3.1. Источники тепловой энергии Земли

Основными источниками тепловой энергии Земли являются [5, 9]:

К настоящему времени количественно оценены лишь первые четыре источника. В нашей стране основная заслуга в этом принадлежит О.Г. Сорохтину и С.А. Ушакову [5]. Нижеприводимые данные в основном базируются на расчётах этих учёных.

Одной из важнейших закономерностей развития Земли является дифференциация её вещества, которая продолжается и в настоящее время. За счёт этой дифференциации произошло формирование ядра и земной коры, изменение состава первичной мантии, при этом разделение первоначально однородного вещества на фракции различной плотности сопровождается выделением тепловой энергии, а максимальное тепловыделение происходит при разделении земного вещества на плотное и тяжёлое ядро и остаточную более лёгкую силикатную оболочку - земную мантию. В настоящее время основная часть этого тепла выделяется на границе мантия - ядро.

Энергии гравитационной дифференциации Земли за всё время её существования выделилось - 1,46*10³⁸ эрг (1,46*10³¹ Дж). Данная энергия в большей своей части сначала переходит в кинетическую энергию конвективных течений мантийного вещества, а затем в тепло; другая её часть расходуется на дополнительное сжатие земных недр, возникающее благодаря концентрации плотных фаз в центральной части Земли. Из 1,46*10³⁸ эрг энергии гравитационной дифференциации Земли на её дополнительное сжатие пошло 0,23*10³⁸ эрг (0,23*10³¹ Дж), а в форме тепла выделилось 1,23*10³⁸ эрг (1,23*10³¹ Дж). Величина этой тепловой составляющей существенно превышает суммарное выделение в Земле всех остальных видов энергии. Распределение во времени общей величины и скорости выделения тепловой компоненты гравитационной энергии отражено на Рис. 3.6.

Рис. 3.6. Распределение во времени общей величины (а) и скорости выделения (б) тепловой компоненты гравитационной энергии

Обусловливается радиоактивным распадом нестабильных изотопов. Наиболее энергоёмкими и долгоживущими (с периодом полураспада, соизмеримым с возрастом Земли) являются изотопы ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th и ⁴⁰K. Основной их объём сосредоточен в континентальной коре [6]. Современный уровень генерации радиогенного тепла:

От величины современного теплового потока это составляет ~ 27-30 %.

Из общей величины тепла радиоактивного распада в 1,26*10²⁰ эрг/с (1,26*10¹³ Вт) в земной коре выделяется - 0,91*10²⁰ эрг/с, а в мантии - 0,35*10²⁰ эрг/с [5]. Отсюда следует, что доля мантийного радиогенного тепла не превышает 10 % от суммарных современных теплопотерь Земли, и она не может являться основным источником энергии активных тектоно-магматических процессов, глубина зарождения которых может достигать 2900 км; а радиогенное тепло, выделяющееся в коре, относительно быстро теряется через земную поверхность и практически не участвует в разогреве глубинных недр планеты.

В прошлые геологические эпохи величина радиогенного тепла, выделяемого в мантии, должна была быть более высокой. Её оценки на момент образования Земли (4,6 млрд. лет назад) дают - 6,95*10²⁰ эрг/с [5]. С этого времени происходит неуклонное снижение скорости выделения радиогенной энергии (Рис. 3.7).

Рис. 3.7. Скорость выделения радиогенной энергии

За всё время в Земле выделилось ~4,27*10³⁷ эрг (4,27*10³⁰ Дж) тепловой энергии радиоактивного распада, что почти в три раза ниже общей величины тепла гравитационной дифференциации.

Выделяется при гравитационном взаимодействии Земли в первую очередь с Луной, как ближайшим крупным космическим телом. Благодаря взаимному гравитационному притяжению в их телах возникают приливные деформации - вздутия или горбы. Приливные горбы планет своим дополнительным притяжением оказывают влияние на их движение. Так, притяжение обоих приливных горбов Земли создаёт пару сил, действующих как на саму Землю, так и на Луну. Однако влияние ближнего, обращённого к Луне вздутия несколько сильнее, чем дальнего. В связи с тем, что угловая скорость вращения современной Земли (7,27*10^-5 с^-1) превышает орбитальную скорость движения Луны (2,66*10^-6 с^-1), а вещество планет не является идеально упругим, то приливные горбы Земли как бы увлекаются её вращением вперед и заметно опережают движение Луны. Это приводит к тому, что максимальные приливы Земли всегда наступают на её поверхности несколько позже момента кульминации Луны, а на Землю и Луну действует дополнительный момент сил (Рис. 3.8) [5].

