Teplo zeme. Možné zdroje vnútorného tepla

Geotermia- veda, ktorá študuje tepelné pole Zeme. Priemerná povrchová teplota Zeme má všeobecnú tendenciu klesať. Pred tromi miliardami rokov bola priemerná teplota na povrchu Zeme 71 o, teraz je to 17 o. Zdroje tepla (tepelné ) Zemské polia sú vnútorné a vonkajšie procesy. Teplo Zeme je spôsobené slnečným žiarením a vzniká v útrobách planéty. Hodnoty tepelného toku z oboch zdrojov sú kvantitatívne extrémne odlišné a ich úlohy v živote planéty sú odlišné. Slnečné ohrievanie Zeme tvorí 99,5 % z celkového množstva tepla prijatého jej povrchom a vnútorné vykurovanie predstavuje 0,5 %. Navyše, prílev vnútorného tepla je na Zemi rozmiestnený veľmi nerovnomerne a sústreďuje sa najmä v miestach prejavu vulkanizmu.

Externý zdroj je slnečné žiarenie . Polovica slnečnej energie je absorbovaná povrchom, vegetáciou a pripovrchovou vrstvou zemskej kôry. Druhá polovica sa odráža do svetového priestoru. Slnečné žiarenie udržuje teplotu zemského povrchu v priemere okolo 0 0 C. Slnko ohrieva povrchovú vrstvu Zeme do priemernej hĺbky 8 - 30 m, s priemernou hĺbkou 25 m, vplyvom slnečného tepla prestane a teplota sa stane konštantnou (neutrálna vrstva). Táto hĺbka je minimálna v oblastiach s prímorskou klímou a maximálna v subpolárnej oblasti. Pod touto hranicou sa nachádza pás konštantnej teploty zodpovedajúci priemernej ročnej teplote územia. Takže napríklad v Moskve na území poľnohospodárstva. akadémie. Timiryazev, v hĺbke 20 m, sa teplota od roku 1882 vždy rovná 4,2 o C. V Paríži v hĺbke 28 m teplomer už viac ako 100 rokov trvalo ukazuje 11,83 o C. Vrstva s konštantná teplota je najhlbšia tam, kde trvá trvalka (permafrost. Pod pásom konštantnej teploty sa nachádza geotermálna zóna, ktorá je charakteristická teplom generovaným samotnou Zemou.

Vnútorné zdroje sú útroby Zeme. Zem vyžaruje do vesmíru viac tepla, ako prijíma od Slnka. Vnútorné zdroje zahŕňajú zvyškové teplo z doby roztavenia planéty, teplo termonukleárnych reakcií prebiehajúcich v útrobách Zeme, teplo gravitačnej kompresie Zeme pôsobením gravitácie, teplo chemických reakcií a kryštalizačných procesov. atď. (napríklad slapové trenie). Teplo z čriev pochádza hlavne z pohyblivých zón. Nárast teploty s hĺbkou je spojený s existenciou interné zdroje teplo - rozpad rádioaktívnych izotopov - U, Th, K, gravitačná diferenciácia látok, slapové trenie, exotermický redox chemické reakcie metamorfóza a fázové prechody. Rýchlosť zvyšovania teploty s hĺbkou je určená množstvom faktorov - tepelná vodivosť, priepustnosť skaly, blízkosť vulkanických ohnísk a pod.

Pod pásom konštantných teplôt dochádza k zvýšeniu teploty v priemere o 1 o na 33 m ( geotermálny stupeň) alebo 3 o každých 100 m ( geotermálny gradient). Tieto hodnoty sú indikátormi tepelného poľa Zeme. Je zrejmé, že tieto hodnoty sú priemerné a líšia sa veľkosťou v rôznych oblastiach alebo zónach Zeme. Geotermálna etapa v rôzne body Zem je iná. Napríklad v Moskve - 38,4 m, v Leningrade 19,6, v Archangeľsku - 10. Takže pri vŕtaní hlbokej studne na polostrove Kola v hĺbke 12 km sa predpokladala teplota 150 °, v skutočnosti sa ukázalo, že byť okolo 220 stupňov. Pri vŕtaní studní v severnom Kaspickom mori v hĺbke 3000 m sa predpokladala teplota 150 stupňov, ale ukázalo sa, že je 108 stupňov.

Je potrebné poznamenať, že klimatické vlastnosti oblasti a priemerná ročná teplota neovplyvňujú zmenu hodnoty geotermálneho kroku, dôvody sú nasledovné:

1) v rozdielnej tepelnej vodivosti hornín, ktoré tvoria určitú oblasť. Pod meradlom tepelnej vodivosti sa rozumie množstvo tepla v kalóriách prenesené za 1 sekundu. Cez úsek 1 cm 2 s teplotným spádom 1 o C;

2) v rádioaktivite hornín, čím väčšia je tepelná vodivosť a rádioaktivita, tým nižší je geotermálny krok;

3) v rôzne podmienky výskyt hornín a vek narušenia ich výskytu; pozorovania ukázali, že teplota stúpa rýchlejšie vo vrstvách zhromaždených v záhyboch, často majú porušenia (trhliny), cez ktoré je uľahčený prístup tepla z hĺbky;

4) povaha podzemnej vody: horúca podzemná voda tečie teplými horninami, studená chladia;

5) vzdialenosť od oceánu: v blízkosti oceánu v dôsledku ochladzovania hornín množstvom vody je geotermálny krok väčší a na kontakte je menší.

