Žemės šiluma. geotermine energija

Nuo seniausių laikų žmonės žinojo apie gelmėse slypinčios milžiniškos energijos elementarius apraiškas pasaulis. Žmonijos atmintyje saugomos legendos apie katastrofiškus ugnikalnių išsiveržimus, nusinešusius milijonus žmonių gyvybių, neatpažįstamai pakeitusius daugelio Žemės vietų išvaizdą. Net palyginti nedidelio ugnikalnio išsiveržimo galia yra kolosali, ji daug kartų viršija didžiausių žmogaus rankomis sukurtų elektrinių galią. Tiesa, apie tiesioginį ugnikalnių išsiveržimų energijos panaudojimą kalbėti neverta: žmonės kol kas neturi galimybių pažaboti šios nepaklusnios stichijos, o, laimei, šie išsiveržimai yra gana reti įvykiai. Tačiau tai yra žemės gelmėse slypinčios energijos apraiškos, kai tik mažytė šios neišsenkančios energijos dalelė randa išeitį pro ugnimi alsuojančias ugnikalnių angas.

Mažas Europos šalis Islandija („ledo šalis“ pažodiniu vertimu) visiškai apsirūpina pomidorais, obuoliais ir net bananais! Daugybė Islandijos šiltnamių yra varomi žemės šilumos, kitų vietinių energijos šaltinių Islandijoje praktiškai nėra. Tačiau ši šalis yra labai turtinga karštosios versmės ir garsieji geizeriai – karšto vandens fontanai, chronometro tikslumu ištrūkęs nuo žemės. Ir nors islandai neturi pirmenybės naudoti požeminių šaltinių šilumą (net senovės romėnai vandenį iš po žemių nešdavo į garsiąsias pirtis – Karakalos pirtis), šios nedidelės šiaurės šalies gyventojai labai intensyviai eksploatuoti požeminę katilinę. Sostinė Reikjavikas, kur gyvena pusė šalies gyventojų, šildoma tik požeminiais šaltiniais. Reikjavikas yra idealus atspirties taškas tyrinėjant Islandiją: iš čia galėsite leistis į pačias įdomiausias ir įvairiausias ekskursijas į bet kurį šios unikalios šalies kampelį: geizeriai, ugnikalniai, kriokliai, riolito kalnai, fiordai... Visur Reikjavike jausitės GRYNAI ENERGIJA - iš požemių trykštančių geizerių šiluminė energija, idealiai žalio miesto tyrumo ir erdvės energija, linksmo ir padegamo energija naktinis gyvenimas Reikjavikas ištisus metus.

Tačiau ne tik šildymui žmonės semiasi energijos iš žemės gelmių. Elektrinės, naudojančios karštąsias požemines versmes, veikė jau seniai. Pirmoji tokia, vis dar labai mažos galios, elektrinė buvo pastatyta 1904 m. nedideliame Italijos miestelyje Larderello, pavadintame prancūzų inžinieriaus Larderelli vardu, kuris dar 1827 m. parengė daugelio karštųjų versmių naudojimo šioje vietovėje projektą. Palaipsniui augo jėgainės galia, pradėjo veikti vis nauji blokai, buvo naudojami nauji karšto vandens šaltiniai, o šiandien stoties galia jau pasiekė įspūdingą vertę – 360 tūkstančių kilovatų. Naujojoje Zelandijoje tokia elektrinė yra Vairakėjaus regione, jos galia – 160 000 kilovatų. 500 000 kilovatų galios geoterminė elektrinė gamina elektrą 120 km nuo San Francisko JAV.

geotermine energija

Nuo seniausių laikų žmonės žinojo apie spontaniškas gigantiškos energijos apraiškas, slypinčias žemės rutulio viduriuose. Žmonijos atmintyje saugomos legendos apie katastrofiškus ugnikalnių išsiveržimus, nusinešusius milijonus žmonių gyvybių, neatpažįstamai pakeitusius daugelio Žemės vietų išvaizdą. Net palyginti nedidelio ugnikalnio išsiveržimo galia yra kolosali, ji daug kartų viršija didžiausių žmogaus rankomis sukurtų elektrinių galią. Tiesa, apie tiesioginį ugnikalnių išsiveržimų energijos panaudojimą kalbėti neverta – kol kas žmonės neturi galimybių pažaboti šios nepaklusnios stichijos, ir, laimei, šie išsiveržimai yra gana reti įvykiai. Tačiau tai yra žemės gelmėse slypinčios energijos apraiškos, kai tik mažytė šios neišsenkančios energijos dalelė randa išeitį pro ugnimi alsuojančias ugnikalnių angas.

Geizeris yra karštas pavasaris, kuris tarsi fontanas išsiveržia savo vandenį į taisyklingą ar netaisyklingą aukštį. Pavadinimas kilęs iš islandų kalbos žodžio „pila“. Geizerių atsiradimui reikalinga tam tikra palanki aplinka, kuri sukuriama tik keliose žemės vietose, o tai lemia gana retą jų buvimą. Beveik 50% geizerių yra čia Nacionalinis parkas Jeloustounas (JAV). Geizerio veikla gali sustoti dėl vidurių pokyčių, žemės drebėjimų ir kitų veiksnių. Geizerio veikimą sukelia vandens kontaktas su magma, po kurio vanduo greitai įšyla ir, veikiamas geoterminės energijos, su jėga išmetamas aukštyn. Po išsiveržimo vanduo geizeryje pamažu atvėsta, grįžta į magmą ir vėl trykšta. Įvairių geizerių išsiveržimų dažnis svyruoja nuo kelių minučių iki kelių valandų. Didelės energijos poreikis geizerio veikimui - Pagrindinė priežastis jų retumas. Vulkaninėse vietovėse gali būti karštųjų versmių, purvo ugnikalnių, fumarolių, tačiau yra labai mažai vietų, kur randami geizeriai. Faktas yra tas, kad net jei ugnikalnio veiklos vietoje susiformuotų geizeris, vėlesni išsiveržimai sunaikins žemės paviršių ir pakeis jo būseną, o tai lems geizerio išnykimą.

