Pentru Rusia, energia termică a Pământului poate deveni o sursă constantă și fiabilă de furnizare a energiei electrice și căldurii ieftine și accesibile, folosind noi tehnologii înalte, ecologice, pentru extracția și furnizarea acesteia către consumator. Acest lucru este valabil mai ales în acest moment
Resurse limitate de materii prime de energie fosilă
Cererea de materii prime de energie organică este mare în cele industrializate și tari in curs de dezvoltare(SUA, Japonia, statele Europei unite, China, India etc.). În același timp, resursele proprii de hidrocarburi din aceste țări sunt fie insuficiente, fie rezervate, iar o țară, de exemplu, Statele Unite, cumpără materii prime energetice din străinătate sau dezvoltă zăcăminte în alte țări.
În Rusia, una dintre cele mai bogate țări din punct de vedere al resurselor energetice, nevoile economice de energie sunt încă satisfăcute de posibilitățile de utilizare a resurselor naturale. Cu toate acestea, extragerea hidrocarburilor fosile din intestine este foarte rapid. Dacă în anii 1940-1960. principalele regiuni producătoare de petrol au fost „Al doilea Baku” din Volga și Cis-Urals, apoi, începând cu anii 1970, și până în prezent, o astfel de zonă este Vestul Siberiei. Dar chiar și aici există o scădere semnificativă a producției de hidrocarburi fosile. Epoca gazului „uscat” cenomanian trece. Fostă etapă de dezvoltare extinsă a producției gaz natural ajuns la sfârşit. Extracția sa din zăcăminte uriașe precum Medvezhye, Urengoyskoye și Yamburgskoye s-a ridicat la 84, 65 și, respectiv, 50%. De-a lungul timpului scade și proporția rezervelor de petrol favorabile dezvoltării.
Datorită consumului activ de hidrocarburi, rezervele de petrol și gaze naturale au fost reduse semnificativ. Acum, principalele lor rezerve sunt concentrate platou continental. Și deși bază de materie primă industria petrolului și gazelor este încă suficientă pentru producția de petrol și gaze din Rusia în volumele necesare, în viitorul apropiat va fi furnizat de toți în Mai mult datorită dezvoltării zăcămintelor cu condiţii miniere şi geologice complexe. În același timp, costul producției de hidrocarburi va crește.
Majoritatea resurselor neregenerabile extrase din subsol sunt folosite drept combustibil pentru centrale electrice. În primul rând, aceasta este ponderea căreia în structura combustibilului este de 64%.
În Rusia, 70% din energie electrică este generată de centrale termice. Întreprinderile energetice ale țării ard anual circa 500 de milioane de tone de ec. tone în scopul producerii de energie electrică și căldură, în timp ce producția de căldură consumă de 3-4 ori mai mult combustibil de hidrocarburi decât generarea de energie electrică.
Cantitatea de căldură obținută din arderea acestor volume de materii prime hidrocarburi este echivalentă cu utilizarea a sute de tone de combustibil nuclear - diferența este uriașă. in orice caz energie nucleară necesită asigurare siguranța mediului(pentru a preveni repetarea Cernobîlului) și a-l proteja de posibile atacuri teroriste, precum și de dezafectarea în siguranță și costisitoare a unităților nucleare învechite și uzate. Rezervele dovedite recuperabile de uraniu din lume sunt de aproximativ 3 milioane 400 mii tone.Pentru toată perioada anterioară (până în 2007), au fost exploatate aproximativ 2 milioane de tone.
SRE ca viitorul energiei globale
Crescut în ultimele deceniiîn lume, interesul pentru sursele alternative de energie regenerabilă (SRE) este cauzat nu numai de epuizarea rezervelor de combustibil de hidrocarburi, ci și de necesitatea de a rezolva probleme de mediu. Factori obiectivi (rezervele de combustibili fosili și de uraniu, precum și modificări ale mediu inconjurator asociate cu utilizarea focului tradițional și a energiei nucleare) și tendințele de dezvoltare a energiei sugerează că trecerea la noi metode și forme de generare a energiei este inevitabilă. Deja în prima jumătate a secolului XXI. va avea loc o tranziție completă sau aproape completă către surse de energie netradiționale.
Cu cât se face mai repede o descoperire în această direcție, cu atât va fi mai puțin dureros pentru întreaga societate și mai benefic pentru țara în care pași decisiviîn direcția indicată.
Economia mondială a stabilit deja un curs pentru tranziția către o combinație rațională de surse de energie tradiționale și noi. Consumul de energie în lume până în 2000 se ridica la peste 18 miliarde de tone echivalent combustibil. tone, iar consumul de energie până în 2025 poate crește la 30-38 de miliarde de tone echivalent combustibil. tone, conform datelor de prognoză, până în 2050 este posibil un consum la nivelul de 60 de miliarde de tone echivalent combustibil. t. O tendință caracteristică în dezvoltarea economiei mondiale în perioada analizată este o scădere sistematică a consumului de combustibili fosili și o creștere corespunzătoare a utilizării de combustibili netradiționali. resurse energetice. Energia termică a Pământului ocupă unul dintre primele locuri între ele.
În prezent, Ministerul Energiei al Federației Ruse a adoptat un program de dezvoltare energie netradițională, inclusiv 30 proiecte majore utilizarea instalațiilor de pompe de căldură (HPU), al căror principiu de funcționare se bazează pe consumul de energie termică cu potențial scăzut al Pământului.