Poznanie konkrétnej hodnoty geotermálneho kroku má veľký praktický význam.

1. Toto je dôležité pri navrhovaní mín. V niektorých prípadoch bude potrebné prijať opatrenia na umelé zníženie teploty v hlbokých prácach (teplota - 50 ° C je limit pre osobu v suchom vzduchu a 40 ° C vo vlhkom vzduchu); v iných bude možné pracovať vo veľkých hĺbkach.

2. Veľký význam má hodnotenie teplotných pomerov pri razení tunelov v horských oblastiach.

3. Štúdium geotermálnych pomerov vnútrozemia Zeme umožňuje využívať paru a horúce pramene vyvierajúce na zemskom povrchu. Podzemné teplo využívajú napríklad v Taliansku, na Islande; v Rusku bola na Kamčatke postavená experimentálna priemyselná elektráreň na prírodné teplo.

Pomocou údajov o veľkosti geotermálneho kroku je možné urobiť určité predpoklady o teplotných podmienkach hlbokých zón Zeme. Ak vezmeme priemernú hodnotu geotermálneho kroku ako 33 m a predpokladáme, že nárast teploty s hĺbkou nastáva rovnomerne, potom v hĺbke 100 km bude teplota 3000 ° C. Táto teplota presahuje body topenia všetkých látky známe na Zemi, preto by v tejto hĺbke mali byť roztavené hmoty . Ale kvôli obrovskému tlaku 31 000 atm. Prehriate hmoty nemajú vlastnosti kvapalín, ale sú vybavené vlastnosťami pevného telesa.

S hĺbkou sa musí geotermálny krok zjavne výrazne zvýšiť. Ak predpokladáme, že krok sa s hĺbkou nemení, tak teplota v strede Zeme by mala byť okolo 200 000 stupňov a podľa výpočtov nemôže prekročiť 5000 - 10 000 stupňov.

Termín „geotermálna energia“ pochádza z gréckych slov zem (geo) a termálna (tepelná). V skutočnosti, geotermálna energia pochádza zo samotnej Zeme. Teplo zo zemského jadra, ktorého priemerná teplota je 3600 stupňov Celzia, je vyžarované smerom k povrchu planéty.

Ohrev prameňov a gejzírov v podzemí v hĺbke niekoľkých kilometrov je možné realizovať pomocou špeciálnych vrtov, ktorými horúca voda (alebo para z nej) vyteká na povrch, kde sa dá využiť priamo ako teplo alebo nepriamo na výrobu elektriny zapnutím rotačné turbíny.

Keďže voda pod zemským povrchom sa neustále dopĺňa a jadro Zeme bude nekonečne dlho produkovať teplo súvisiace s ľudským životom, geotermálna energia, v v konečnom dôsledku čisté a obnoviteľné.

Metódy zberu energetických zdrojov Zeme

Dnes existujú tri hlavné spôsoby získavania geotermálnej energie: suchá para, horúca voda a binárny cyklus. Proces suchej pary priamo poháňa turbínové pohony generátorov energie. Horúca voda vstupuje zdola nahor, potom sa strieka do nádrže, aby vytvorila paru na pohon turbín. Tieto dve metódy sú najbežnejšie a generujú stovky megawattov elektriny v USA, na Islande, v Európe, Rusku a ďalších krajinách. Ale umiestnenie je obmedzené, pretože tieto rastliny fungujú iba v tektonických oblastiach, kde je ľahší prístup k ohriatej vode.

Pomocou technológie binárneho cyklu je teplá (nie nevyhnutne horúca) voda extrahovaná na povrch a kombinovaná s butánom alebo pentánom, ktorý má nízka teplota vriaci. Táto kvapalina sa čerpá cez výmenník tepla, kde sa vyparuje a vedie cez turbínu a potom sa recirkuluje späť do systému. Technológia binárneho cyklu poskytuje desiatky megawattov elektriny v USA: Kalifornia, Nevada a Havajské ostrovy.

Princíp získavania energie

Nevýhody získavania geotermálnej energie

Na úrovni služieb je výstavba a prevádzka geotermálnych elektrární nákladná. Nájdenie vhodného miesta si vyžaduje nákladné prieskumy vrtov bez záruky zasiahnutia produktívneho podzemného hotspotu. Analytici však očakávajú, že sa táto kapacita v priebehu nasledujúcich šiestich rokov takmer zdvojnásobí.

Okrem toho sa oblasti s vysokou teplotou podzemného zdroja nachádzajú v oblastiach s aktívnymi geologickými a chemickými sopkami. Tieto "horúce miesta" sa vytvorili na hraniciach tektonických platní v miestach, kde je kôra dosť tenká. O Tichomorí sa často hovorí ako o ohnivom kruhu pre mnohé sopky, kde je veľa hotspotov, vrátane tých na Aljaške, Kalifornii a Oregone. Nevada má stovky hotspotov pokrývajúcich väčšinu severu USA.

