidas em dobras, muitas vezes apresentam violações (rachaduras), através das quais é facilitado o acesso do calor das profundezas;
4) personagem lençóis freáticos: correntes de águas subterrâneas quentes rochas quentes, frias - frias;
5) afastamento do oceano: perto do oceano devido ao resfriamento das rochas por uma massa de água, o passo geotérmico é maior, e no contato é menor.
Conhecer o valor específico do passo geotérmico é de grande importância prática.
1. Isso é importante ao projetar minas. Em alguns casos, será necessário tomar medidas para baixar artificialmente a temperatura em trabalhos profundos (temperatura - 50 ° C é o limite para uma pessoa em ar seco e 40 ° C em ar úmido); em outros, será possível trabalhar em grandes profundidades.
2. grande importância tem uma avaliação das condições de temperatura durante a construção de túneis em áreas montanhosas.
3. O estudo das condições geotérmicas do interior da Terra permite o aproveitamento do vapor e das fontes termais emergentes na superfície terrestre. O calor subterrâneo é usado, por exemplo, na Itália, Islândia; na Rússia, uma usina industrial experimental foi construída com calor natural em Kamchatka.
Usando dados sobre o tamanho da etapa geotérmica, pode-se fazer algumas suposições sobre as condições de temperatura das zonas profundas da Terra. Se aceitar valor médio passo geotérmico além de 33 m e suponha que o aumento da temperatura com a profundidade ocorra uniformemente, então a uma profundidade de 100 km haverá uma temperatura de 3000 ° C. Essa temperatura excede os pontos de fusão de todas as substâncias conhecidas na Terra, portanto, há devem ser massas fundidas nesta profundidade. Mas devido à enorme pressão de 31.000 atm. As massas superaquecidas não possuem as características dos líquidos, mas são dotadas das características de um corpo sólido.
Com a profundidade, o passo geotérmico deve aparentemente aumentar significativamente. Se assumirmos que o degrau não muda com a profundidade, a temperatura no centro da Terra deve ser de cerca de 200.000 graus e, de acordo com os cálculos, não pode exceder 5.000 - 10.000 graus.
As principais fontes de energia térmica da Terra são [ , ]:
Até o momento, apenas as primeiras quatro fontes foram quantificadas. Em nosso país, o principal mérito nisso pertence O.G. Sorokhtin e S.A. Ushakov. Os dados a seguir são baseados principalmente nos cálculos desses cientistas.
Calor da diferenciação gravitacional da Terra
Uma das regularidades mais importantes no desenvolvimento da Terra é diferenciação sua substância, que continua no tempo presente. Essa diferenciação resultou na formação núcleo e crosta, mudança na composição do primário vestes, enquanto a divisão de uma substância inicialmente homogênea em frações densidade diferente acompanhado do lançamento energia térmica, e a liberação máxima de calor ocorre durante a separação matéria terrestre em núcleo denso e pesado e residual mais leve casca de silicato manto terrestre. Atualmente, a maior parte desse calor é gerada na fronteira manto - núcleo.
Energias de Diferenciação Gravitacional da Terra durante todo o tempo de sua existência se destacou - 1,46 * 10 38 erg (1,46 * 10 31 J). dada energia na maior parte primeiro vai para energia cinética correntes convectivas da substância do manto, e então em esquentar; outra parte é gasta em despesas adicionais compressão do interior da terra, surgindo devido à concentração de fases densas na parte central da Terra. A partir de 1,46*10 38 erg energia da diferenciação gravitacional da Terra foi para sua compressão adicional 0,23*10 38 erg (0,23*10 31J) e na forma de calor liberado 1,23*10 38 erg (1,23*10 31 J). A magnitude desse componente térmico excede significativamente a liberação total na Terra de todos os outros tipos de energia. Distribuição no tempo valor total e a taxa de liberação do componente térmico energia gravitacional refletido na Fig. 3.6 .