Energie cu potențial scăzut a pompelor de căldură și căldură ale Pământului
Sursele de energie cu potențial scăzut a căldurii Pământului sunt radiația solară și radiația termică a intestinelor încălzite ale planetei noastre. În prezent, utilizarea unei astfel de energie este una dintre cele mai dinamice domenii de dezvoltare a energiei bazate pe surse regenerabile de energie.
Căldura pământului poate fi folosită în tipuri variate clădiri și structuri pentru încălzire, alimentare cu apă caldă, aer condiționat (răcire), precum și pentru căi de încălzire în timp de iarna an, prevenirea givrării, încălzirea terenurilor pe stadioanele exterioare etc. În limba engleză literatura tehnica sistemele care utilizează căldura pământului în sistemele de încălzire și aer condiționat sunt denumite GHP - „pompe de căldură geotermale” (pompe de căldură geotermale). Caracteristicile climaticeţările din Centru şi Europa de Nord, care, împreună cu SUA și Canada, sunt principalele zone de utilizare a căldurii de slabă calitate a Pământului, determină acest lucru în principal în scopuri de încălzire; răcire cu aer chiar și în perioada de vara relativ rar necesar. Prin urmare, spre deosebire de SUA, pompele de căldură intră tari europene funcționează în principal în modul de încălzire. În SUA, ele sunt mai des folosite în sistemele de încălzire cu aer combinate cu ventilația, ceea ce permite atât încălzirea, cât și răcirea aerului exterior. În țările europene, pompele de căldură sunt de obicei folosite în sistemele de încălzire a apei. Deoarece eficiența lor crește pe măsură ce diferența de temperatură dintre evaporator și condensator scade, sistemele de încălzire prin pardoseală sunt adesea folosite pentru încălzirea clădirilor, în care circulă un lichid de răcire cu o temperatură relativ scăzută (35–40 ° C).
Tipuri de sisteme pentru utilizarea energiei cu potențial scăzut a căldurii Pământului
LA caz general Există două tipuri de sisteme pentru utilizarea energiei cu potențial scăzut a căldurii Pământului:
- sisteme deschise: ca sursă de energie termică de calitate scăzută se utilizează apa subterană, care este alimentată direct pompelor de căldură;
– sisteme închise: schimbătoarele de căldură sunt amplasate în masivul solului; atunci când prin ele circulă un lichid de răcire cu o temperatură mai mică decât solul, energia termică este „decupată” de la sol și transferată în evaporatorul pompei de căldură (sau când se folosește un lichid de răcire cu o temperatură mai mare față de sol, acesta este răcit ).
Minusuri sisteme deschise sunt că puțurile necesită întreținere. În plus, utilizarea unor astfel de sisteme nu este posibilă în toate domeniile. Principalele cerințe pentru sol și apele subterane sunt următoarele:
- permeabilitate suficientă la apă a solului, permițând completarea rezervelor de apă;
- bun compoziție chimică panza freatica(de exemplu, conținut scăzut de fier) pentru a evita depunerile în țevi și problemele de coroziune.
Sisteme închise pentru utilizarea energiei cu potențial scăzut a căldurii Pământului
Sistemele închise sunt orizontale și verticale (Figura 1).
Orez. 1. Schema unei instalatii de pompa de caldura geotermala cu: a - orizontala
și b - schimbătoare de căldură la sol verticale.
Schimbător de căldură la sol orizontal
În ţările din Vest şi Europa Centrală Schimbătoarele de căldură la sol orizontale sunt de obicei conducte separate, așezate relativ strâns și conectate între ele în serie sau în paralel (Fig. 2).
Orez. 2. Schimbătoare de căldură la sol orizontale cu: a - secvenţiale şi
b - conexiune paralelă.
Pentru a salva zona locului unde căldura este îndepărtată, au fost dezvoltate tipuri îmbunătățite de schimbătoare de căldură, de exemplu, schimbătoare de căldură sub formă de spirală (Fig. 3), situate orizontal sau vertical. Această formă de schimbătoare de căldură este comună în SUA.
2. Regimul termic al Pământului
Pământul este un corp cosmic rece. Temperatura suprafeței depinde în principal de căldura furnizată din exterior. 95% din căldura stratului superior al Pământului este extern căldură (solară) și doar 5% căldură intern , care provine din intestinele Pământului și include mai multe surse de energie. În intestinele Pământului, temperatura crește odată cu adâncimea de la 1300 o C (în mantaua superioară) la 3700 o C (în centrul nucleului).
căldură externă. Căldura vine la suprafața Pământului în principal de la Soare. Fiecare centimetru pătrat de suprafață primește aproximativ 2 calorii de căldură într-un minut. Această valoare este numită constantă solară si defineste total căldură care vine pe pământ de la soare. Pentru un an, se ridică la 2,26 10 21 calorii. Adâncimea de pătrundere a căldurii solare în intestinele Pământului depinde în principal de cantitatea de căldură care cade pe unitatea de suprafață și de conductibilitatea termică. stânci. Adâncimea maximă la care pătrunde căldura externă este de 200 m în oceane și de aproximativ 40 m pe uscat.
căldură interioară. Odată cu adâncimea, are loc o creștere a temperaturii, care are loc foarte neuniform în diferite teritorii. Creșterea temperaturii urmează o lege adiabatică și depinde de comprimarea substanței sub presiune atunci când schimbul de căldură cu mediul este imposibil.
Principalele surse de căldură din interiorul Pământului:
Căldura eliberată în timpul dezintegrarii radioactive a elementelor.
Căldura reziduală rămasă de la formarea Pământului.
Căldura gravitațională eliberată în timpul comprimării Pământului și distribuția materiei în densitate.
Căldura generată de reacțiile chimice care au loc în adâncurile scoarței terestre.