Existujú ďalšie seizmicky aktívne oblasti. Zemetrasenia a pohyb magmy umožňujú cirkuláciu vody. Na niektorých miestach voda vystupuje na povrch a vznikajú prírodné horúce pramene a gejzíry, ako napríklad na Kamčatke. Voda v gejzíroch Kamčatky dosahuje 95°C.

Jeden z problémov otvorený systém gejzírov je uvoľňovanie niektorých látok znečisťujúcich ovzdušie. Sírovodík - toxický plyn s veľmi rozpoznateľným zápachom "zhnitého vajca" - malé množstvo arzénu a minerálov uvoľnených s parou. Soľ môže tiež predstavovať environmentálny problém.

V pobrežných geotermálnych elektrárňach sa v potrubiach hromadí značné množstvo rušivej soli. V uzavretých systémoch nevznikajú žiadne emisie a všetka kvapalina privedená na povrch sa vracia späť.

Ekonomický potenciál energetického zdroja

Seizmicky aktívne miesta nie sú jedinými miestami, kde možno nájsť geotermálnu energiu. V hĺbkach od 4 metrov do niekoľkých kilometrov pod povrchom prakticky kdekoľvek na zemi je stály prísun využiteľného tepla na účely priameho vykurovania. Dokonca aj pozemok na vlastnú päsť dvorček alebo v miestnej škole má ekonomický potenciál vo forme tepla na zabezpečenie domácnosti alebo iných budov.

Okrem toho je v suchých skalných útvaroch veľmi hlboko pod povrchom (4 - 10 km) obrovské množstvo tepelnej energie.

Použitie Nová technológia by mohla rozšíriť geotermálne systémy, kde ľudia môžu využívať toto teplo na výrobu elektriny v oveľa väčšom rozsahu ako konvenčné technológie. Prvé demonštračné projekty tohto princípu výroby elektriny sa v Spojených štátoch a Austrálii ukazujú už v roku 2013.

Ak sa podarí realizovať plný ekonomický potenciál geotermálnych zdrojov, budú predstavovať obrovský zdroj elektriny pre výrobné kapacity. Vedci predpokladajú, že konvenčné geotermálne zdroje majú potenciál 38 000 MW, čo dokáže vyrobiť 380 miliónov MW elektriny ročne.

Horúce suché horniny sa vyskytujú všade v podzemí v hĺbkach 5 až 8 km a na určitých miestach v menších hĺbkach. Prístup k týmto zdrojom zahŕňa úvod studená voda cirkuluje cez horúce kamene a odvádza ohriatu vodu. V súčasnosti neexistuje žiadna komerčná aplikácia tejto technológie. Existujúce technológie zatiaľ neumožňujú obnovu termálna energia priamo z magmy, veľmi hlboko, ale je to najsilnejší zdroj geotermálnej energie.

Vďaka kombinácii energetických zdrojov a ich konzistentnosti môže geotermálna energia zohrávať nenahraditeľnú úlohu ako čistejší a udržateľnejší energetický systém.

Stavby geotermálnych elektrární

geotermálnej energie je čisté a trvalé teplo zo Zeme. Skvelé zdroje sú v dosahu niekoľkých kilometrov pod zemským povrchom a ešte hlbšie, až vysoká teplota roztavená hornina nazývaná magma. Ale ako je opísané vyššie, ľudia ešte nedosiahli magmu.

Tri návrhy geotermálnych elektrární

Technológia aplikácie je určená zdrojom. Ak voda pochádza zo studne ako para, môže sa použiť priamo. Ak je horúca voda dostatočne vysoká, musí prejsť cez výmenník tepla.

Prvý vrt na výrobu elektriny bol vyvŕtaný pred rokom 1924. Hlbšie vrty boli vyvŕtané v 50. rokoch 20. storočia, no skutočný rozvoj nastáva v 70. a 80. rokoch 20. storočia.

Priame využitie geotermálneho tepla

Geotermálne zdroje je možné využiť aj priamo na vykurovacie účely. Horúca voda sa používa na vykurovanie budov, pestovanie rastlín v skleníkoch, sušenie rýb a plodín, zlepšenie produkcie oleja, pomoc pri priemyselných procesoch, ako sú pasterizátory mlieka, a ohrievanie vody na rybích farmách. V USA, Klamath Falls, Oregon a Boise, Idaho, využívajú geotermálnu vodu na vykurovanie domov a budov už viac ako storočie. Na východnom pobreží, mesto Warm Springs, Virginia získava teplo priamo z pramenitej vody pomocou tepelných zdrojov v jednom z miestnych letovísk.

Na Islande je prakticky každá budova v krajine vykurovaná horúcou pramenitou vodou. V skutočnosti Island získava viac ako 50 percent svojej primárnej energie z geotermálnych zdrojov. Napríklad v Reykjavíku (118 000 obyvateľov) sa horúca voda prepravuje 25 kilometrov po dopravníku a obyvatelia ju využívajú na vykurovanie a prírodné potreby.

Nový Zéland získava 10 % elektriny navyše. je nedostatočne rozvinutá, napriek prítomnosti termálnych vôd.