Arroz. 3.6.
nível moderno geração de calor durante a diferenciação gravitacional da Terra - 3*10 20 erg/s (3*10 13W), que é do valor do moderno fluxo de calor passando pela superfície do planeta em ( 4.2-4.3) * 10 20 erg/s ((4,2-4,3)*10 13W), é ~ 70%
.
calor radiogênico
Causada pelo decaimento radioativo de partículas instáveis isótopos. O mais intensivo em energia e de longa duração ( com meia-vida proporcional à idade da Terra) são isótopos 238U, 235U, 232º e 40K. A maioria deles está concentrada em crosta continental . Nível moderno de geração calor radiogênico:
- pelo geofísico americano V.Vakye - 1,14*10 20 erg/s (1,14*10 13W) ,
- de acordo com geofísicos russos O.G. Sorokhtin e S.A. Ushakov - 1,26*10 20 erg/s(1,26*10 13W) .
Do valor do fluxo de calor moderno, isso é ~ 27-30%.
Do calor total decaimento radioativo no 1,26*10 20 erg/s (1,26*10 13W) na crosta terrestre se destaca - 0,91*10 20 erg/s, e no manto - 0,35*10 20 erg/s. Conclui-se que a proporção de calor radiogênico do manto não excede 10% da perda total de calor moderno da Terra e não pode ser a principal fonte de energia para processos tectono-magmáticos ativos, cuja profundidade pode chegar a 2.900 km ; e o calor radiogênico liberado na crosta é perdido com relativa rapidez através superfície da Terra e praticamente não participa do aquecimento das entranhas profundas do planeta.
Em épocas geológicas passadas, a quantidade de calor radiogênico liberado no manto deve ter sido maior. Suas estimativas na época da formação da Terra ( 4,6 bilhões de anos atrás) dar - 6,95*10 20 erg/s. Desde então, tem havido uma diminuição constante na taxa de liberação de energia radiogênica (Fig. 3.7 ).
Por todo o tempo na Terra se destacou ~4,27*10 37 erg(4,27*10 30 J) a energia térmica do decaimento radioativo, que é quase três vezes menor que o valor total do calor da diferenciação gravitacional.
Calor de atrito de maré
Ele se destaca em interação gravitacional Terra primeiro com a Lua como o maior mais próximo corpo espacial. Graças ao mútuo atração gravitacional deformações de maré ocorrem em seus corpos - inchaço ou corcovas. As corcundas dos planetas, por sua atração adicional, influenciam seu movimento. Assim, a atração de ambas as lombadas da Terra cria um par de forças que atuam tanto na própria Terra quanto na Lua. No entanto, a influência do inchaço próximo, voltado para a lua, é um pouco mais forte do que o distante. Devido ao fato de velocidade angular rotação terra moderna (7,27*10 -5 s -1) excede velocidade orbital os movimentos da lua 2,66*10 -6 s -1), e a substância dos planetas não é idealmente elástica, então as corcovas de maré da Terra são, por assim dizer, levadas por sua rotação para frente e estão visivelmente à frente do movimento da Lua. Isso leva ao fato de que as marés máximas da Terra sempre ocorrem em sua superfície um pouco depois do momento clímax Lua, e um momento adicional de forças atua na Terra e na Lua (Fig. 3.8 ) .
Valores absolutos as forças de interação das marés no sistema Terra-Lua são agora relativamente pequenas e as deformações das marés da litosfera causadas por elas podem atingir apenas algumas dezenas de centímetros, mas levam a uma desaceleração gradual da rotação da Terra e, inversamente, à aceleração movimento orbital a lua e sua distância da terra. Energia cinética o movimento das corcovas de maré da terra se transforma em energia térmica, devido a fricção interna substâncias em corcovas de maré.
Atualmente, a taxa de liberação de energia das marés por G. McDonaldé ~0,25*10 20 erg/s (0,25*10 13W), enquanto a sua parte principal (cerca de 2/3) é presumivelmente dissipa(dispersos) na hidrosfera. Portanto, a proporção de energia das marés causada pela interação da Terra com a Lua e dissipada em terra sólida(principalmente na astenosfera), não excede 2 %
energia térmica total gerada em suas profundezas; e a fração das marés solares não exceda 20 %
da influência das marés lunares. Portanto, descargas sólidas agora quase não desempenham nenhum papel na nutrição. processos tectônicos energia, mas em alguns casos pode atuar como " gatilhos, como terremotos.