Žemės energija (geoterminė energija) pagrįsta natūralios Žemės šilumos panaudojimu. Žemės viduriai yra kupini milžiniško, beveik neišsenkančio energijos šaltinio. Kasmetinė vidinės šilumos spinduliuotė mūsų planetoje yra 2,8 * 1014 milijardo kWh. Jį nuolat kompensuoja kai kurių izotopų radioaktyvusis skilimas žemės plutoje.

Geoterminės energijos šaltiniai gali būti dviejų tipų. Pirmoji rūšis yra požeminiai natūralių šilumnešių baseinai – karšto vandens (hidroterminių šaltinių), arba garo (garo terminės versmės), arba garo ir vandens mišinio. Iš esmės tai yra tiesiogiai paruošti naudoti „požeminiai katilai“, iš kurių įprastais gręžiniais galima išgauti vandenį ar garą. Antrasis tipas yra karštų uolienų karštis. Pumpuojant vandenį į tokius horizontus, galima gauti ir garų arba perkaitinto vandens, kad būtų galima toliau naudoti energetiniais tikslais.

Tačiau abiem naudojimo atvejais pagrindinis trūkumas, ko gero, yra labai maža geoterminės energijos koncentracija. Tačiau ypatingų geoterminių anomalijų susidarymo vietose, kur karštosios versmės ar uolos yra gana arti paviršiaus ir kur temperatūra kas 100 m pakyla 30-40 °C, geoterminės energijos koncentracijos gali sudaryti sąlygas ją ekonomiškai naudoti. Priklausomai nuo vandens, garo ar garo-vandens mišinio temperatūros, geoterminiai šaltiniai skirstomi į žemos ir vidutinės temperatūros (su temperatūra iki 130 - 150 °C) ir aukštos temperatūros (virš 150 °C). Jų naudojimo pobūdis labai priklauso nuo temperatūros.

Galima teigti, kad geoterminė energija turi keturias naudingas savybes.

Pirma, jo atsargos praktiškai neišsenkančios. Remiantis 70-ųjų pabaigos skaičiavimais, iki 10 km gylio jų vertė yra 3,5 tūkstančio kartų didesnė nei tradicinių mineralinio kuro rūšių atsargos.

Antra, geoterminė energija yra gana plačiai paplitusi. Jo koncentracija daugiausia siejama su aktyvaus seisminio ir vulkaninio aktyvumo juostomis, kurios užima 1/10 Žemės ploto. Šiose juostose galima išskirti keletą perspektyviausių „geoterminių regionų“, kurių pavyzdžiai yra Kalifornija JAV, Naujoji Zelandija, Japonija, Islandija, Kamčiatka ir Šiaurės Kaukazas Rusijoje. Tik buvusioje SSRS iki 90-ųjų pradžios buvo atidaryta apie 50 požeminių karšto vandens ir garų baseinų.

Trečia, geoterminės energijos naudojimas nereikalauja didelių išlaidų, nes. šiuo atveju kalbame apie jau „paruoštus naudoti“, pačios gamtos sukurtus energijos šaltinius.

Galiausiai, ketvirta, geoterminė energija yra visiškai nekenksminga aplinkai ir neteršia aplinkos.

Žmogus jau seniai naudoja vidinės Žemės šilumos energiją (prisiminkime garsiąsias romėnų pirtis), tačiau komercinis jos naudojimas pradėtas tik mūsų amžiaus 20-aisiais, pastačius pirmąsias geoelektrines Italijoje, o vėliau. kitose šalyse. Iki devintojo dešimtmečio pradžios pasaulyje veikė apie 20 tokių stočių, kurių bendra galia siekė 1,5 mln. kW. Didžiausia iš jų – „Geizerių“ stotis JAV (500 tūkst. kW).

Geoterminė energija naudojama elektrai gaminti, namams, šiltnamiams šildyti ir kt. Kaip šilumos nešiklis naudojami sausi garai, perkaitintas vanduo arba bet koks žemos virimo temperatūros šilumnešis (amoniakas, freonas ir kt.).

Terminas „geoterminė energija“ kilęs iš graikų kalbos žodžių žemė (geo) ir šiluminė (šiluma). Faktiškai, geoterminė energija ateina iš pačios žemės. Šiluma iš Žemės šerdies, kurios vidutinė temperatūra yra 3600 laipsnių Celsijaus, yra išspinduliuojama link planetos paviršiaus.

Šaltinių ir geizerių šildymas po žeme kelių kilometrų gylyje gali būti atliekamas naudojant specialius šulinius, pro kuriuos patenka vanduo. karštas vanduo(arba iš jo garai) į paviršių, kur jis gali būti naudojamas tiesiogiai kaip šiluma arba netiesiogiai elektros energijai gaminti, įjungiant besisukančias turbinas.

Kadangi vanduo po žemės paviršiumi nuolat pasipildo, o žemės šerdis ir toliau gamins šilumą, palyginti su žmogaus gyvybe, ilgainiui geoterminė energija švarus ir atsinaujinantis.

