В.С. Захаров, В.Б. Смирнов - Физика Земли (1119252), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Данные по тепловылеленню урана Ь и калия К представлены в табл, 1, ! и 6.3. Для Тп период полурас- пала — 13.9 млрдлет, теплогенерация — 2,7 10 ~ Вт/кг. Полная теплогенерация за всю историю Земли составляет Е„=) И;»"й=)Н",т - 1,3 10пДж. о Согласно уравнению (6.9), эта энергия могла бы разогреть Землю до температуры ЛТ= 1700'С, Некоторые исследователи полагают (напрнмер, Болт, !984), что необхолимо также учитывать вклад короткожнвущих радиоактивных элементов, который может быть достаточно значимым и лавать дополнительный разогрев на несколько сотен градусов.
Данные по периоду полураспада некоторых короткоживущих элементов приведены в табл. 6.5. Описанный метод ралногенного тепла является оценочным. Вопрос о том, насколько обоснованно можно считать, что современные метеориты, возникшие в поясе между Марсом и Юпитером и прошедшие долгий и сложный путь развития, правильно отражают содержание радиоактивных элементов в оболочках Земли, остается 202 габлояо 6.5 Период полураспада некоторык короткомиаущик элементов до конца не решенным, однако большинство исследователей придерживаются этой точки зрения. Таким образом, вклад радиоактивных превращений в энергетику Земли весьма существенен и, возможно, имеет доминирующее значение. Однако существуют оценки (например, Сорохтин, Уников, 2002~, согласно которым радиогенный источник имеет значительно меньшее значение в энергетике Земли Е„= 0,43 10~~ Дж.
б.4.3, Гравитационная энергия Гравитационная энергия Š— потенциальная энергия притяжения элементов (элемензарнйх масс) среды. Она равна (г Е = — ~брсВ', т 2~, где б — гравитационный потенциал; р — плотность. За ноль принята энерпщ точек, удаленных на бесконечность. Для однородной сферы радиуса И и массы М гравитационный , ( з г потенцнал на расстоянии г от центра: би2кбр Я~а. — — ~, а лля энергии получаем Ее и — б — — = 2,25.!0 Дж. 3 М 32 5 Нв Однако не вся эта энергия идет на разогрев, При формировании Земли из протопланетного газополевого облака, примерно 20% этой энергии переходит в потенциальную энергию упругого сжатия Земли. Оставшейся энергии хватило бы, чтобы разогреть Землю на ЛТ- - 30 000'С и яспарить ее.
Однако эта энергия вылеляется не мгновенно, а в течение времени формирования Земли - 100 млн лет. Кроме того. выделившаяся энергия в значительной мере уносится тепловым юлученнем с ее поверхности в процессе сжатия. 203 Остальная энергия определяется нагревом Земли при падении на нее образовавших ее частиц и разогревом вещества планеты при адиабатическом сжатии в процессе аккреции. В рамках космогонической гилотезы О,Ю. Шлгидлта нагрев за счет энергии падающих мелких частиц составляет Е - 0,3. 10з' Дж, что дает, согласно (б.9), разогрев на АТ- 400"С. Вклад адиабатнческого разогрева оценивается величиной Е-0,7 1бз' Дж, чтодает разогрев на /зТ- 900'С. По йплязвву (Витязев и др., 1990) „в моделях необходимо учитывать соуларения частиц различных размеров, что позволяет оценить добавочный разотрев в Е - 076-10з' Дж, что ссютветствует ЬТ - 1000С, Альтернативой добавочному разогреву ло Витязеву может быть упоминавшийся выше учет вклада короткоживущих радиоактивных элементов.
Заметим, что полученные оценки принципиально зависят от используемой космогонической концепции образования Земли. 6.4.4. Внергня днфференцнецнн пп плотности Земля Сразу после образования Землю можно считать однородной. Затем в результате плотностной дифференциации, самым значимым событием которой являлось образование ядра, Земля приходит в состояние с меньшей потенциальной энергией. Выделяющаяся при этом энергия Ег определяется как разность энергии начального (О) и конечного (1) состояний е -(--)н ршГ) — ( — )н'р~Г ' - 2 10 д, з1 2 7 ~ 2 где И' — потенциал силы тяжести.
Эта энергия могла бы разогреть Землю на температуру АТ вЂ” 2700 С. Однако если Земля прошла через жидкую стадию, то это тепло в значительной степени было бы вынесено конвекцией. Однако если ядро Земли не металлическое, а силикатное, образовавшееся в результате фазового перехода (гивогавза Рамсвя — Лодочиикова), то вся энергия Ег ушла бы на образование жидкой силикатной фазы. Таким образом, вклад этого фактора в фактический разогрев Земли до снх пор не определен. 6.4.5.