Căldura eliberată de frecarea mareelor a Pământului.
Există 3 zone de temperatură:
eu- zona de temperatura variabila . Schimbarea temperaturii este determinată de clima zonei. Fluctuațiile zilnice se sting practic la o adâncime de aproximativ 1,5 m, iar fluctuațiile anuale la adâncimi de 20 ... 30 m. Ia - zona de inghet.
II - zona de temperatura constanta situat la adâncimi de 15…40 m, în funcție de regiune.
III - zona fierbinte .
Regimul de temperatură al rocilor din intestinele scoarței terestre este de obicei exprimat printr-un gradient geotermal și o treaptă geotermală.
Se numește cantitatea de creștere a temperaturii pentru fiecare 100 m de adâncime gradient geotermal. În Africa, la câmpul Witwatersrand, este de 1,5 °C, în Japonia (Echigo) - 2,9 °C, în Sudul Australiei- 10,9 °С, în Kazahstan (Samarinda) - 6,3 °С, la Peninsula Kola- 0,65 °С.
Orez. 3. Zone de temperatură în Scoarta terestra: I - zona de temperatura variabila, Iа - zona de inghet; II - zona de temperaturi constante; III - zona de creștere a temperaturii.
Se numește adâncimea la care temperatura crește cu 1 grad pas geotermal. Valorile numerice ale treptei geotermale nu sunt constante nu numai la diferite latitudini, ci și la diferite adâncimi ale aceluiași punct din regiune. Valoarea treptei geotermale variază de la 1,5 la 250 m. În Arhangelsk este de 10 m, la Moscova - 38,4 m, iar în Pyatigorsk - 1,5 m. Teoretic, valoarea medie a acestui pas este de 33 m.
Într-o sondă forată la Moscova la o adâncime de 1.630 m, temperatura în fundul găurii a fost de 41 °C, iar într-o mină forată în Donbass la o adâncime de 1.545 m, temperatura a fost de 56,3 °C. Cea mai mare temperatură a fost înregistrată în SUA într-o fântână cu adâncimea de 7136 m, unde este egală cu 224 °C. Creșterea temperaturii cu adâncimea trebuie luată în considerare la proiectarea structurilor adânc Conform calculelor, la o adâncime de 400 km temperatura ar trebui să atingă 1400...1700 °C. Cele mai ridicate temperaturi (aproximativ 5000 °C) au fost obținute pentru nucleul Pământului.
Căldura pământului. Surse probabile căldură internă
Geotermie- știință care studiază câmpul termic al Pământului. Temperatura medie a suprafeței pământului este tendința generală la o scădere. În urmă cu trei miliarde de ani, temperatura medie de pe suprafața Pământului era de 71 o, acum este de 17 o. Surse de căldură (termică ) Câmpurile Pământului sunt interne și procese externe. Căldura Pământului este cauzată de radiația solară și își are originea în intestinele planetei. Valorile influxului de căldură din ambele surse sunt extrem de diferite din punct de vedere cantitativ, iar rolurile lor în viața planetei sunt diferite. Încălzirea solară a Pământului reprezintă 99,5% din cantitatea totală de căldură primită de suprafața sa, iar încălzirea internă reprezintă 0,5%. În plus, afluxul de căldură internă este distribuit foarte neuniform pe Pământ și este concentrat în principal în locurile de manifestare a vulcanismului.
Sursă externă este radiația solară . Jumătate energie solara absorbit de suprafață, vegetație și stratul aproape de suprafață al scoarței terestre. Cealaltă jumătate se reflectă în spaţiul mondial. Radiatie solara menține temperatura suprafeței Pământului la o medie de aproximativ 0 0 C. Soarele încălzește stratul de suprafață al Pământului la o adâncime medie de 8 - 30 m, cu o adâncime medie de 25 m, efectul căldurii solare încetează și temperatura devine constantă (stratul neutru). Această adâncime este minimă în zonele cu climatul maritimși maxim în Arctica. Sub această limită există o centură de temperatură constantă corespunzătoare temperaturii medii anuale a zonei. Deci, de exemplu, la Moscova pe teritoriul agriculturii. academie. Timiryazev, la o adâncime de 20 m, temperatura a rămas invariabil egală cu 4,2 o C din 1882. La Paris, la o adâncime de 28 m, un termometru a indicat în mod constant 11,83 o C de mai bine de 100 de ani. Stratul cu un temperatura constantă este cea mai adâncă unde este perenă (eternul Îngheț. Sub centura de temperatură constantă se află zona geotermală, care este caracterizată de căldura generată de Pământ însuși.
Sursele interne sunt intestinele Pământului. Pământul iradiază în spațiu mai multa caldura decât primește de la soare. Sursele interne includ căldura reziduală din momentul în care planeta s-a topit, căldura reacțiilor termonucleare care au loc în intestinele Pământului, căldura comprimării gravitaționale a Pământului sub acțiunea gravitației, căldura reacțiilor chimice și procesele de cristalizare. , etc. (de exemplu, frecarea mareelor). Căldura din intestine vine în principal din zonele în mișcare. Creșterea temperaturii cu adâncimea este asociată cu existența surse interne căldură - dezintegrare izotopi radioactivi– U, Th, K, diferențierea gravitațională a materiei, frecarea mareelor, redox exotermic reacții chimice, metamorfism și tranziții de fază. Rata de creștere a temperaturii cu adâncimea este determinată de o serie de factori - conductivitatea termică, permeabilitatea rocilor, apropierea de camerele vulcanice etc.