A quantidade de energia das marés está diretamente relacionada com a distância entre objetos espaciais. E se a distância entre a Terra e o Sol não assume qualquer mudanças significativas em uma escala de tempo geológico, então no sistema Terra-Lua este parâmetro é variável. Independentemente das ideias sobre, quase todos os pesquisadores admitem que nos estágios iniciais do desenvolvimento da Terra, a distância até a Lua era significativamente menor que a moderna, enquanto no processo de desenvolvimento planetário, segundo a maioria dos cientistas, aumenta gradualmente , e de acordo com Yu.N. Avsyuku esta distância experimenta mudanças de longo prazo na forma de ciclos "chegada - partida" da lua. Isso implica que em épocas geológicas passadas o papel do calor das marés em geral equilíbrio térmico A terra era mais significativa. Em geral, durante todo o tempo de desenvolvimento da Terra, destacou-se ~3,3*10 37 erg (3,3*10 30 J) energia de calor das marés (este está sujeito ao afastamento sucessivo da Lua da Terra). A mudança no tempo da taxa de liberação desse calor é mostrada na Fig. 3.10 .
Mais da metade da energia total das marés foi liberada em katarchee (hellea)) - 4,6-4,0 bilhões de anos atrás, e naquela época, apenas devido a essa energia, a Terra poderia aquecer adicionalmente em ~ 500 0 С. energia intensiva processos endógenos
.
calor de acreção
Este é o calor armazenado pela Terra desde a sua formação. No decorrer acréscimos, que durou várias dezenas de milhões de anos, devido à colisão planetesimais A Terra experimentou um aquecimento significativo. Ao mesmo tempo, não há consenso sobre a magnitude desse aquecimento. Atualmente, os pesquisadores estão inclinados a acreditar que, no processo de acreção, a Terra experimentou, se não completa, um derretimento parcial significativo, o que levou à diferenciação inicial da Proto-Terra em um núcleo de ferro pesado e um manto de silicato leve, e para a formação "oceano de magma" em sua superfície ou em profundidades rasas. Embora ainda antes da década de 1990, o modelo de relativamente frio terra primária, que aqueceu gradativamente devido aos processos acima, acompanhado pela liberação de uma quantidade significativa de energia térmica.
Uma estimativa precisa do calor primário de acréscimo e sua parcela que sobreviveu até o presente está associada a dificuldades significativas. De O.G. Sorokhtin e S.A. Ushakov, que são defensores de uma Terra primária relativamente fria, o valor da energia de acreção convertida em calor é - 20,13*10 38 erg (20,13*10 31 J). Essa energia na ausência de perda de calor seria suficiente para evaporação completa matéria terrestre, porque temperatura pode subir para 30 000 0 С. Mas o processo de acreção foi relativamente longo e a energia dos impactos planetesimais foi liberada apenas nas camadas próximas à superfície da Terra em crescimento e foi rapidamente perdida com a radiação térmica, de modo que o aquecimento inicial do planeta não foi grande. a magnitude disso radiação térmica, ocorrendo em paralelo com a formação (acreção) da Terra, esses autores estimam 19,4*10 38 erg (19,4*10 31 J)
.
No balanço energético moderno da Terra, o calor de acreção provavelmente desempenha um papel insignificante.