Žemės energijos išteklių rinkimo metodai

Šiandien yra trys pagrindiniai geoterminės energijos surinkimo būdai: sausas garas, karštas vanduo ir dvejetainis ciklas. Sauso garo procesas tiesiogiai varo elektros generatorių turbinines pavaras. Karštas vanduo patenka iš apačios į viršų, tada purškiamas į baką, kad susidarytų garai, skirti varyti turbinas. Šie du būdai yra labiausiai paplitę, generuojant šimtus megavatų elektros energijos JAV, Islandijoje, Europoje, Rusijoje ir kitose šalyse. Tačiau vieta yra ribota, nes šios gamyklos veikia tik tektoniniuose regionuose, kur lengviau pasiekti šildomą vandenį.

Taikant dvejetainio ciklo technologiją, šiltas (nebūtinai karštas) vanduo ištraukiamas į paviršių ir sujungiamas su butanu arba pentanu, kurio virimo temperatūra žema. Šis skystis pumpuojamas per šilumokaitį, kur jis išgaruoja ir siunčiamas per turbiną prieš grąžinant atgal į sistemą. Dvejetainio ciklo technologija teikia dešimtis megavatų elektros energijos JAV: Kalifornijoje, Nevadoje ir Havajų salose.

Energijos gavimo principas

Geoterminės energijos gavimo trūkumai

Komunalinių paslaugų lygmeniu geotermines elektrines statyti ir eksploatuoti yra brangu. Norint rasti tinkamą vietą, reikia brangiai ištirti šulinius, negarantuojant, kad pateksime į produktyvų požemį karštas taškas. Tačiau analitikai tikisi, kad per ateinančius šešerius metus šis pajėgumas padvigubės.

Be to, teritorijos su aukšta požeminio šaltinio temperatūra yra teritorijose, kuriose yra aktyvių geologinių ir cheminių ugnikalnių. Šios „karštosios dėmės“ susidarė ties tektoninių plokščių ribomis tose vietose, kur pluta gana plona. Ramiojo vandenyno regionas dažnai vadinamas ugnikalnių žiedu, kuriame yra daug ugnikalnių, įskaitant Aliaskoje, Kalifornijoje ir Oregone. Nevada turi šimtus viešosios interneto prieigos taškų, apimančių didžiąją dalį šiaurinės JAV dalies.

Yra ir kitų seismiškai aktyvių zonų. Žemės drebėjimai ir magmos judėjimas leidžia vandeniui cirkuliuoti. Kai kur vanduo pakyla į paviršių ir atsiranda natūralių karštųjų versmių bei geizerių, pavyzdžiui, Kamčiatkoje. Vanduo Kamčiatkos geizeriuose siekia 95°C.

Viena iš atvirų geizerių sistemų problemų yra tam tikrų oro teršalų išmetimas. Vandenilio sulfidas – nuodingos dujos, turinčios labai atpažįstamą „supuvusio kiaušinio“ kvapą – nedideli kiekiai arseno ir mineralų išsiskiria su garais. Druska taip pat gali kelti aplinkos problemų.

Jūros geoterminėse elektrinėse vamzdžiuose susikaupia nemažas kiekis trukdančios druskos. Uždarosiose sistemose išmetamųjų teršalų nėra, o visas į paviršių išneštas skystis grąžinamas.

Ekonominis energijos išteklių potencialas

Seismiškai aktyvios dėmės nėra vienintelės vietos, kur galima rasti geoterminės energijos. Gylyje nuo 4 metrų iki kelių kilometrų žemiau paviršiaus nuolat tiekiama tiesioginiam šildymui naudojama šiluma praktiškai bet kurioje žemės vietoje. Netgi nuosavame kieme ar vietinėje mokykloje esanti žemė turi ekonominį potencialą aprūpinti namą ar kitus pastatus.

Be to, labai giliai po paviršiumi (4–10 km) sausose uolienose yra didžiulis šiluminės energijos kiekis.

Naujų technologijų naudojimas galėtų išplėsti geotermines sistemas, kuriose žmonės tą šilumą galėtų panaudoti daug didesniu mastu nei įprastinės technologijos gaminti elektros energiją. Pirmieji demonstraciniai šio elektros gamybos principo projektai JAV ir Australijoje rodomi jau 2013 m.

Jei pavyks panaudoti visą ekonominį geoterminių išteklių potencialą, tai bus didžiulis elektros energijos šaltinis gamybos pajėgumams. Mokslininkai teigia, kad įprastinių geoterminių šaltinių potencialas yra 38 000 MW, kurie per metus gali pagaminti 380 mln. MW elektros energijos.

Karštų sausų uolienų yra 5–8 km gylyje visur po žeme, o kai kuriose vietose – mažesniame gylyje. Prieiga prie šių išteklių apima šalto vandens, cirkuliuojančio per karštas uolienas, įvedimą ir pašildyto vandens pašalinimą. Šiuo metu komerciškai ši technologija nėra pritaikyta. Esamos technologijos dar neleidžia atkurti šiluminė energija tiesiai iš magmos, labai giliai, tačiau tai yra galingiausias geoterminės energijos šaltinis.

Derinant energijos išteklius ir jų nuoseklumą, geoterminė energija gali atlikti nepakeičiamą švaresnės, tvaresnės energijos sistemos vaidmenį.

Geoterminių elektrinių konstrukcijos

geotermine energija yra gryna ir nuolatinė šiluma iš Žemės. Didesni ištekliai svyruoja nuo kelių kilometrų žemiau žemės paviršiaus ir net giliau iki aukštos temperatūros išsilydžiusios uolienos, vadinamos magma. Tačiau, kaip aprašyta aukščiau, žmonės dar nepasiekė magmos.

Trys geoterminės elektrinės projektai

Taikymo technologiją lemia ištekliai. Jei vanduo iš šulinio ateina garų pavidalu, jį galima naudoti tiesiogiai. Jei karštas vanduo yra pakankamai aukštas, jis turi praeiti per šilumokaitį.