Sub centura de temperaturi constante are loc o creștere a temperaturii, în medie 1 o la 33 m ( etapa geotermală) sau 3 o la fiecare 100 m ( gradient geotermal). Aceste valori sunt indicatori ai câmpului termic al Pământului. Este clar că aceste valori sunt medii și variază ca valoare în diverse zone sau zone ale pământului. Etapa geotermală în diverse puncte Pământul este diferit. De exemplu, la Moscova - 38,4 m, la Leningrad - 19,6, la Arhangelsk - 10. Deci, la foraj fântână adâncă pe Peninsula Kola, la o adâncime de 12 km, s-a presupus o temperatură de 150 de grade, în realitate s-a dovedit a fi de aproximativ 220 de grade. La forarea puțurilor în nordul Caspicei la o adâncime de 3000 m, sa presupus că temperatura este de 150 de grade, dar s-a dovedit a fi de 108 de grade.
Trebuie remarcat faptul că caracteristici climatice terenul și temperatura medie anuală nu afectează modificarea valorii treptei geotermale, motivele constau în următoarele:
1) în conductivitate termică diferită a rocilor care alcătuiesc o anumită zonă. Sub masura conductibilitatii termice se intelege cantitatea de caldura in calorii transferata in 1 secunda. Printr-o secțiune de 1 cm 2 cu un gradient de temperatură de 1 o C;
2) în radioactivitatea rocilor, cu cât conductivitatea termică și radioactivitatea sunt mai mari, cu atât treapta geotermală este mai mică;
3) în diverse conditii apariția rocilor și vârsta perturbării apariției lor; observațiile au arătat că temperatura crește mai repede în straturile adunate în pliuri, acestea prezintă adesea încălcări (fisuri), prin care se facilitează accesul căldurii din adâncuri;
4) caracter panza freatica: fluxuri de apă subterană fierbinte roci calde, reci - răcoroase;
5) îndepărtarea de ocean: lângă ocean datorită răcirii rocilor de către o masă de apă, treapta geotermală este mai mare, iar la contact este mai mică.
Cunoașterea valorii specifice a treptei geotermale este de mare importanță practică.
1. Acest lucru este important atunci când proiectați mine. În unele cazuri, va fi necesar să se ia măsuri de scădere artificială a temperaturii în lucrări de adâncime (temperatura - 50 ° C este limita pentru o persoană în aer uscat și 40 ° C în aer umed); în altele, se va putea lucra la adâncimi mari.
2. Mare importanță are o evaluare a condițiilor de temperatură în timpul tunelurilor în zonele muntoase.
3. Studiul condițiilor geotermale din interiorul Pământului face posibilă utilizarea aburului și a izvoarelor termale care apar pe suprafața Pământului. Căldura subterană este folosită, de exemplu, în Italia, Islanda; în Rusia, o centrală industrială experimentală a fost construită pe căldură naturală în Kamchatka.
Folosind date despre dimensiunea treptei geotermale, se pot face câteva ipoteze despre condițiile de temperatură ale zonelor adânci ale Pământului. Dacă se acceptă valoarea medie pas geotermal dincolo de 33 m și să presupunem că creșterea temperaturii cu adâncimea are loc uniform, apoi la o adâncime de 100 km va fi o temperatură de 3000 ° C. Această temperatură depășește punctele de topire ale tuturor substanțelor cunoscute pe Pământ, prin urmare, există ar trebui să fie mase topite la această adâncime. Dar din cauza presiunii uriașe de 31.000 atm. Masele supraîncălzite nu au caracteristicile lichidelor, ci sunt înzestrate cu caracteristicile unui corp solid.
Odată cu adâncimea, treapta geotermală trebuie aparent să crească semnificativ. Dacă presupunem că pasul nu se schimbă cu adâncimea, atunci temperatura în centrul Pământului ar trebui să fie de aproximativ 200.000 de grade și, conform calculelor, nu poate depăși 5000 - 10.000 de grade.
Principalele surse de energie termică ale Pământului sunt [ , ]:
Până în prezent, doar primele patru surse au fost cuantificate. La noi, meritul principal în asta îi aparține O.G. Sorokhtinși S.A. Uşakov. Următoarele date se bazează în principal pe calculele acestor oameni de știință.
Căldura diferențierii gravitaționale a Pământului
Una dintre cele mai importante regularități în dezvoltarea Pământului este diferenţiere substanța sa, care continuă și în prezent. Această diferențiere a dus la formare miez si crusta, modificarea compoziției primarului halate, în timp ce împărțirea unei substanțe inițial omogene în fracții densitate diferităînsoţită de eliberare energie termală, iar degajarea maximă de căldură are loc în timpul separării materie terestră pe miez dens și greuși reziduale mai usoaraînveliș de silicat mantaua pământului. În prezent, cea mai mare parte a acestei călduri este generată la graniță manta – miez.
Energiile de diferențiere gravitațională ale Pământului pentru tot timpul existenței sale s-a remarcat - 1,46 * 10 38 erg (1,46 * 10 31 J). Dată energieîn cea mai mare parte, primul intră în energie kinetică curenții convectivi ai substanței mantalei și apoi în călduros; o altă parte din el este cheltuită pentru suplimentar comprimarea interiorului pământului, apărută din cauza concentrării fazelor dense în partea centrală a Pământului. Din 1,46*10 38 erg energia diferențierii gravitaționale a Pământului a mers la compresia sa suplimentară 0,23*10 38 erg (0,23*10 31 J), și sub formă de căldură degajată 1,23*10 38 erg (1,23*10 31 J). Mărimea acestei componente termice depășește semnificativ eliberarea totală în Pământ a tuturor celorlalte tipuri de energie. Distributie in timp Valoarea totalăși rata de eliberare a componentei termice energie gravitațională reflectată în fig. 3.6 .