Рис. 3.8. Схема приливного взаимодействия Земли с Луной

В настоящее время скорость выделения приливной энергии по Г. Макдональду составляет ~0,25*10²⁰ эрг/с (0,25*10¹³ Вт), при этом основная её часть (около 2/3) предположительно диссипирует (рассеивается) в гидросфере. Следовательно, доля приливной энергии, вызванной взаимодействием Земли с Луной и рассеиваемой в твёрдой Земле (в первую очередь в астеносфере), не превышает 2 % полной тепловой энергии, генерируемой в её недрах; а доля солнечных приливов не превышает 20 % от воздействия лунных приливов. Поэтому твёрдые приливы не играют теперь практически никакой роли в питании тектонических процессов энергией, но в отдельных случаях могут выступать в качестве "спусковых механизмов", например землетрясений [5].

Величина приливной энергии прямо связана с расстоянием между космическими объектами. И если для расстояния между Землёй и Солнцем не предполагается каких-либо существенных изменений в геологическом масштабе времени, то в системе Земля-Луна этот параметр является переменной величиной. Вне зависимости от представлений об образовании Луны практически все исследователи признают, что на ранних стадиях развития Земли расстояние до Луны было существенно меньше современного, в процессе же планетного развития, по мнению большинства учёных, оно постепенно увеличивается, а по Ю.Н. Авсюку это расстояние испытывает долгопериодические изменения в виде циклов "прихода - ухода" Луны. Отсюда исходит, что в прошлые геологические эпохи роль приливного тепла в общем тепловом балансе Земли была более значительной. В целом, за всё время развития Земли в ней выделилось ~3,3*10³⁷ эрг (3,3*10³⁰ Дж) энергии приливного тепла (это при условии последовательного удаления Луны от Земли). Изменение же во времени скорости выделения этого тепла представлено на Рис. 3.10.

Рис. 3.10. Скорость выделения приливной энергии

Это тепло, сохранённое Землёй с момента её формирования. В процессе аккреции, которая продолжалась в течение нескольких десятков миллионов лет, благодаря соударению планетезималей Земля испытала существенный разогрев. При этом по поводу величины этого разогрева нет единого мнения. В настоящее время исследователи склоняются к тому, что в процессе аккреции Земля испытала если не полное, то значительное частичное плавление, что привело к начальной дифференциации ПротоЗемли на тяжёлое железное ядро и лёгкую силикатную мантию, и к формированию "магматического океана" на её поверхности или на небольшой глубине. Хотя ещё до 1990-х годов практически общепризнанной считалась модель относительно холодной первичной Земли, которая постепенно разогревалась за счёт вышерассмотренных процессов, сопровождавшихся выделением значительного количества тепловой энергии.

Точная оценка первичного аккреционного тепла и её сохранившейся до настоящего времени доли связана со значительными трудностями [9]. По О.Г. Сорохтину и С.А. Ушакову, являющихся сторонниками относительно холодной первичной Земли, величина энергии аккреции, перешедшей в тепло, составляет - 20,13*10³⁸ эрг (20,13*10³¹ Дж). Этой энергии при отсутствии теплопотерь хватило бы для полного испарения земного вещества, т.к. температура могла бы подняться до 30 000 ⁰С. Но процесс аккреции был относительно длительным, а энергия ударов планетезималей выделялась лишь в приповерхностных слоях растущей Земли и быстро терялась с тепловым излучением, поэтому первичный разогрев планеты не был большим. Величину этого теплового излучения, идущего параллельно с формированием (аккрецией) Земли, указанные авторы оценивают в 19,4*10³⁸ эрг (19,4*10³¹ Дж) [5].

В современном энергетическом балансе Земли аккреционное тепло, вероятнее всего, играет незначительную роль.