Pirmasis gręžinys elektros energijos gamybai buvo išgręžtas iki 1924 m. Gilesni gręžiniai buvo išgręžti šeštajame dešimtmetyje, tačiau tikroji plėtra vyksta aštuntajame ir devintajame dešimtmečiuose.

Tiesioginis geoterminės šilumos naudojimas

Geoterminiai šaltiniai taip pat gali būti tiesiogiai naudojami šildymui. Karštas vanduo naudojamas pastatams šildyti, augalams šiltnamiuose auginti, žuvims ir pasėliams džiovinti, aliejaus gamybai gerinti, pramoniniams procesams, pvz., pieno pasterizatoriams, padėti ir vandeniui šildyti žuvų ūkiuose. JAV Klamath Falls, Oregonas ir Boise, Aidahas, jau daugiau nei šimtmetį naudojo geoterminį vandenį namams ir pastatams šildyti. Rytinėje pakrantėje, Warm Springs mieste, Virdžinijoje, šilumą gauna tiesiai iš šaltinio vandens, naudojant šilumos šaltinius viename iš vietinių kurortų.

Islandijoje beveik kiekvienas šalies pastatas šildomas karšto šaltinio vandeniu. Iš tikrųjų Islandija daugiau nei 50 procentų pirminės energijos gauna iš geoterminių šaltinių. Pavyzdžiui, Reikjavike (118 000 gyventojų) karštas vanduo konvejeriu tiekiamas 25 kilometrus, o gyventojai jį naudoja šildymui ir gamtinėms reikmėms.

Naujoji Zelandija papildomai gauna 10% elektros energijos. yra nepakankamai išvystytas, nepaisant terminių vandenų.

JUOS. Kapitonovas

Žemės branduolinė šiluma

Žemės šiluma

Žemė yra gana stipriai šildomas kūnas ir yra šilumos šaltinis. Jis įkaista pirmiausia dėl sugeriamos saulės spinduliuotės. Tačiau Žemė taip pat turi savo šilumos išteklius, panašius į šilumą, gaunamą iš Saulės. Manoma, kad ši Žemės energija turi tokią kilmę. Žemė iškilo maždaug prieš 4,5 milijardo metų po to, kai iš protoplanetinio dujų ir dulkių disko, besisukančio aplink ją ir kondensuojantis, susiformavo Saulė. Ankstyvoje formavimosi stadijoje žemės medžiaga buvo įkaitinta dėl gana lėto gravitacinio suspaudimo. Svarbų vaidmenį Žemės šilumos balanse suvaidino ir energija, išsiskirianti krintant ant jos mažiems kosminiams kūnams. Todėl jauna Žemė buvo išlydyta. Atvėsęs jis pamažu įgavo dabartinę būseną su kietu paviršiumi, kurio nemažą dalį dengia vandenyno ir jūros vandenys. Šis kietas išorinis sluoksnis vadinamas žemės pluta ir vidutiniškai sausumoje jo storis yra apie 40 km, o po vandenyno vandenimis – 5-10 km. Gilesnis žemės sluoksnis, vadinamas mantija taip pat susideda iš kietos medžiagos. Jis tęsiasi iki beveik 3000 km gylio ir jame yra didžioji dalis Žemės medžiagos. Galiausiai, slapčiausia Žemės dalis yra jos šerdis. Jis susideda iš dviejų sluoksnių - išorinio ir vidinio. išorinė šerdis tai 4500-6500 K temperatūros išlydytos geležies ir nikelio sluoksnis, kurio storis 2000-2500 km. vidinė šerdis 1000–1500 km spinduliu yra kietas geležies ir nikelio lydinys, įkaitintas iki 4000–5000 K temperatūros, kurio tankis yra apie 14 g / cm 3, kuris atsirado esant didžiuliam (beveik 4 milijonų barų) slėgiui.
Be vidinės Žemės šilumos, paveldėtos iš ankstyviausios karštosios jos formavimosi stadijos ir kurios kiekis laikui bėgant turėtų mažėti, yra dar viena, ilgalaikė, susijusi su radioaktyviu branduolių, turinčių ilgą pusmetį, skilimu. gyvybė – pirmiausia 232 Th, 235 U , 238 U ir 40 K. Šių skilimų metu išsiskirianti energija – jie sudaro beveik 99 % žemės radioaktyviosios energijos – nuolat papildo Žemės šilumines atsargas. Pirmiau minėti branduoliai yra plutoje ir mantijoje. Dėl jų irimo įkaista ir išorinis, ir vidinis Žemės sluoksniai.
Dalis didžiulės šilumos, esančios Žemėje, nuolat išeina į jos paviršių, dažnai vykstant labai didelio masto vulkaniniams procesams. Yra žinomas šilumos srautas, tekantis iš Žemės gelmių per jos paviršių. Tai yra (47±2)·10 12 vatų, o tai prilygsta šilumai, kurią gali pagaminti 50 tūkst. atominių elektrinių (vidutinė vienos atominės elektrinės galia apie 10 9 vatai). Kyla klausimas, ar radioaktyvioji energija vaidina svarbų vaidmenį bendrame Žemės šiluminiame biudžete, ir jei taip, kokį vaidmenį? Atsakymas į šiuos klausimus liko nežinomas ilgą laiką. Dabar yra galimybių atsakyti į šiuos klausimus. Pagrindinis vaidmuo čia tenka neutrinams (antineutrinams), kurie gimsta Žemės medžiagą sudarančių branduolių radioaktyvaus skilimo procesuose ir vadinami. geoneutrinas.