Orez. 3.6.
Nivel modern generarea de căldură în timpul diferențierii gravitaționale a Pământului - 3*10 20 erg/s (3*10 13W), care este din valoarea modernului flux de caldura trecând prin suprafața planetei în ( 4,2-4,3) * 10 20 erg/s ((4,2-4,3)*10 13W), este ~ 70%
.
căldură radiogenă
Cauzat de dezintegrarea radioactivă a instabilului izotopi. Cel mai consumator de energie și de lungă durată ( cu un timp de înjumătățire proporţional cu vârsta Pământului) sunt izotopi 238 U, 235 U, 232thși 40K. Majoritatea sunt concentrate în crusta continentală . Nivel modern de generație căldură radiogenă:
- de un geofizician american V.Vakye - 1,14*10 20 erg/s (1,14*10 13W) ,
- conform geofizicienilor ruși O.G. Sorokhtinși S.A. Uşakov - 1,26*10 20 erg/s(1,26*10 13W) .
Din valoarea fluxului de căldură modern, acesta este ~ 27-30%.
Din căldura totală dezintegrare radioactivăîn 1,26*10 20 erg/s (1,26*10 13W) în scoarța terestră iese în evidență - 0,91*10 20 erg/s, iar în manta - 0,35*10 20 erg/s. De aici rezultă că proporția de căldură radiogenă a mantalei nu depășește 10% din pierderea totală de căldură modernă a Pământului și nu poate fi principala sursă de energie pentru procesele tectono-magmatice active, a căror adâncime poate ajunge la 2900 km. ; iar căldura radiogenă eliberată în crustă se pierde relativ rapid suprafața pământuluiși practic nu participă la încălzirea intestinelor profunde ale planetei.
În epocile geologice trecute, cantitatea de căldură radiogenă eliberată în manta trebuie să fi fost mai mare. Estimările sale la momentul formării Pământului ( acum 4,6 miliarde de ani) da - 6,95*10 20 erg/s. Din acel moment, a existat o scădere constantă a ratei de eliberare a energiei radiogene (Fig. 3.7 ).
Pentru tot timpul de pe Pământ a ieșit în evidență ~4,27*10 37 erg(4,27*10 30 J) energia termică a dezintegrarii radioactive, care este de aproape trei ori mai mică decât valoarea totală a căldurii de diferențiere gravitațională.
Căldura de frecare a mareelor
Se remarcă la interacțiune gravitațională Pământul mai întâi cu Luna ca cea mai apropiată majoritate corpul spațial. Multumesc reciproc atracție gravitaționalăîn corpurile lor apar deformații ale mareelor - umflătură sau cocoașe. Cocoașele de maree ale planetelor, cu atracția lor suplimentară, influențează mișcarea acestora. Astfel, atracția ambelor cocoașe de maree ale Pământului creează o pereche de forțe care acționează atât asupra Pământului însuși, cât și asupra Lunii. Cu toate acestea, influența umflăturii apropiate, cu fața spre lună, este oarecum mai puternică decât cea a celei îndepărtate. Datorită faptului că viteză unghiulară rotație pământ modern (7,27*10 -5 s -1) depaseste viteza orbitală mișcările lunii 2,66*10 -6 s -1), iar substanța planetelor nu este ideal elastică, atunci cocoașele de maree ale Pământului sunt, parcă, purtate de rotația sa înainte și sunt vizibil înaintea mișcării Lunii. Acest lucru duce la faptul că mareele maxime ale Pământului apar întotdeauna la suprafața sa ceva mai târziu decât momentul punct culminant Luna și un moment suplimentar de forță acționează asupra Pământului și a Lunii (Fig. 3.8 ) .
Valori absolute forțele de interacțiune a mareelor în sistemul Pământ-Lună sunt acum relativ mici și deformațiile de maree ale litosferei cauzate de acestea pot ajunge la doar câteva zeci de centimetri, dar duc la o încetinire treptată a rotației Pământului și, invers, la accelerare. mișcarea orbitală luna și distanța ei de pământ. Energie kinetică mişcarea cocoaşelor de maree ale pământului se transformă în energie termală, din cauza frecare internă substanțe în cocoașe de maree.
În prezent, rata de eliberare a energiei mareelor de G. McDonald este ~0,25*10 20 erg/s (0,25*10 13W), în timp ce partea sa principală (aproximativ 2/3) este probabil se risipește(dispersat) în hidrosferă. Prin urmare, proporția energiei mareelor cauzată de interacțiunea Pământului cu Luna și disipată în interior pământ solid(în primul rând în astenosferă), nu depășește 2 %
energia termică totală generată în adâncurile sale; iar fractia mareelor solare nu depaseste 20 %
din influența mareelor lunare. Prin urmare, mareele solide acum nu joacă aproape niciun rol în nutriție. procesele tectonice energie, dar în unele cazuri poate acționa ca „ declanșatoare, cum ar fi cutremure.
Cantitatea de energie mareelor este direct legată de distanța dintre acestea obiecte spațiale. Și dacă distanța dintre Pământ și Soare nu presupune niciuna schimbări semnificative pe o scară de timp geologică, atunci în sistemul Pământ-Lună acest parametru este variabil. Indiferent de ideile despre, aproape toți cercetătorii admit că în primele etape ale dezvoltării Pământului, distanța până la Lună a fost semnificativ mai mică decât cea modernă, în timp ce în procesul de dezvoltare planetară, conform celor mai mulți oameni de știință, aceasta crește treptat. , iar conform Yu.N. Avsyuku această distanță experimentează schimbări pe termen lung sub formă de cicluri „sosire – plecare” a lunii. Aceasta implică faptul că în epocile geologice trecute rolul căldurii mareelor în general echilibru termic Terenul era mai important. În general, pe toată durata dezvoltării Pământului, s-a remarcat ~3,3*10 37 erg (3,3*10 30 J) energia termică a mareelor (aceasta este supusă îndepărtarii succesive a Lunii de pe Pământ). Modificarea în timp a vitezei de eliberare a acestei călduri este prezentată în Fig. 3.10 .
