Trudno pomyśleć, że można obliczyć temperaturę wewnątrz ziemi. Nasza planeta ma głębokość 6.000 kilometrów, aż dotrze do jądra. Mimo to człowiek osiągnął głębokość zaledwie 12 km. Jednak dysponujemy różnymi technikami umożliwiającymi dokładne obliczenie temperatury. Zmienność temperatury pod względem głębokości skorupy ziemskiej znana jest pod nazwą gradient geotermalny.
W tym artykule opowiem o wszystkich cechach i znaczeniu gradientu geotermalnego.
Jaki jest gradient geotermalny
Gradient geotermalny to nic innego jak zmienność temperatury jako funkcja głębokości, którą się znajdujemy. Temperaturę można zmierzyć w pierwszych kilometrach skorupy ziemskiej, a jej głębokość wzrasta po średnim ciśnieniu wynoszącym 3 stopnie na każde 100 metrów głębokości. Zależność między zmianami temperatury i głębokości nazywana jest gradientem geotermalnym. Naturalne ciepło jądra Ziemi jest spowodowane różnymi procesami fizycznymi i chemicznymi zachodzącymi wewnątrz. Istnieją również inne czynniki, które uwzględniają to równanie, aby móc obliczyć temperaturę.
Główne cechy
Zobaczmy, jakie są różne czynniki, które wpływają na wartość gradientu geotermalnego:
- Czynniki regionalne: region, z którego jesteśmy na całym świecie, jest niezbędny do poznania zmienności temperatury. Kontekst geologiczno-strukturalny w skali regionalnej jest jednym z czynników warunkujących rozkład temperatur. Innymi słowy, na obszarach, na których obecnie występuje aktywny wulkanizm, gdzie litosfera jest bardziej zredukowana, gradient geotermalny jest znacznie wyższy niż na innych obszarach, na których nie ma aktywności wulkanicznej lub gdzie litosfera ma inną grubość.
- Czynniki lokalne: na znacznie bardziej lokalnym poziomie widzimy różnice między właściwościami termicznymi skał. Istnieją skały, które mają wyższą przewodność cieplną, która powoduje wrażliwe boczne i pionowe zmiany wspomnianego gradientu geotermalnego. Czynnikiem, który w największym stopniu decyduje o wartości tego gradientu geotermalnego, jest cyrkulacja wód podziemnych. Rzecz w tym, że woda ma ogromną zdolność do redystrybucji ciepła. W ten sposób znajdujemy obszary doładowania warstwy wodonośnej, których gradient geotermalny zmniejsza się z powodu cyrkulacji chłodniejszej wody w dół.
Z drugiej strony mamy obszary rozładunku, w których dzieje się odwrotnie. Wzrost temperatury ciepłej wody na głębokości powoduje wzrost gradientu geotermalnego. W związku z tym, wartość, jaką przybierze gradient geotermalny, różni się w zależności od kontekstu geologicznego i strukturalnego, różnice między właściwościami technicznymi skał a obiegiem wód podziemnych. Wszystkie te czynniki powodują, że wzrost temperatury ma różną głębokość.
Przepływ i propagacja ciepła naziemnego
Wiemy, że ciepło emitowane przez naszą planetę można określić ilościowo za pomocą powierzchniowego strumienia ciepła. Jest to ilość ciepła, które planeta traci na jednostkę powierzchni i w czasie. Strumień ciepła powierzchniowego oblicza się jako iloczyn gradientu geotermalnego i przewodności cieplnej ośrodka. Oznacza to, że wartość gradientu geotermalnego pomnożona przez zdolność przewodzenia ciepła w danym środowisku, w którym się znajdujemy. W ten sposób poznajemy całkowitą ilość strat ciepła, które występują w określonym obszarze.
Przewodność cieplna to łatwość przenoszenia ciepła przez materiał. Typowa wartość strumienia ciepła na kontynencie wynosi 60 mW / m2, która może spaść do wartości 30 mW / m2 na starych obszarach kontynentalnych - gdzie litosfera jest grubsza - i przekraczać wartości 120 mW / m2 na obszarach młodszych, gdzie litosfera jest mniej gruba. W kopalniach i odwiertach łatwo jest sprawdzić, temperatura materiałów wnętrza ziemi rośnie wraz z głębokością.
Istnieje wiele szybów naftowych, w których wartości 100 stopni są osiągane na około 4.000 metrów głębokości. Z drugiej strony, na obszarach, na których występują erupcje wulkanów, różne materiały są przenoszone na powierzchnię ziemi w wysokich temperaturach, które pochodzą ze znacznie głębszych obszarów. Część skorupy ziemskiej ma grubość kilkudziesięciu centymetrów. Charakteryzuje się tym, że jego temperatury zależą od istniejącej temperatury powierzchni i wykazuje dużą różnorodność temperatur dobowych i sezonowych. Wpływ temperatury zewnętrznej wpływa znacznie mniej, im głębiej.
Kiedy osiągniemy pewien poziom głębokości, temperatura jest stała, równa średniej temperatury powierzchni danego miejsca. Strefa ta nazywana jest ozonem o stałej temperaturze na poziomie neutralnym.
Głębokość i gradient geotermalny
Głębokość, na której znajduje się poziom neutralny, przy stałej temperaturze, zwykle waha się od 2 do 40 metrów. Jest to tym większe, im bardziej ekstremalny jest klimat panujący na powierzchni Ziemi. Poniżej punktu neutralnego temperatura zaczyna rosnąć wraz z głębokością. Wzrost ten nie jest jednakowy we wszystkich obszarach. W pierwszym jest bardziej powierzchowny niż skorupa ziemska, średnia wartość gradientu geotermalnego wynosi około 33 metry. Oznacza to, że musisz zejść na głębokość 33 metrów, aby temperatura wzrosła o 1 stopień. A zatem, Jest ustalany między średnim gradientem geotermalnym wynoszącym 3 stopnie na 100 metrów.
Średnie wartości mają zastosowanie tylko do najbardziej zewnętrznych obszarów kory, ponieważ można je utrzymać w całym promieniu. Na większych głębokościach temperatury są wyższe, ponieważ materiały topią się na głębokości zaledwie kilkuset kilometrów.
Dziś wiemy, że większość geofizyków szacuje, że temperatury w najbardziej wewnętrznych częściach planety nie przekraczają kilku tysięcy stopni. Najbardziej, niektórzy szacują wartości na około 5.000 stopni. Wszystko to prowadzi do spadku gradientu geotermalnego wraz z głębokością po osiągnięciu określonej kwoty podziemnej.
Mam nadzieję, że dzięki tym informacjom możesz dowiedzieć się więcej o tym, czym jest gradient geotermalny i jakie są jego cechy.