Geoneutrinas

Geoneutrinas yra jungtinis neutrinų arba antineutrinų, išsiskiriančių dėl po žemės paviršiumi esančių branduolių beta skilimo, pavadinimas. Akivaizdu, kad dėl precedento neturinčio skverbimosi gebėjimo juos (ir tik juos) užregistravus antžeminiais neutrinų detektoriais galima gauti objektyvios informacijos apie giliai Žemės viduje vykstančius radioaktyvaus skilimo procesus. Tokio skilimo pavyzdys yra 228 Ra branduolio β - skilimas, kuris yra ilgalaikio 232 Th branduolio α skilimo produktas (žr. lentelę):

228 Ra branduolio pusinės eliminacijos laikas (T 1/2) yra 5,75 metų, o išsiskirianti energija yra apie 46 keV. Antineutrinų energijos spektras yra ištisinis, o viršutinė riba yra artima išleistai energijai.
232 Th, 235 U, 238 U branduolių skilimas yra nuoseklių skilimų grandinės, kurios sudaro vadinamąjį. radioaktyviosios serijos. Tokiose grandinėse α-skilimai yra įsiterpę į β-skilimus, nes α-skilimo metu galutiniai branduoliai pasislenka iš β-stabilumo linijos į branduolių, perkrautų neutronais, sritį. Po nuoseklių skilimų kiekvienos eilutės pabaigoje susidaro stabilūs branduoliai, kurių protonų ir neutronų skaičius yra artimas magiškiems skaičiams arba jiems lygus (Z = 82,N= 126). Tokie galutiniai branduoliai yra stabilūs švino arba bismuto izotopai. Taigi T 1/2 irimas baigiasi susidarius dvigubai magiškam branduoliui 208 Pb, o kelyje 232 Th → 208 Pb įvyksta šeši α skilimai, pakaitomis su keturiais β - skilimais (grandinėje 238 U → 206 Pb, aštuoni α- ir šeši β - skilimai; 235 U → 207 Pb grandinėje yra septyni α- ir keturi β - skilimai). Taigi kiekvienos radioaktyviosios serijos antineutrinų energijos spektras yra atskirų β - skilimų, sudarančių šią seriją, dalinių spektrų superpozicija. Antineutrinų, susidarančių 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K skilimo metu, spektrai parodyti Fig. 1. 40 K skilimas yra vienas β − skilimas (žr. lentelę). Skildami antineutrinai pasiekia didžiausią energiją (iki 3,26 MeV).
214 Bi → 214 Po, kuri yra 238 U radioaktyviųjų serijų grandis. Bendra energija, išsiskirianti praeinant visoms skilimo grandims 232 Th → 208 Pb serijoje, yra 42,65 MeV. Radioaktyviųjų serijų 235 U ir 238 U šios energijos yra atitinkamai 46,39 ir 51,69 MeV. Skilimo metu išsiskirianti energija
40 K → 40 Ca yra 1,31 MeV.

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K branduolių charakteristikos

Šerdis	Dalintis % mišinyje izotopų	Šerdžių skaičius susiję. Si branduoliai	T 1/2 milijardas metų	Pirmosios nuorodos irimas
232th	100	0.0335	14.0
235 U	0.7204	6.48 10 -5	0.704
238 U	99.2742	0.00893	4.47
40 tūkst	0.0117	0.440	1.25

Geoneutrinų srauto įvertinimas, atliktas remiantis 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K branduolių, esančių Žemės materijos sudėtyje, skilimu, leidžia gauti 10 6 cm dydžio reikšmę. -2 sek. -1. Registruojant šiuos geoneutrinus galima gauti informacijos apie radioaktyviosios šilumos vaidmenį bendrame Žemės šilumos balanse ir išbandyti mūsų idėjas apie ilgaamžių radioizotopų kiekį antžeminėje medžiagoje.

Ryžiai. 1. Branduolinio skilimo antineutrinų energijos spektrai

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K normalizuota iki vieno pradinio branduolio skilimo

Reakcija naudojama elektronų antineutrinams registruoti

P → e + + n, (1)

kurioje ši dalelė iš tikrųjų buvo aptikta. Šios reakcijos slenkstis yra 1,8 MeV. Todėl aukščiau nurodytoje reakcijoje gali būti registruojami tik geoneutrinai, susidarę skilimo grandinėse, pradedant nuo 232 Th ir 238 U branduolių. Aptariamos reakcijos efektyvusis skerspjūvis yra labai mažas: σ ≈ 10–43 cm 2. Iš to išplaukia, kad neutrinų detektorius, kurio jautrus tūris yra 1 m 3, užregistruos ne daugiau kaip kelis įvykius per metus. Akivaizdu, kad patikimam geoneutrinų srautų fiksavimui reikalingi didelio tūrio neutrinų detektoriai, esantys požeminėse laboratorijose, kad maksimaliai apsaugotų nuo fono. Idėja geoneutrinams registruoti naudoti detektorius, skirtus saulės ir reaktorių neutrinams tirti, kilo 1998 m. Šiuo metu yra du didelio tūrio neutrinų detektoriai, naudojantys skysčio scintiliatorių ir tinkami problemai išspręsti. Tai KamLAND eksperimentų (Japonija, ) ir Borexino (Italija, ) neutrinų detektoriai. Žemiau aptariame Borexino detektoriaus įrenginį ir su šiuo detektoriumi gautus rezultatus registruojant geoneutrinus.

Boreksino detektorius ir geoneutrinų registracija

Borexino neutrinų detektorius yra centrinėje Italijoje, požeminėje laboratorijoje po Gran Sasso kalnų grandine, kurios kalnų viršūnės siekia 2,9 km (2 pav.).