ELES. Kapitonov
calor nuclear da Terra
calor da terra
A terra é um corpo fortemente aquecido e é uma fonte de calor. Aquece principalmente devido à radiação solar que absorve. Mas a Terra também possui seu próprio recurso térmico comparável ao calor recebido do Sol. Acredita-se que esta própria energia da Terra tenha a seguinte origem. A Terra surgiu há cerca de 4,5 bilhões de anos após a formação do Sol a partir de um disco protoplanetário de gás e poeira girando em torno dele e condensando. Em um estágio inicial de sua formação, a substância da Terra foi aquecida devido à compressão gravitacional relativamente lenta. Um papel importante no equilíbrio térmico da Terra também foi desempenhado pela energia liberada durante a queda de pequenos corpos cósmicos sobre ela. Portanto, a jovem Terra foi fundida. Esfriando, gradualmente voltou ao estado atual com uma superfície sólida, parte significativa da qual é coberta por oceanos e águas do mar. tão difícil camada externa chamado a crosta terrestre e em média em lotes de terra sua espessura é de cerca de 40 km, e sob águas oceânicas- 5-10 km. Mais camada profunda A terra chamada manto, também consiste em matéria sólida. Estende-se a uma profundidade de quase 3.000 km e contém a maior parte da matéria da Terra. Finalmente, a parte mais interna da Terra é o seu núcleo. Consiste em duas camadas - externa e interna. núcleo externo esta é uma camada de ferro fundido e níquel a uma temperatura de 4500-6500 K com uma espessura de 2000-2500 km. núcleo interno com um raio de 1000-1500 km é uma liga sólida de ferro-níquel aquecida a uma temperatura de 4000-5000 K com uma densidade de cerca de 14 g / cm 3, que surgiu a uma pressão enorme (quase 4 milhões de bar).
Além do calor interno da Terra, herdado do primeiro estágio quente de sua formação, e cuja quantidade deve diminuir com o tempo, existe outro - de longo prazo, associado ao decaimento radioativo de núcleos com meia longa -vida - em primeiro lugar, 232 Th, 235 U , 238 U e 40 K. A energia liberada nesses decaimentos - eles representam quase 99% da energia radioativa da Terra - reabastece constantemente as reservas térmicas da Terra. Os núcleos acima estão contidos na crosta e no manto. Sua decadência leva ao aquecimento das camadas externa e interna da Terra.
Parte do enorme calor contido no interior da Terra sai constantemente para a sua superfície, muitas vezes em processos vulcânicos de grande escala. O fluxo de calor que flui das profundezas da Terra através de sua superfície é conhecido. É (47±2)·10 12 watts, o que equivale ao calor que pode ser gerado por 50 mil usinas nucleares (a potência média de uma usina nuclear é de cerca de 10 9 watts). A questão que surge é se algum Papel essencial energia radioativa no balanço térmico total da Terra e, se for reproduzida, de que tipo? A resposta a estas perguntas muito tempo permaneceu desconhecido. Agora há oportunidades para responder a essas perguntas. O papel fundamental aqui cabe aos neutrinos (antineutrinos), que nascem nos processos de decaimento radioativo dos núcleos que compõem a matéria da Terra e que são chamados geoneutrino.
geoneutrino
geoneutrinoé o nome combinado para neutrinos ou antineutrinos, que são emitidos como resultado do decaimento beta de núcleos localizados sob a superfície terrestre. Obviamente, devido à capacidade de penetração sem precedentes, o registro destes (e apenas deles) por detectores de neutrinos terrestres pode fornecer informações objetivas sobre os processos de decaimento radioativo que ocorrem no interior da Terra. Um exemplo de tal decaimento é o decaimento β do núcleo 228 Ra, que é o produto do decaimento α do núcleo 232 Th de vida longa (ver tabela):
A meia-vida (T 1/2) do núcleo 228 Ra é de 5,75 anos e a energia liberada é de cerca de 46 keV. O espectro de energia dos antineutrinos é contínuo com um limite superior próximo à energia liberada.