Táto energia súvisí s alternatívne zdroje. V súčasnosti sa čoraz častejšie spomínajú možnosti získavania zdrojov, ktoré nám planéta dáva. Dá sa povedať, že žijeme v ére módy obnoviteľnej energie. V tejto oblasti vzniká množstvo technických riešení, plánov, teórií.

Je hlboko v útrobách zeme a má vlastnosti obnovy, inými slovami, je nekonečná. Klasické zdroje podľa vedcov začínajú dochádzať, dôjde ropa, uhlie, plyn.

Geotermálna elektráreň Nesjavellir, Island

Preto sa možno postupne pripravovať na prijatie nového alternatívne metódyťažba energie. Pod zemskou kôrou je silné jadro. Jeho teplota sa pohybuje od 3000 do 6000 stupňov. Pohyb litosférických dosiek demonštruje jeho obrovskú silu. Prejavuje sa vo forme sopečného šľahnutia magmy. V hĺbkach dochádza k rádioaktívnemu rozpadu, ktorý niekedy vedie k takýmto prírodným katastrofám.

Magma zvyčajne ohrieva povrch bez toho, aby ho prekročila. Takto sa získavajú gejzíry alebo teplé bazény s vodou. Týmto spôsobom môžu byť fyzikálne procesy použité na správne účely pre ľudstvo.

Druhy zdrojov geotermálnej energie

Zvyčajne sa delí na dva typy: hydrotermálnu a petrotermálnu energiu. Prvý je tvorený teplé pramene, a druhým typom je teplotný rozdiel na povrchu a v hĺbke zeme. Vlastnými slovami povedané, hydrotermálny prameň je tvorený parou a horúcou vodou, zatiaľ čo petrotermálny prameň je ukrytý hlboko pod zemou.

Mapa potenciálu rozvoja geotermálnej energie vo svete

Pre petrotermálnu energiu je potrebné vyvŕtať dve studne, jednu naplniť vodou, po čom dôjde k prudkému stúpaniu, ktoré vypláva na povrch. Existujú tri triedy geotermálnych oblastí:

• Geotermálna - nachádza sa v blízkosti kontinentálnych dosiek. Teplotný gradient nad 80C/km. Ako príklad možno uviesť taliansku obec Larderello. Je tam elektráreň
• Polotepelná - teplota 40 - 80 C / km. Ide o prírodné vodonosné vrstvy pozostávajúce z drvených hornín. Na niektorých miestach vo Francúzsku sú budovy vykurované týmto spôsobom.
• Normálne - stúpanie menej ako 40 C/km. Zastúpenie takýchto oblastí je najčastejšie

Sú výborným zdrojom na konzumáciu. Sú v skale, v určitej hĺbke. Pozrime sa bližšie na klasifikáciu:

• Epitermálna - teplota od 50 do 90 s
• Mezotermálne - 100 - 120 s
• Hypotermálna - viac ako 200 s

Tieto druhy sa skladajú z chemické zloženie. V závislosti od toho môže byť voda použitá na rôzne účely. Napríklad pri výrobe elektriny, zásobovaní teplom (tepelné trasy), surovinovej základni.

Video: Geotermálna energia

Proces dodávky tepla

Teplota vody je 50 - 60 stupňov, čo je optimálne pre vykurovanie a zásobovanie teplou obytnou oblasťou. Potreba vykurovacie systémy závisí od geografickej polohy a klimatických podmienok. A ľudia neustále potrebujú dodávky teplej vody. Pre tento proces sa budujú GTS (geotermálne termálne stanice).

Ak sa na klasickú výrobu tepelnej energie využíva kotolňa, ktorá spotrebúva tuhé alebo plynné palivo, tak sa pri tejto výrobe používa gejzírový zdroj. Technický proces je veľmi jednoduchý, rovnaké komunikácie, tepelné trasy a vybavenie. Stačí vyvŕtať studňu, vyčistiť ju od plynov, potom ju poslať do kotolne s čerpadlami, kde sa bude udržiavať teplotný harmonogram, a potom vstúpi do vykurovacieho potrubia.

Hlavným rozdielom je, že nie je potrebné používať palivový kotol. To výrazne znižuje náklady na tepelnú energiu. V zime odberatelia dostávajú teplo a teplú vodu a v lete iba teplú vodu.

Vytváranie energie

Horúce pramene, gejzíry sú hlavnými komponentmi pri výrobe elektriny. Na tento účel sa používa niekoľko schém, stavajú sa špeciálne elektrárne. Zariadenie GTS:

• zásobník TÚV
• Pumpa
• Odlučovač plynu
• Odlučovač pary
• generátorová turbína
• Kondenzátor
• prečerpávač
• Nádrž - chladič

Ako vidíte, hlavným prvkom okruhu je parný konvertor. To umožňuje získať vyčistenú paru, pretože obsahuje kyseliny, ktoré ničia zariadenie turbíny. V technologickom cykle je možné použiť zmiešanú schému, to znamená, že do procesu je zapojená voda a para. Kvapalina prechádza celým stupňom čistenia od plynov, ako aj pary.