Mai mult de jumătate din energia totală a mareelor a fost eliberată în katarchee (hellea)) - în urmă cu 4,6-4,0 miliarde de ani, iar la acel moment, numai datorită acestei energii, Pământul se putea încălzi suplimentar cu ~ 500 0 С. consumatoare de energie procese endogene
.
căldură de acumulare
Aceasta este căldura stocată de Pământ de la formarea sa. Pe parcursul acumulari, care a durat câteva zeci de milioane de ani, din cauza coliziunii planetezimale Pământul a suferit o încălzire semnificativă. În același timp, nu există un consens cu privire la amploarea acestei încălziri. În prezent, cercetătorii sunt înclinați să creadă că în procesul de acumulare, Pământul a experimentat, dacă nu complet, apoi o topire parțială semnificativă, care a dus la diferențierea inițială a Proto-Pământului într-un miez greu de fier și o manta ușoară de silicat și la formație „Oceanul de magmă” la suprafaţa sa sau la adâncimi mici. Deși chiar înainte de anii 1990, modelul de relativ rece pământ primar, care s-a încălzit treptat datorită proceselor de mai sus, însoțită de eliberarea unei cantități semnificative de energie termică.
O evaluare precisă a căldurii de acumulare primară și a ponderii acesteia care a supraviețuit până în prezent este asociată cu dificultăți semnificative. De O.G. Sorokhtinși S.A. Uşakov, care sunt susținători ai unui Pământ primar relativ rece, valoarea energiei de acumulare convertită în căldură este - 20,13*10 38 erg (20,13*10 31 J). Această energie în absența pierderii de căldură ar fi suficientă pentru evaporare completă materie terestră, pentru că temperatura ar putea crește până la 30 000 0 С. Dar procesul de acumulare a fost relativ lung, iar energia impacturilor planetezimale a fost eliberată doar în straturile apropiate de suprafață ale Pământului în creștere și s-a pierdut rapid cu radiația termică, astfel încât încălzirea inițială a planetei nu a fost mare. Amploarea acestui lucru Radiație termala, mergând în paralel cu formarea (acreția) Pământului, estimează acești autori 19,4*10 38 erg (19,4*10 31 J)
.
În bilanţul energetic actual al Pământului, căldura de acumulare joacă cel mai probabil un rol nesemnificativ.
LOR. Kapitonov
Căldura nucleară a Pământului
Căldura pământului
Pământul este un corp destul de puternic încălzit și este o sursă de căldură. Se încălzește în primul rând datorită radiației solare pe care o absoarbe. Dar Pământul are și propria sa resursă termică comparabilă cu căldura primită de la Soare. Se crede că această energie proprie a Pământului are următoarea origine. Pământul a apărut în urmă cu aproximativ 4,5 miliarde de ani, în urma formării Soarelui dintr-un disc protoplanetar de gaz-praf care se rotește în jurul lui și se condensează. Într-un stadiu incipient al formării sale, substanța pământului a fost încălzită din cauza comprimării gravitaționale relativ lente. Un rol important în echilibrul termic al Pământului l-a jucat și energia eliberată în timpul căderii micilor corpuri cosmice pe acesta. Prin urmare, tânărul Pământ a fost topit. Răcindu-se, a ajuns treptat la starea actuală cu o suprafață solidă, o parte semnificativă din care este acoperită cu oceane și ape marii. Atat de greu strat exterior numit scoarta terestra iar în medie pe terenuri grosimea sa este de aproximativ 40 km, și sub apele oceanice- 5-10 km. Mai mult strat profund Pământul chemat manta, constă și din materie solidă. Se extinde până la o adâncime de aproape 3000 km și conține cea mai mare parte a materiei Pământului. În cele din urmă, partea cea mai interioară a Pământului este ea miez. Este format din două straturi - extern și intern. învelișul exterior acesta este un strat de fier topit și nichel la o temperatură de 4500-6500 K cu o grosime de 2000-2500 km. miez interior cu o rază de 1000-1500 km este un aliaj solid fier-nichel încălzit la o temperatură de 4000-5000 K cu o densitate de aproximativ 14 g/cm 3, care a apărut la o presiune uriașă (aproape 4 milioane de bari).
Pe lângă căldura internă a Pământului, moștenită de la prima etapă fierbinte a formării sale, și a cărei cantitate ar trebui să scadă în timp, există o altă, pe termen lung, asociată cu dezintegrarea radioactivă a nucleelor cu o jumătate lungă. viața - în primul rând, 232 Th, 235 U , 238 U și 40 K. Energia eliberată în aceste dezintegrare - ele reprezintă aproape 99% din energia radioactivă a Pământului - completează constant rezervele termice ale Pământului. Nucleele de mai sus sunt conținute în crustă și manta. Degradarea lor duce la încălzirea atât a straturilor exterioare, cât și a celor interioare ale Pământului.