Ryžiai. 2 pav. Neutrinų laboratorijos vietos diagrama Gran Sasso kalnų grandinėje (Centrinė Italija)

Borexino yra nesegmentuotas masyvus detektorius, kurio aktyvioji terpė yra
280 tonų organinio skysčio scintiliatoriaus. Jis užpildė nailoninį sferinį 8,5 m skersmens indą (3 pav.). Scintiliatorius buvo pseudokumenas (C 9 H 12) su spektrą keičiančiu PPO priedu (1,5 g/l). Šviesą iš scintiliatoriaus surenka 2212 aštuonių colių fotodaugintuvai (PMT), dedami ant nerūdijančio plieno sferos (SSS).

Ryžiai. 3. Borexino detektoriaus įrenginio schema

Nailono indas su pseudokumenu yra vidinis detektorius, kurio užduotis yra registruoti neutrinus (antineutrinus). Vidinį detektorių supa dvi koncentrinės buferinės zonos, kurios apsaugo jį nuo išorinių gama spindulių ir neutronų. Vidinė zona užpildyta nespinduliuojančia terpe, susidedančia iš 900 tonų pseudokumeno su dimetilftalato priedais, kad numalšintų scintiliaciją. Išorinė zona yra virš SNS ir yra vandens Čerenkovo ​​detektorius, kuriame yra 2000 tonų itin gryno vandens ir kuris atjungia signalus iš miuonų, patenkančių į objektą iš išorės. Kiekvienai sąveikai, vykstančiai vidiniame detektoriuje, nustatoma energija ir laikas. Detektoriaus kalibravimas naudojant įvairius radioaktyvius šaltinius leido labai tiksliai nustatyti jo energijos skalę ir šviesos signalo atkuriamumo laipsnį.
Borexino yra labai didelio spinduliuotės grynumo detektorius. Visos medžiagos buvo kruopščiai atrinktos, o scintiliatorius buvo išvalytas, kad būtų sumažintas vidinis fonas. Dėl didelio radiacinio grynumo Borexino yra puikus detektorius antineutrinams aptikti.
Reakcijoje (1) pozitronas duoda momentinį signalą, po kurio po kurio laiko vandenilio branduolys užfiksuoja neutroną, dėl kurio atsiranda γ-kvantas, kurio energija yra 2,22 MeV, o tai sukuria signalas vėluoja, palyginti su pirmuoju. Borexino mieste neutronų pagavimo laikas yra apie 260 μs. Momentiniai ir uždelsti signalai yra koreliuojami erdvėje ir laike, todėl tiksliai atpažįstamas e.
Reakcijos (1) slenkstis yra 1,806 MeV ir, kaip matyti iš Fig. 1, visi geoneutrinai iš 40 K ir 235 U skilimo yra žemiau šios slenksčio ir galima aptikti tik dalį geoneutrinų, atsiradusių 232 Th ir 238 U skilimo metu.
Borexino detektorius pirmą kartą aptiko signalus iš geoneutrinų 2010 m. ir neseniai paskelbė naujus rezultatus, pagrįstus stebėjimais per 2056 dienas nuo 2007 m. gruodžio mėn. iki 2015 m. kovo mėn. Žemiau pateikiame gautus duomenis ir jų aptarimo rezultatus, remiantis straipsniu.
Atlikus eksperimentinių duomenų analizę buvo nustatyti 77 kandidatai į elektroninius antineutrinus, kurie atitiko visus atrankos kriterijus. Fonas iš įvykių, imituojančių e, buvo įvertintas . Taigi signalo ir fono santykis buvo ≈100.
Pagrindinis fono šaltinis buvo reaktoriaus antineutrinai. Borexino situacija buvo gana palanki, nes šalia Gran Sasso laboratorijos nėra branduolinių reaktorių. Be to, reaktorių antineutrinai yra energingesni nei geoneutrinai, todėl šiuos antineutrinus galima atskirti nuo pozitrono pagal signalo stiprumą. Geoneutrinų ir reaktorių antineutrinų indėlio į bendrą užfiksuotų įvykių skaičių iš e analizės rezultatai parodyti Fig. 4. Šios analizės pateiktas registruotų geoneutrinų skaičius (tamsintas plotas atitinka juos 4 pav.) lygus . Analizės metu išskirtame geoneutrinų spektre matomos dvi grupės – mažiau energingi, intensyvesni ir energingesni, mažiau intensyvūs. Aprašyto tyrimo autoriai šias grupes sieja su atitinkamai torio ir urano skilimu.
Aptariamoje analizėje naudojome torio ir urano masių santykį Žemės medžiagoje
m(Th)/m(U) = 3,9 (lentelėje ši reikšmė ≈3,8). Šis skaičius atspindi santykinį šių cheminių elementų kiekį chondrituose – labiausiai paplitusioje meteoritų grupėje (daugiau nei 90 % meteoritų, nukritusių į Žemę, priklauso šiai grupei). Manoma, kad chondritų sudėtis, išskyrus lengvąsias dujas (vandenilį ir helią), pakartoja Saulės sistemos ir protoplanetinio disko, iš kurio susidarė Žemė, sudėtį.

Ryžiai. 4 pav. Positronų šviesos išėjimo spektras fotoelektronų skaičiaus vienetais, kai įvykiai gali būti antineutrino (eksperimentiniai taškai). Tamsesnė sritis yra geoneutrinų indėlis. Ištisinė linija yra reaktoriaus antineutrinų indėlis.