Obvod s binárnym zdrojom

Pracovná zložka je kvapalina s nízkym bodom varu. Termálna voda sa podieľa aj na výrobe elektriny a slúži ako druhotná surovina.

S jeho pomocou sa vytvára nízkovriaca zdrojová para. GTS s takýmto cyklom práce môžu byť plne automatizované a nevyžadujú prítomnosť personálu údržby. Výkonnejšie stanice používajú dvojokruhovú schému. Tento typ elektrárne umožňuje dosiahnuť výkon 10 MW. Štruktúra dvojitého okruhu:

• parný generátor
• Turbína
• Kondenzátor
• Vyhadzovač
• Napájacie čerpadlo
• Ekonomizér
• Výparník

Praktické využitie

Obrovské zásoby zdrojov sú mnohonásobne väčšie ako ročná spotreba energie. Ale len malý zlomok používa ľudstvo. Výstavba staníc sa datuje od roku 1916. V Taliansku vznikol prvý GeoTPP s výkonom 7,5 MW. Priemysel sa aktívne rozvíja v krajinách ako: USA, Island, Japonsko, Filipíny, Taliansko.

Prebieha aktívny prieskum potenciálnych lokalít a pohodlnejšie metódy ťažby. Výrobná kapacita z roka na rok rastie. Ak vezmeme do úvahy ekonomický ukazovateľ, potom sa náklady na takéto odvetvie rovnajú tepelným elektrárňam spaľujúcim uhlie. Island takmer úplne pokrýva komunálny a bytový fond zdrojom GT. 80 % domácností využíva horúca voda zo studní. Odborníci z USA tvrdia, že pri správnom vývoji dokážu GeoTPP vyprodukovať 30-krát viac, ako je ročná spotreba. Ak hovoríme o potenciáli, tak 39 krajín sveta sa bude vedieť plne zabezpečiť elektrinou, ak budú využívať útroby zeme na 100 percent.

ONI. Kapitonov

Jadrové teplo Zeme

Zemské teplo

Zem je pomerne silne vyhrievané teleso a je zdrojom tepla. Zohrieva sa predovšetkým vďaka slnečnému žiareniu, ktoré absorbuje. Ale aj Zem má svoj vlastný tepelný zdroj porovnateľný s teplom prijatým zo Slnka. Predpokladá sa, že táto vlastná energia Zeme má nasledujúci pôvod. Zem vznikla asi pred 4,5 miliardami rokov po vytvorení Slnka z protoplanetárneho plyno-prachového disku, ktorý sa okolo nej otáča a kondenzuje. V ranom štádiu svojho vzniku sa zemská látka zahrievala v dôsledku relatívne pomalého gravitačného stláčania. Dôležitú úlohu v tepelnej bilancii Zeme zohrala aj energia uvoľnená pri páde malých kozmických telies na ňu. Preto bola mladá Zem roztavená. Ochladzovaním sa postupne dostal do súčasného stavu s pevným povrchom, ktorého značnú časť pokrýva oceánska a morské vody. Táto tvrdá vonkajšia vrstva je tzv zemská kôra a v priemere na súši je jeho hrúbka asi 40 km a pod oceánskymi vodami - 5-10 km. Hlbšia vrstva zeme, tzv plášť pozostáva aj z pevnej látky. Rozprestiera sa do hĺbky takmer 3000 km a obsahuje väčšinu hmoty Zeme. Napokon, najvnútornejšia časť Zeme je jej jadro. Skladá sa z dvoch vrstiev – vonkajšej a vnútornej. vonkajšie jadro ide o vrstvu roztaveného železa a niklu pri teplote 4500-6500 K s hrúbkou 2000-2500 km. vnútorné jadro s polomerom 1000-1500 km je pevná zliatina železa a niklu zahriata na teplotu 4000-5000 K s hustotou asi 14 g/cm 3, ktorá vznikla pri obrovskom (takmer 4 milióny barov) tlaku.
Okrem vnútorného tepla Zeme, ktoré je zdedené od najskoršieho horúceho štádia jej vzniku a ktorého množstvo by sa malo časom znižovať, existuje ešte jedno - dlhodobé, spojené s rádioaktívnym rozpadom jadier s dlhou polovicou. -život - predovšetkým 232 Th, 235 U , 238 U a 40 K. Energia uvoľnená pri týchto rozpadoch - tvoria takmer 99% pozemskej rádioaktívnej energie - sa neustále dopĺňa tepelné rezervy Zem. Vyššie uvedené jadrá sú obsiahnuté v kôre a plášti. Ich rozpad vedie k zahrievaniu vonkajšej aj vnútornej vrstvy Zeme.
Časť obrovského tepla obsiahnutého vo vnútri Zeme neustále vychádza na jej povrch, často vo veľmi rozsiahlych vulkanických procesoch. Tepelný tok prúdiaci z hlbín Zeme cez jej povrch je známy. Je to (47±2)·10 12 wattov, čo zodpovedá teplu, ktoré dokáže vyrobiť 50 tisíc jadrových elektrární (priemerný výkon jednej jadrovej elektrárne je asi 10 9 wattov). Vynára sa otázka, či rádioaktívna energia zohráva významnú úlohu v celkovom tepelnom rozpočte Zeme, a ak áno, akú úlohu? Odpoveď na tieto otázky na dlhú dobu zostal neznámy. Teraz sú príležitosti na zodpovedanie týchto otázok. Kľúčovú úlohu tu majú neutrína (antineutrína), ktoré sa rodia v procesoch rádioaktívneho rozpadu jadier tvoriacich hmotu Zeme a ktoré sú tzv. geo-neutrína.