Os decaimentos dos núcleos 232 Th, 235 U, 238 U são cadeias de decaimentos sucessivos que formam os chamados série radioativa. Em tais cadeias, os α-decaimentos são intercalados com β − -decaimentos, pois nos α-decaimentos os núcleos finais acabam sendo deslocados da linha de estabilidade β para a região de núcleos sobrecarregados com nêutrons. Após uma cadeia de decaimentos sucessivos ao final de cada linha, formam-se núcleos estáveis com número de prótons e nêutrons próximos ou iguais aos números mágicos (Z
=
82,N= 126). Esses núcleos finais são isótopos estáveis de chumbo ou bismuto. Assim, o decaimento de T 1/2 termina com a formação de um núcleo duplamente mágico 208 Pb, e no caminho 232 Th → 208 Pb, ocorrem seis decaimentos α, alternados com quatro decaimentos β (na cadeia 238 U → 206 Pb, oito α- e seis β - - decaimentos; há sete α- e quatro β − decaimentos na cadeia 235 U → 207 Pb). Assim, o espectro de energia dos antineutrinos de cada série radioativa é uma superposição de espectros parciais de decaimentos β − individuais que compõem esta série. Os espectros de antineutrinos produzidos em decaimentos de 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K são mostrados nas Figs. 1. O decaimento de 40 K é um decaimento β único (consulte a tabela). a maior energia(até 3,26 MeV) os antineutrinos alcançam em decaimento
214 Bi → 214 Po, que é um elo da série radioativa 238 U. A energia total liberada durante a passagem de todos os elos de decaimento na série 232 Th → 208 Pb é 42,65 MeV. Para as séries radioativas 235 U e 238 U, essas energias são 46,39 e 51,69 MeV, respectivamente. Energia liberada no decaimento
40 K → 40 Ca é 1,31 MeV.
Características dos núcleos 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K
| Núcleo | Partilhar em % em uma mistura isótopos |
Número de núcleos relaciona. núcleos de Si |
T 1/2 bilhões de anos |
primeiros links decair |
|---|---|---|---|---|
| 232º | 100 | 0.0335 | 14.0 | |
| 235U | 0.7204 | 6,48 10 -5 | 0.704 | |
| 238U | 99.2742 | 0.00893 | 4.47 | |
| 40K | 0.0117 | 0.440 | 1.25 |
 |
A estimativa do fluxo de geoneutrinos, feita com base no decaimento dos núcleos 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K contidos na composição da matéria terrestre, leva a um valor da ordem de 10 6 cm -2 seg -1 . Ao registrar esses geoneutrinos, pode-se obter informações sobre o papel do calor radioativo no balanço térmico total da Terra e testar nossas ideias sobre o conteúdo de radioisótopos de vida longa na matéria terrestre.
Arroz. 1. Espectros de energia de antineutrinos de decaimento nuclear
232 Th, 235 U, 238 U, 40 K normalizado para um decaimento do núcleo pai
A reação é usada para registrar antineutrinos de elétrons
P → e + + n, (1)
em que esta partícula foi realmente descoberta. O limiar para esta reação é de 1,8 MeV. Portanto, apenas os geoneutrinos formados em cadeias de decaimento a partir dos núcleos 232 Th e 238 U podem ser registrados na reação acima. A seção de choque efetiva da reação em discussão é extremamente pequena: σ ≈ 10 -43 cm 2. Daí resulta que um detector de neutrinos com um volume sensível de 1 m 3 registrará não mais do que alguns eventos por ano. É óbvio que os detectores de neutrinos são necessários para fixar com segurança os fluxos de geoneutrinos. grande volume alojados em laboratórios subterrâneos para máxima proteção de fundo. A ideia de usar detectores projetados para estudar neutrinos solares e de reatores para registro de geoneutrinos surgiu em 1998. Atualmente, existem dois detectores de neutrinos de grande volume que utilizam um cintilador líquido e são adequados para resolver o problema. Estes são os detectores de neutrinos dos experimentos KamLAND (Japão, ) e Borexino (Itália, ). Abaixo consideramos o dispositivo do detector Borexino e os resultados obtidos neste detector no registro de geoneutrinos.
Detector de borexino e registro de geoneutrinos
O detector de neutrinos Borexino está localizado no centro da Itália em um laboratório subterrâneo sob a cordilheira Gran Sasso, cujos picos atingem 2,9 km (Fig. 2).
Arroz. Fig. 2. Diagrama de localização do laboratório de neutrinos sob a cordilheira Gran Sasso (Itália central)
O Borexino é um detector massivo não segmentado cujo meio ativo é
280 toneladas de cintilador líquido orgânico. Encheu um vaso esférico de náilon de 8,5 m de diâmetro (Fig. 3). O cintilador era pseudocumeno (C 9 H 12) com um aditivo PPO de mudança de espectro (1,5 g/l). A luz do cintilador é coletada por 2212 fotomultiplicadores (PMTs) de oito polegadas colocados em uma esfera de aço inoxidável (SSS).