Technikos mokslų daktaras ANT. Prisiekiu, profesoriau,
Rusijos technologijos mokslų akademijos akademikas, Maskva

Pastaraisiais dešimtmečiais pasaulyje buvo svarstoma kryptis, kaip efektyviau panaudoti gelmių žemės šilumos energiją, siekiant iš dalies pakeisti gamtines dujas, naftą, anglį. Tai bus įmanoma ne tik vietovėse, kuriose yra aukšti geoterminiai parametrai, bet ir bet kurioje Žemės rutulio vietoje, gręžiant įpurškimo ir gavybos gręžinius bei tarp jų kuriant cirkuliacines sistemas.

Pastaraisiais dešimtmečiais pasaulyje išaugusį susidomėjimą alternatyviais energijos šaltiniais lemia išsenkančios angliavandenilių kuro atsargos ir būtinybė spręsti nemažai problemų. aplinkosaugos klausimai. Objektyvūs veiksniai (iškastinio kuro ir urano atsargos, tradicinės ugnies ir atominės energijos sukeliami aplinkos pokyčiai) leidžia teigti, kad perėjimas prie naujų energijos gamybos būdų ir formų yra neišvengiamas.

Šiuo metu pasaulio ekonomika pereina prie racionalaus tradicinių ir naujų energijos šaltinių derinimo. Žemės šiluma tarp jų užima vieną pirmųjų vietų.

Geoterminės energijos ištekliai skirstomi į hidrogeologinius ir petrogeoterminius. Pirmuosius iš jų atstovauja šilumnešiai (jie sudaro tik 1% visų geoterminės energijos išteklių) - gruntinio vandens, garai ir garo-vandens mišiniai. Antroji yra geoterminė energija, esanti karštose uolienose.

Mūsų šalyje ir užsienyje naudojama fontano technologija (savaiminis išsiliejimas) natūraliam garui ir geoterminiams vandenims išgauti yra paprasta, bet neefektyvi. Esant mažam savaiminių gręžinių debitui, jų šilumos gamyba gali atpirkti gręžimo išlaidas tik nedideliame geoterminių rezervuarų gylyje su aukšta temperatūra šiluminių anomalijų vietose. Tokių gręžinių tarnavimo laikas daugelyje šalių nesiekia net 10 metų.

Kartu patirtis patvirtina, kad esant negiliems natūralaus garo kolektoriams, Geoterminės elektrinės statyba yra pats pelningiausias geoterminės energijos naudojimo variantas. Tokių GeoTPP veikimas parodė savo konkurencingumą, palyginti su kitų tipų elektrinėmis. Todėl geoterminių vandenų ir garo hidrotermų rezervų panaudojimas mūsų šalyje Kamčiatkos pusiasalyje ir Kurilų grandinės salose, Šiaurės Kaukazo regionuose, o taip pat galbūt ir kitose vietovėse yra tikslingas ir savalaikis. Tačiau garo telkiniai yra retenybė, žinomi ir prognozuojami jo rezervai yra maži. Daug dažniau pasitaikančios šilumos ir elektros vandens telkiniai ne visada yra pakankamai arti vartotojo – šilumos tiekimo objekto. Tai atmeta galimybę juos veiksmingai naudoti dideliais mastais.

Dažnai kovos su masteliu problemos virsta sudėtinga problema. Naudojant geoterminius, kaip taisyklė, mineralizuotus šaltinius kaip šilumos nešiklį, gręžinių zonos užauga geležies oksido, kalcio karbonato ir silikato dariniais. Be to, erozijos-korozijos ir mastelio susidarymo problemos neigiamai veikia įrangos veikimą. Problema taip pat yra mineralizuotų ir nuotekų, kuriose yra toksinių priemaišų, išleidimas. Todėl paprasčiausia fontano technologija negali būti plačiai paplitusios geoterminių išteklių plėtros pagrindas.

Preliminariais vertinimais teritorijoje Rusijos Federacija numatomi terminių vandenų, kurių temperatūra 40-250 °C, druskingumas 35-200 g/l ir gylis iki 3000 m, atsargos yra 21-22 mln. m3/parą, tai prilygsta 30-40 mln. tonų deginimui lygiaverčio kuro. metais.

Prognozuojamos 150-250 °C temperatūros garo-oro mišinio atsargos Kamčiatkos pusiasalyje ir Kurilų salose – 500 tūkst.m3/parą. ir terminių vandenų, kurių temperatūra 40-100 ° C, atsargos - 150 tūkst. m3 / parą.

Terminių vandenų, kurių debitas yra apie 8 mln. m3/parą, kurių druskingumas iki 10 g/l, o temperatūra viršija 50 °C, atsargos laikomos svarbiausiu plėtros prioritetu.

Daug didesnę reikšmę ateities energetikai turi šiluminės energijos, praktiškai neišsenkančių naftos geoterminių išteklių gavyba. Ši geoterminė energija, uždaryta kietose karštose uolienose, sudaro 99% visų požeminės šiluminės energijos išteklių. Iki 4-6 km gylyje masyvų, kurių temperatūra 300-400 °C, galima rasti tik prie kai kurių ugnikalnių tarpinių kamerų, tačiau karštos uolienos, kurių temperatūra 100-150 °C, pasiskirsto beveik visur šių gylių, o esant 180-200 °C temperatūrai, gana reikšmingoje Rusijos teritorijos dalyje.

Milijardus metų branduoliniai, gravitaciniai ir kiti Žemės viduje vykstantys procesai generavo ir toliau gamina šiluminę energiją. Dalis jo išspinduliuojama į kosmosą, o šiluma kaupiasi gelmėse, t.y. sausumos medžiagos kietosios, skystosios ir dujinės fazės šilumos kiekis vadinamas geotermine energija.