Geo-neutrino

Geo-neutrino je kombinovaný názov pre neutrína alebo antineutrína, ktoré sú emitované v dôsledku beta rozpadu jadier nachádzajúcich sa pod zemským povrchom. Je zrejmé, že vďaka bezprecedentnej penetračnej schopnosti môže registrácia týchto (a iba ich) pozemnými neutrínovými detektormi poskytnúť objektívne informácie o procesoch rádioaktívneho rozpadu, ktoré sa vyskytujú hlboko vo vnútri Zeme. Príkladom takéhoto rozpadu je β - rozpad jadra 228 Ra, ktorý je produktom rozpadu α ​​dlhotrvajúceho jadra 232 Th (pozri tabuľku):

Polčas rozpadu (T 1/2) jadra 228 Ra je 5,75 roka a uvoľnená energia je približne 46 keV. Energetické spektrum antineutrín je spojité s hornou hranicou blízko uvoľnenej energie.
Rozpady jadier 232 Th, 235 U, 238 U sú reťazce po sebe nasledujúcich rozpadov, ktoré tvoria tzv. rádioaktívne série. V takýchto reťazcoch sa α-rozpady prelínajú s β − -rozpadmi, pretože pri α-rozpadoch sú konečné jadrá posunuté z β-čiary stability do oblasti jadier preťažených neutrónmi. Po reťazci postupných rozpadov na konci každého radu sa vytvoria stabilné jadrá s počtom protónov a neutrónov blízkym alebo rovným magickým číslam (Z = 82,N= 126). Takéto konečné jadrá sú stabilné izotopy olova alebo bizmutu. Rozpad T 1/2 sa teda končí vytvorením dvojnásobne magického jadra 208 Pb a na dráhe 232 Th → 208 Pb vzniká šesť α-rozpadov, ktoré sa striedajú so štyrmi β - rozpadmi (v reťazci 238 U → 206 Pb, osem α- a šesť β - - rozpadov, v reťazci 235 U → 207 Pb je sedem α- a štyri β - rozpady). Energetické spektrum antineutrín z každej rádioaktívnej série je teda superpozíciou parciálnych spektier z jednotlivých β − rozpadov, ktoré tvoria túto sériu. Spektrá antineutrín produkovaných pri 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K rozpadoch sú znázornené na obr. 1. 40 K rozpad je jediný β − rozpad (pozri tabuľku). Antineutrína dosahujú svoju najvyššiu energiu (až 3,26 MeV) pri rozpade
214 Bi → 214 Po, čo je článok v rádioaktívnom rade 238 U. Celková energia uvoľnená pri prechode všetkých rozpadových článkov v rade 232 Th → 208 Pb je 42,65 MeV. Pre rádioaktívny rad 235 U a 238 U sú tieto energie 46,39 a 51,69 MeV. Energia uvoľnená pri rozklade
40 K → 40 Ca je 1,31 MeV.

Charakteristika jadier 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K

Nucleus	Zdielať v % v zmesi izotopy	Počet jadier sa týka. Si jadrá	T 1/2 miliardy rokov	Prvé odkazy kaz
232	100	0.0335	14.0
235 U	0.7204	6,48 10-5	0.704
238 U	99.2742	0.00893	4.47
40 tis	0.0117	0.440	1.25

Odhad toku geo-neutrín, urobený na základe rozpadu jadier 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K obsiahnutých v zložení hmoty Zeme, vedie k hodnote rádovo 10 6 cm. -2 s -1. Registráciou týchto geoneutrín možno získať informácie o úlohe rádioaktívneho tepla v celkovej tepelnej bilancii Zeme a otestovať naše predstavy o obsahu dlhožijúcich rádioizotopov v zemskej hmote.

Ryža. 1. Energetické spektrá antineutrín z jadrového rozpadu

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K normalizované na jeden rozpad materského jadra

Reakcia sa používa na registráciu elektrónových antineutrín

P → e + + n, (1)

v ktorej bola táto častica skutočne objavená. Prahová hodnota pre túto reakciu je 1,8 MeV. Preto je možné vo vyššie uvedenej reakcii zaregistrovať iba geoneutrína vytvorené v rozpadových reťazcoch počínajúc jadrami 232 Th a 238 U. Efektívny prierez diskutovanej reakcie je extrémne malý: σ ≈ 10-43 cm2. Z toho vyplýva, že neutrínový detektor s citlivým objemom 1 m 3 zaregistruje maximálne niekoľko udalostí ročne. Je zrejmé, že pre spoľahlivú fixáciu tokov geo-neutrín sú potrebné veľkoobjemové detektory neutrín, umiestnené v podzemných laboratóriách pre maximálnu ochranu pred pozadím. Myšlienka použiť detektory určené na štúdium slnečných a reaktorových neutrín na registráciu geoneutrín vznikla v roku 1998. V súčasnosti existujú dva veľkoobjemové neutrínové detektory využívajúce kvapalinový scintilátor a vhodné na riešenie problému. Ide o neutrínové detektory experimentov KamLAND (Japonsko, ) a Borexino (Taliansko, ). Nižšie uvažujeme o zariadení detektora Borexino a výsledkoch získaných na tomto detektore o registrácii geoneutrín.