Arroz. 3. Esquema do dispositivo do detector Borexino
Um vaso de nylon com pseudocumeno é um detector interno cuja função é registrar neutrinos (antineutrinos). O detector interno é cercado por duas zonas tampão concêntricas que o protegem de raios gama externos e nêutrons. A zona interna é preenchida com um meio não cintilante que consiste em 900 toneladas de pseudocumeno com aditivos de dimetil ftalato para extinguir as cintilações. A zona externa está localizada no topo do SNS e é um detector Cherenkov de água contendo 2.000 toneladas de água ultrapura e cortando sinais de múons que entram na instalação vindos de fora. Para cada interação que ocorre no detector interno, energia e tempo são determinados. A calibração do detector usando várias fontes radioativas possibilitou determinar com muita precisão sua escala de energia e o grau de reprodutibilidade do sinal de luz.
Borexino é um detector de pureza de radiação muito alta. Todos os materiais foram rigorosamente selecionados e o cintilador foi limpo para minimizar o fundo interno. Devido à sua alta pureza de radiação, o Borexino é um excelente detector para detecção de antineutrinos.
Na reação (1), o pósitron dá um sinal instantâneo, que depois de algum tempo é seguido pela captura de um nêutron por um núcleo de hidrogênio, o que leva ao aparecimento de um γ-quântico com uma energia de 2,22 MeV, que cria um sinal atrasado em relação ao primeiro. No Borexino, o tempo de captura de nêutrons é de cerca de 260 μs. Os sinais instantâneos e atrasados são correlacionados no espaço e no tempo, proporcionando um reconhecimento preciso do evento causado por e .
O limiar para a reação (1) é 1,806 MeV e, como pode ser visto na Fig. 1, todos os geoneutrinos dos decaimentos de 40 K e 235 U estão abaixo deste limiar, e apenas uma parte dos geoneutrinos originados nos decaimentos de 232 Th e 238 U podem ser detectados.
O detector Borexino detectou pela primeira vez sinais de geoneutrinos em 2010 e recentemente publicou novos resultados com base em observações de 2.056 dias de dezembro de 2007 a março de 2015. Abaixo apresentamos os dados obtidos e os resultados de sua discussão, com base no artigo.
Como resultado da análise dos dados experimentais, foram identificados 77 candidatos a antineutrinos de elétrons que passaram em todos os critérios de seleção. O background de eventos simulando e foi estimado por . Assim, a relação sinal/fundo foi ≈100.
A principal fonte de fundo foram os antineutrinos do reator. Para Borexino, a situação era bastante favorável, já que não há reatores nucleares próximos ao laboratório Gran Sasso. Além disso, os antineutrinos do reator são mais energéticos que os geoneutrinos, o que tornou possível separar esses antineutrinos do pósitron pela força do sinal. Os resultados da análise das contribuições dos geoneutrinos e antineutrinos do reator para o número total de eventos registrados de e são mostrados nas Figs. 4. O número de geoneutrinos registrados dado por esta análise (a área sombreada corresponde a eles na Fig. 4) é igual a 
. No espectro de geoneutrinos extraído como resultado da análise, dois grupos são visíveis - menos energéticos, mais intensos e mais energéticos, menos intensos. Os autores do estudo descrito associam esses grupos aos decaimentos do tório e do urânio, respectivamente.
Na análise em discussão, usamos a razão das massas de tório e urânio na matéria da Terra
m(Th)/m(U) = 3,9 (na tabela este valor é ≈3,8). Esta figura reflete o conteúdo relativo desses elementos químicos nos condritos - o grupo mais comum de meteoritos (mais de 90% dos meteoritos que caíram na Terra pertencem a esse grupo). Acredita-se que a composição dos condritos, com exceção dos gases leves (hidrogênio e hélio), repita a composição do sistema solar e do disco protoplanetário a partir do qual a Terra foi formada.
Arroz. Fig. 4. Espectro da saída de luz dos pósitrons em unidades do número de fotoelétrons para eventos candidatos a antineutrinos (pontos experimentais). A área sombreada é a contribuição dos geoneutrinos. A linha sólida é a contribuição dos antineutrinos do reator.