O parte din căldura uriașă conținută în interiorul Pământului iese constant la suprafața sa, adesea în procese vulcanice la scară foarte mare. Fluxul de căldură care curge din adâncurile Pământului prin suprafața sa este cunoscut. Este (47±2)·10 12 wați, ceea ce este echivalent cu căldura care poate fi generată de 50 de mii de centrale nucleare (puterea medie a unei centrale nucleare este de aproximativ 10 9 wați). Se pune întrebarea dacă vreunul rol esential energie radioactivă în bugetul termic total al Pământului, iar dacă joacă, atunci ce fel? Răspunsul la aceste întrebări perioadă lungă de timp rămas necunoscut. Acum există oportunități de a răspunde la aceste întrebări. Rolul cheie aici revine neutrinilor (antineutrinii), care se nasc în procesele de dezintegrare radioactivă a nucleelor care alcătuiesc materia Pământului și care se numesc geo-neutrini.
Geo-neutrini
Geo-neutrini este denumirea combinată pentru neutrini sau antineutrini, care sunt emiși ca urmare a dezintegrarii beta a nucleelor situate sub suprafața pământului. Evident, datorită capacității de penetrare fără precedent, înregistrarea acestora (și numai a acestora) de către detectoare de neutrini de la sol poate oferi informații obiective despre procesele de dezintegrare radioactivă care au loc adânc în interiorul Pământului. Un exemplu de astfel de dezintegrare este dezintegrarea β a nucleului de 228 Ra, care este produsul dezintegrarii α a nucleului de 232 Th cu viață lungă (vezi tabelul):
Timpul de înjumătățire (T 1/2) al nucleului de 228 Ra este de 5,75 ani, iar energia eliberată este de aproximativ 46 keV. Spectrul energetic al antineutrinilor este continuu cu o limită superioară apropiată de energia eliberată.
Dezintegrarile nucleelor 232 Th, 235 U, 238 U sunt lanțuri de dezintegrari succesive care formează așa-numitele serie radioactive. În astfel de lanțuri, dezintegrarile α sunt intercalate cu dezintegrari β -, deoarece în dezintegrarile α nucleii finali se dovedesc a fi mutați de la linia de stabilitate β în regiunea nucleelor supraîncărcate cu neutroni. După un lanț de dezintegrari succesive la sfârșitul fiecărui rând, se formează nuclee stabile cu numărul de protoni și neutroni apropiat sau egal cu numerele magice (Z
=
82,N= 126). Astfel de nuclee finali sunt izotopi stabili de plumb sau bismut. Astfel, dezintegrarea lui T 1/2 se termină cu formarea nucleului dublu magic 208 Pb, iar pe calea 232 Th → 208 Pb se produc șase dezintegrari α, alternând cu patru dezintegrari β (în lanțul 238 U → 206 Pb, opt α- și șase β - - dezintegra; există șapte α- și patru β - dezintegrari în lanțul 235 U → 207 Pb). Astfel, spectrul energetic al antineutrinilor din fiecare serie radioactivă este o suprapunere a spectrelor parțiale din dezintegrari individuale β - care alcătuiesc această serie. Spectrele de antineutrini produși în dezintegrari de 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K sunt prezentate în Fig. 1. Dezintegrarea de 40 K este o singură dezintegrare β − (vezi tabelul). cea mai mare energie(până la 3,26 MeV) antineutrinii ajung în dezintegrare
214 Bi → 214 Po, care este o legătură în seria radioactivă 238 U. Energia totală eliberată în timpul trecerii tuturor legăturilor de dezintegrare din seria 232 Th → 208 Pb este de 42,65 MeV. Pentru seriile radioactive 235 U și 238 U, aceste energii sunt de 46,39 și, respectiv, 51,69 MeV. Energia eliberată în dezintegrare
40 K → 40 Ca este 1,31 MeV.
Caracteristicile nucleelor 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K
| Miez | Cota în % într-un amestec izotopi |
Numărul de nuclee relatează. Si nuclei |
T 1/2 miliarde de ani |
Primele linkuri descompunere |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
 |
Estimarea fluxului de geo-neutrini, realizată pe baza dezintegrarii nucleelor de 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K cuprinse în compoziția materiei Pământului, conduce la o valoare de ordinul a 10 6 cm. -2 sec -1. Prin înregistrarea acestor geo-neutrini, se pot obține informații despre rolul căldurii radioactive în bilanțul termic total al Pământului și se pot testa ideile noastre despre conținutul de radioizotopi cu viață lungă în compoziția materiei terestre.
Orez. 1. Spectrele energetice ale antineutrinilor din dezintegrarea nucleară
232 Th, 235 U, 238 U, 40 K normalizat la o dezintegrare a nucleului părinte
Reacția este utilizată pentru a înregistra antineutrinii electronici
P → e + + n, (1)
în care această particulă a fost de fapt descoperită. Pragul pentru această reacție este de 1,8 MeV. Prin urmare, în reacția de mai sus pot fi înregistrați numai geo-neutrini formați în lanțuri de dezintegrare începând de la nucleele 232 Th și 238 U. Secțiunea transversală efectivă a reacției în discuție este extrem de mică: σ ≈ 10 -43 cm 2. De aici rezultă că un detector de neutrini cu un volum sensibil de 1 m 3 nu va înregistra mai mult de câteva evenimente pe an. Este evident că detectoarele de neutrini sunt necesare pentru a fixa în mod fiabil fluxurile de geo-neutrini. volum mare găzduit în laboratoare subterane pentru o protecție maximă a fundalului. Ideea de a folosi detectoare concepute pentru a studia neutrinii solari și de reactoare pentru înregistrarea geoneutrinilor a apărut în 1998. În prezent, există două detectoare de neutrini cu volum mare care folosesc un scintilator lichid și potrivite pentru rezolvarea problemei. Aceștia sunt detectorii de neutrini ai experimentelor KamLAND (Japonia, ) și Borexino (Italia, ). Mai jos luăm în considerare dispozitivul detectorului Borexino și rezultatele obținute pe acest detector privind înregistrarea geo-neutrinilor.