Borexino detektor a registrácia geo-neutrín

Detektor neutrín Borexino sa nachádza v strednom Taliansku v podzemnom laboratóriu pod pohorím Gran Sasso, ktorého horské vrcholy dosahujú 2,9 km (obr. 2).

Ryža. Obr. 2. Schéma umiestnenia neutrínového laboratória pod pohorím Gran Sasso (stredné Taliansko) Obr.

Borexino je nesegmentový masívny detektor, ktorého aktívnym médiom je
280 ton organického kvapalného scintilátora. Vypĺňalo nylonovú guľovú nádobu s priemerom 8,5 m (obr. 3). Scintilátorom bol pseudokumén (C9H12) s prísadou PPO (1,5 g/l) s posunom spektra. Svetlo zo scintilátora zbiera 2212 osempalcových fotonásobičov (PMT) umiestnených na guľôčke z nehrdzavejúcej ocele (SSS).

Ryža. 3. Schéma zariadenia detektora Borexino

Nylonová nádoba s pseudokuménom je vnútorný detektor, ktorého úlohou je registrovať neutrína (antineutrína). Vnútorný detektor je obklopený dvoma sústrednými nárazníkovými zónami, ktoré ho chránia pred vonkajším gama žiarením a neutrónmi. Vnútorná zóna je naplnená nescintilačným médiom pozostávajúcim z 900 ton pseudokuménu s dimetylftalátovými prísadami na utlmenie scintilácií. Vonkajšia zóna je umiestnená na vrchu SNS a je ňou vodný Čerenkov detektor obsahujúci 2000 ton ultračistej vody a odstraňujúci signály od miónov vstupujúcich do zariadenia zvonku. Pre každú interakciu vyskytujúcu sa vo vnútornom detektore sa určuje energia a čas. Kalibrácia detektora pomocou rôznych rádioaktívnych zdrojov umožnila veľmi presne určiť jeho energetickú škálu a mieru reprodukovateľnosti svetelného signálu.
Borexino je detektor s veľmi vysokou čistotou žiarenia. Všetky materiály boli dôsledne vybrané a scintilátor bol vyčistený, aby sa minimalizovalo vnútorné pozadie. Vďaka vysokej čistote žiarenia je Borexino vynikajúcim detektorom na detekciu antineutrín.
V reakcii (1) dáva pozitrón okamžitý signál, po ktorom po určitom čase nasleduje zachytenie neutrónu vodíkovým jadrom, čo vedie k objaveniu sa γ-kvanta s energiou 2,22 MeV, ktoré vytvorí signál oneskorený v porovnaní s prvým. V Borexine je čas záchytu neutrónov asi 260 μs. Okamžité a oneskorené signály sú korelované v priestore a čase, čo poskytuje presné rozpoznanie udalosti spôsobenej napr.
Prahová hodnota pre reakciu (1) je 1,806 MeV a ako je možné vidieť na obr. 1, všetky geoneutrína z rozpadov 40 K a 235 U sú pod touto hranicou a je možné detegovať len časť geoneutrín, ktoré vznikli pri rozpadoch 232 Th a 238 U.
Detektor Borexino prvýkrát zachytil signály z geo-neutrín v roku 2010 a nedávno zverejnil nové výsledky na základe pozorovaní počas 2056 dní od decembra 2007 do marca 2015. Nižšie uvádzame získané údaje a výsledky ich diskusie na základe článku.
Ako výsledok analýzy experimentálnych údajov bolo identifikovaných 77 kandidátov na elektrónové antineutrína, ktorí splnili všetky výberové kritériá. Pozadie z udalostí simulujúcich e bolo odhadnuté pomocou . Pomer signál/pozadie bol teda ≈100.
Hlavným zdrojom pozadia boli reaktorové antineutrína. Pre Borexino bola situácia celkom priaznivá, keďže v blízkosti laboratória Gran Sasso nie sú žiadne jadrové reaktory. Navyše, reaktorové antineutrína sú energickejšie ako geo-neutrína, čo umožnilo oddeliť tieto antineutrína od pozitrónu silou signálu. Výsledky analýzy príspevkov geoneutrín a reaktorových antineutrín k celkovému počtu zaznamenaných udalostí z e sú znázornené na obr. 4. Počet zaregistrovaných geoneutrín daný touto analýzou (na obr. 4 im zodpovedá vytieňovaná plocha) sa rovná . V spektre geoneutrín extrahovaných ako výsledok analýzy sú viditeľné dve skupiny – menej energická, intenzívnejšia a energickejšia, menej intenzívna. Autori opísanej štúdie spájajú tieto skupiny s rozpadmi tória a uránu.
V diskutovanej analýze sme použili pomer hmotností tória a uránu v hmote Zeme
m(Th)/m(U) = 3,9 (v tabuľke je táto hodnota ≈3,8). Toto číslo odráža relatívny obsah týchto chemických prvkov v chondritoch - najbežnejšej skupine meteoritov (viac ako 90% meteoritov, ktoré spadli na Zem, patrí do tejto skupiny). Predpokladá sa, že zloženie chondritov, s výnimkou ľahkých plynov (vodík a hélium), opakuje zloženie slnečnej sústavy a protoplanetárneho disku, z ktorého bola vytvorená Zem.