Энергня прнлнвиеге трения Энергия приливного взаимодействия Е, черпается из энергии вращения Земан, которое в результате этого замедляется. Оценки лают дЕ,/дг - 1,б. 10 Дж/год. Эта энергия расходуется на разогрев Земли (вязкая диссипация в недрах), на увеличение энергии обращения Луны (примерно 1/28 часть с(Е/с(г), часть ее рассеивается в морях и океанах. Какая поля энергии рассеивается океаническими приливами (и, следовательно, не дает вклада в тепло Земли) строго оценить трудно. Обычно считается, что примерно 1/3. Таким образом, в тепло переходит порядка 1Ои Дж/год, что обеспечивает тепловой поток д — 0,2 етп, что составляет !4% современного теплового потока.
В прошлом, когда Луна была гораздо ближе к Земле, вклад этого источника был значительно выше. Современные оценки дают следуюшие значения для энергии приливных деформаций Е, - 0,3 !Оз' Дж. Отметим, что если приливная диссипация сосредоточена в относительно узком слое с пониженной вязкостью (например, в астеносфере), то температура этого слоя может значительно увеличиться за счет приливной энергии, Это может привести к дальнейшему понижениюю вязкости слоя. б.4.6. Энергия землетрясений Энергия землетрясений Е является вторичной: она черпается из энергии тектонических процессов, которые, в свою очередь, обусловлены глобальной тепловой энергетикой Земли.
Вклад этого вила энергии в обший энергетический баланс Земли незначительный. Современные оценки дают интенсивность выделения сейсмической энергии г(Е, 4с(! — 10н-10и Дж/год. Каким он был в геологическом процшом, определить сейчас трудно. б.4.7. Общий баланс энергии Подведем итог полученным оценкам различных источников тепловой энергии (табл. б.б).
Для наглядности будем выражать энергию в величине нагрева, те, в градусах. Из таблицы видно, что вклады гравитационной и радиогенной энергии в глобальный баланс при- Таблица б.б Оценка общего баланса энергии 205 мерно сопоставимы, однако точное соотношение в настоящее время оценить трудно. Полученная итоговая температура примерно соответствует температуре Земли, усредненной по глубине. В настоящее время на долю теплового потока приходится 97,3% потерь энергии Земли.
Около 2% тратится на поддержание яработыь геомагнитного динамо в ядре (см. гл. 7)„современный вулканизм дает около 0,7%. Отметим также, что в ходе глобальной эволюции Земли вклад указанных источников менялся. Некоторые исследователи, например, Сораязпип, Утакоа (Сорохтин, Ушаков, 2002) полагают, что в глобальной энергетике большую роль играло взаимодействие Земля — Луна.
б.Б. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ 6.5,1. Образование Солнечной системы и Земли Исторически существовали две основные гипотезы происхозкдения Зсэии, которые предполагают ее различную тепловую исюрню (Магницкий, 200б). Это так называемые гипотезы горячею и холодного происхождения: Аанта — Лапласа о происхождении Земли из сжимающегося сгустка разогретой газообразной материи (конец ХУ)П в.); ° Мулыпоно — Чемберлена об образовании планет путем застывания вещества, выброшенного Солнцем в виде огромных протуберанцев (конец Х1Х в.); ° Дзкинса об образовании планет из вещества, вырванною нз Солнца притяжением пролетевшей поблизости звезды (1920— 1930 и.); 0.Ю. Шмидта об аккумуляции планет из роя холодных тел и частиц, захваченного Солнцем (1943).
В настоящее время существуют факты, касающиеся глобальной динамики Солнечной системы, которые необходимо учитывать в теориях ее образования и эволюции: все планеты движутся по эллиптическим орбитам в одном направлении; ° орбиты всех планет (кроме Плутона) лежат в единой плоскости (различие не превышает 6 ); ° Солнце вращается в направлении движения планет по орбитам, а ось его вращения перпендикулярна плоскости орбит Кратко.
сооремгниая концепция образования Солнечной системы состоит в следующем: Солнечная система возникла — 4,7 млрд лет назад как результат аккреции (прироста, срастания) твердых частиц холодного газо- пылевою протопланетного облака (так называемая небуяярная гипотеза); строительный материал для твердых планет (элементы тяжелее железа) образовался в результате взрыва сверхновых звезл; планеты и Солнце сформировались в едином процессе„который вкчкэчает () ) формирование аккреционного лиска: (2) гравитационное сжатие, разогрев, расплавление (возможно, частичное) „(3) сохранение углового момента. Современная оценка времени формирования Земли составляет порялка )00 млн лет (аоод ег а!., 200б), Важно отмшить, что эта концепция согласуется с современными данными.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