Detector Borexino și înregistrarea geo-neutrinilor
Detectorul de neutrini Borexino este situat în centrul Italiei într-un laborator subteran de sub lanțul muntos Gran Sasso, ale cărui vârfuri muntoase ating 2,9 km (Fig. 2).
Orez. Fig. 2. Diagrama de amplasare a laboratorului de neutrini sub lanțul muntos Gran Sasso (centrul Italiei)
Borexino este un detector masiv nesegmentat al cărui mediu activ este
280 de tone de scintilator lichid organic. A umplut un vas sferic de nailon cu un diametru de 8,5 m (Fig. 3). Scintilatorul a fost pseudocumen (C9H12) cu un aditiv PPO de schimbare a spectrului (1,5 g/L). Lumina de la scintilator este colectată de 2212 fotomultiplicatori (PMT) de opt inci plasați pe o sferă de oțel inoxidabil (SSS).
Orez. 3. Schema dispozitivului detectorului Borexino
Un vas de nailon cu pseudocumen este un detector intern a cărui sarcină este să înregistreze neutrini (antineutrini). Detectorul interior este înconjurat de două zone tampon concentrice care îl protejează de razele gamma externe și neutroni. Zona interioară este umplută cu un mediu nescintilant format din 900 de tone de pseudocumen cu aditivi de ftalat de dimetil pentru a stinge scintilațiile. Zona exterioară este situată deasupra SNS și este un detector de apă Cherenkov care conține 2000 de tone de apă ultrapură și întrerupe semnalele de la muonii care intră în instalație din exterior. Pentru fiecare interacțiune care are loc în detectorul intern, se determină energia și timpul. Calibrarea detectorului folosind diverse surse radioactive a făcut posibilă determinarea foarte precisă a scalei sale de energie și a gradului de reproductibilitate a semnalului luminos.
Borexino este un detector cu puritate foarte mare a radiațiilor. Toate materialele au fost riguros selectate, iar scintilatorul a fost curățat pentru a minimiza fundalul intern. Datorită purității ridicate a radiațiilor, Borexino este un detector excelent pentru detectarea antineutrinilor.
În reacția (1), pozitronul dă un semnal instantaneu, care după un timp este urmat de captarea unui neutron de către un nucleu de hidrogen, ceea ce duce la apariția unui cuantum γ cu o energie de 2,22 MeV, care creează un semnal întârziat față de primul. În Borexino, timpul de captare a neutronilor este de aproximativ 260 μs. Semnalele instantanee și întârziate sunt corelate în spațiu și timp, oferind recunoașterea exactă a evenimentului cauzat de e .
Pragul de reacție (1) este de 1,806 MeV și, după cum se poate observa din Fig. 1, toți geo-neutrinii din dezintegrarea de 40 K și 235 U sunt sub acest prag și doar o parte din geo-neutrinii care au provenit din dezintegrarea de 232 Th și 238 U poate fi detectată.
Detectorul Borexino a detectat pentru prima dată semnale de la geo-neutrini în 2010 și a publicat recent rezultate noi bazate pe observații pe parcursul a 2056 de zile din decembrie 2007 până în martie 2015. Mai jos vă prezentăm datele obținute și rezultatele discuției lor, pe baza articolului.
În urma analizei datelor experimentale, au fost identificați 77 de candidați pentru antineutrini electronici care au trecut toate criteriile de selecție. Contextul de la evenimentele care simulează e a fost estimat prin . Astfel, raportul semnal/fond a fost ≈100.
Principala sursă de fond a fost reactorul antineutrini. Pentru Borexino, situația a fost destul de favorabilă, deoarece în apropierea laboratorului Gran Sasso nu există reactoare nucleare. În plus, antineutrinii reactorului sunt mai energici decât geoneutrinii, ceea ce a făcut posibilă separarea acestor antineutrini de pozitroni prin puterea semnalului. Rezultatele analizei contribuțiilor geo-neutrinilor și antineutrinilor reactorului la numărul total de evenimente înregistrate din e sunt prezentate în Fig. 4. Numărul de geoneutrini înregistrați dat de această analiză (zona umbrită le corespunde din Fig. 4) este egal cu 
. În spectrul de geo-neutrini extrași în urma analizei sunt vizibile două grupe - mai puțin energetice, mai intense și mai energice, mai puțin intense. Autorii studiului descris asociază aceste grupuri cu descompunerea toriu-ului și, respectiv, a uraniului.
În analiza în discuție, am folosit raportul dintre masele de toriu și uraniu din materia Pământului
m(Th)/m(U) = 3,9 (în tabel această valoare este ≈3,8). Această cifră reflectă conținutul relativ al acestor elemente chimice în condrite - cel mai comun grup de meteoriți (mai mult de 90% dintre meteoriții care au căzut pe Pământ aparțin acestui grup). Se crede că compoziția condritelor, cu excepția gazelor ușoare (hidrogen și heliu), repetă compoziția sistemului solar și a discului protoplanetar din care s-a format Pământul.
Orez. Fig. 4. Spectrul de ieșire a luminii de la pozitroni în unități ale numărului de fotoelectroni pentru evenimentele candidate antineutrini (puncte experimentale). Zona umbrită este contribuția geo-neutrinilor. Linia continuă este contribuția antineutrinilor din reactor.