Ryža. Obr. 4. Spektrum svetelného výstupu z pozitrónov v jednotkách počtu fotoelektrónov pre antineutrínové kandidátske udalosti (experimentálne body). Tieňovaná oblasť je príspevkom geo-neutrín. Plná čiara predstavuje príspevok reaktorových antineutrín.

2. Tepelný režim Zeme

Zem je chladné vesmírne teleso. Povrchová teplota závisí najmä od tepla dodávaného zvonku. 95% tepla hornej vrstvy Zeme je externé (slnečné) teplo a len 5 % tepla interné , ktorý pochádza z útrob Zeme a zahŕňa viacero zdrojov energie. V útrobách Zeme sa teplota zvyšuje s hĺbkou od 1300 o C (v hornom plášti) po 3700 o C (v strede jadra).

vonkajšie teplo. Teplo prichádza na povrch Zeme najmä zo Slnka. Každý štvorcový centimeter povrchu dostane asi 2 kalórie tepla do jednej minúty. Táto hodnota sa nazýva slnečná konštanta a určuje celkové množstvo tepla prichádzajúceho na Zem zo Slnka. Za rok to predstavuje 2,26 10 21 kalórií. Hĺbka prieniku slnečného tepla do útrob Zeme závisí najmä od množstva tepla, ktoré dopadá na jednotku plochy, a od tepelnej vodivosti hornín. Maximálna hĺbka, do ktorej preniká vonkajšie teplo, je 200 m v oceánoch a asi 40 m na súši.

vnútorné teplo. S hĺbkou dochádza k zvýšeniu teploty, ktorá sa na rôznych územiach vyskytuje veľmi nerovnomerne. Zvýšenie teploty sa riadi adiabatickým zákonom a závisí od stlačenia látky pod tlakom, keď výmena tepla s okolím nie je možná.

Hlavné zdroje tepla vo vnútri Zeme:

Teplo uvoľnené pri rádioaktívnom rozpade prvkov.

Zvyškové teplo, ktoré zostalo pri formovaní Zeme.

Gravitačné teplo uvoľnené počas stláčania Zeme a rozloženia hustoty hmoty.

Teplo generované chemickými reakciami prebiehajúcimi v hlbinách zemskej kôry.

Teplo uvoľnené slapovým trením Zeme.

Existujú 3 teplotné zóny:

ja- zóna s premenlivou teplotou . Zmena teploty je určená klímou oblasti. Denné výkyvy prakticky vymiznú v hĺbke asi 1,5 m a ročné výkyvy v hĺbkach 20 ... 30 m Ia - mraziaca zóna.

II - zóna konštantnej teploty nachádza sa v hĺbkach 15…40 m, v závislosti od regiónu.

III - horúcu zónu .

Teplotný režim hornín v útrobách zemskej kôry sa zvyčajne vyjadruje geotermálnym gradientom a geotermálnym krokom.

Množstvo nárastu teploty na každých 100 m hĺbky sa nazýva geotermálny gradient. V Afrike na poli Witwatersrand je 1,5 °С, v Japonsku (Echigo) - 2,9 °С, v južnej Austrálii - 10,9 °С, v Kazachstane (Samarinda) - 6,3 °С, na polostrove Kola - 0,65 °С .

Ryža. 3. Teplotné zóny v zemskej kôre: I - zóna premenlivých teplôt, Ia - zóna mrazu; II - zóna konštantných teplôt; III - zóna zvýšenia teploty.

Hĺbka, v ktorej teplota stúpne o 1 stupeň, sa nazýva geotermálny krok.Číselné hodnoty geotermálneho kroku nie sú konštantné nielen v rôznych zemepisných šírkach, ale ani v rôznych hĺbkach toho istého bodu v regióne. Hodnota geotermálneho kroku sa pohybuje od 1,5 do 250 m V Archangeľsku je to 10 m, v Moskve - 38,4 m av Pyatigorsku - 1,5 m.Teoreticky je priemerná hodnota tohto kroku 33 m.

Vo studni navŕtanej v Moskve do hĺbky 1 630 m bola teplota dna 41 °C a v bani navŕtanej v Donbase do hĺbky 1 545 m bola teplota 56,3 °C. Najvyššia teplota bola zaznamenaná v USA vo vrte s hĺbkou 7136 m, kde je rovných 224 °C. Nárast teploty s hĺbkou treba brať do úvahy pri navrhovaní hlbokých konštrukcií.Podľa výpočtov by v hĺbke 400 km mala teplota dosahovať 1400...1700 °C. Najvyššie teploty (okolo 5000 °C) boli získané pre zemské jadro.