Nuolatinė intražeminės šilumos gamyba kompensuoja jos išorinius nuostolius, yra geoterminės energijos akumuliavimo šaltinis ir lemia atsinaujinančią jos išteklių dalį. Bendras podirvio šilumos pašalinimas iki žemės paviršiaus tris kartus viršija dabartinę pasaulio elektrinių galią ir vertinama 30 TW.

Tačiau aišku, kad atsinaujinimas yra svarbus tik ribotai gamtos turtai, o bendras geoterminės energijos potencialas yra praktiškai neišsemiamas, nes jį reikėtų apibrėžti kaip bendrą Žemei prieinamą šilumos kiekį.

Neatsitiktinai pastaraisiais dešimtmečiais pasaulyje buvo svarstoma kryptis, kaip efektyviau panaudoti gelmių Žemės šilumos energiją, siekiant iš dalies pakeisti gamtines dujas, naftą, anglį. Tai bus įmanoma ne tik vietovėse, kuriose yra aukšti geoterminiai parametrai, bet ir bet kurioje Žemės rutulio vietoje, gręžiant įpurškimo ir gavybos gręžinius bei tarp jų kuriant cirkuliacines sistemas.

Žinoma, esant mažam uolienų šilumos laidumui, efektyviam cirkuliacinių sistemų veikimui būtina turėti arba sukurti pakankamai išvystytą šilumos mainų paviršių šilumos ištraukimo zonoje. Toks paviršius dažnai randamas porėtose formacijose ir natūralaus atsparumo lūžiams zonose, kurios dažnai būna aukščiau minėtuose gyliuose, kurių pralaidumas leidžia organizuoti priverstinį aušinimo skysčio filtravimą efektyviai išgaunant uolienų energiją, taip pat dirbtinis didelio šilumos mainų paviršiaus sukūrimas mažai laidžiuose poringuose masyvuose hidraulinio ardymo būdu (žr. pav.).

Šiuo metu hidraulinis ardymas naudojamas naftos ir dujų pramonėje kaip būdas padidinti rezervuaro pralaidumą, kad būtų pagerintas naftos išgavimas plėtojant naftos telkinius. Moderni technologija leidžia sukurti siaurą, bet ilgą plyšį arba trumpą, bet platų. Yra žinomi hidraulinių lūžių pavyzdžiai, kurių ilgis iki 2-3 km.

Vidaus idėja išgauti pagrindinius geoterminius išteklius kietas rokas, dar 1914 metais išreiškė K.E.Ciolkovskis, o 1920 metais geoterminės cirkuliacijos sistemą (GCC) karštame granito masyve aprašė V.A. Obručevas.

1963 m. Paryžiuje buvo sukurta pirmoji GCC, skirta išgauti šilumą iš poringų formacijų uolienų šildymui ir oro kondicionavimui „Broadcasting Chaos“ komplekso patalpose. 1985 m. Prancūzijoje jau veikė 64 GCC, kurių bendra šiluminė galia buvo 450 MW, kasmet sutaupant apie 150 000 tonų naftos. Tais pačiais metais SSRS Khankala slėnyje netoli Grozno miesto buvo sukurta pirmoji tokia GCC.

1977 m., pagal JAV Los Alamos nacionalinės laboratorijos projektą, Fenton Hill aikštelėje Naujosios Meksikos valstijoje pradėti eksperimentinio GCC su beveik nepralaidžio masyvo hidrauliniu ardymu bandymai. Suleidžiama per šulinį (injekcija) šalta gėlo vandens buvo įkaitęs dėl šilumos mainų su uolienų mase (185 °C) vertikalioje 8000 m2 ploto plyšyje, susidariusioje hidraulinio ardymo būdu 2,7 km gylyje. Kitame šulinyje (gamyboje), taip pat kirsdamas šį plyšį, į paviršių garų čiurkšlės pavidalu išėjo perkaitintas vanduo. Cirkuliuojant uždaroje grandinėje esant slėgiui, perkaitinto vandens temperatūra paviršiuje siekė 160-180 °C, o sistemos šiluminė galia - 4-5 MW. Aušinimo skysčio nutekėjimas į aplinkinį masyvą sudarė apie 1% viso srauto. Mechaninių ir cheminių priemaišų koncentracija (iki 0,2 g/l) atitiko gėlo vandens sąlygas geriamas vanduo. Hidraulinio lūžio tvirtinti nereikėjo ir jis buvo atidarytas dėl skysčio hidrostatinio slėgio. Jame besivystanti laisva konvekcija užtikrino efektyvų dalyvavimą beveik viso karštos uolienų masės atodangos paviršiaus šilumos mainuose.

Požeminės šiluminės energijos gavyba iš karštų nepralaidžių uolienų, pagrįsta nuožulniojo gręžimo ir hidraulinio ardymo metodais, kurie jau seniai įvaldomi ir taikomi naftos ir dujų pramonėje, nesukėlė seisminio aktyvumo ar kitokio žalingo poveikio aplinkai. aplinką.

1983 m. britų mokslininkai pakartojo Amerikos patirtį, sukurdami eksperimentinį GCC su hidrauliniu granito ardymu Karnvelyje. Panašūs darbai buvo atlikti Vokietijoje, Švedijoje. JAV įgyvendinti daugiau nei 224 geoterminio šildymo projektai. Tačiau daroma prielaida, kad geoterminiai ištekliai gali patenkinti didžiąją dalį būsimų JAV neelektrinės šiluminės energijos poreikių. Japonijoje GeoTPP galia 2000 m. siekė apie 50 GW.

Šiuo metu geoterminių išteklių tyrimai ir tyrinėjimai vykdomi 65 šalyse. Pasaulyje, remiantis geotermine energija, sukurtos stotys, kurių bendra galia apie 10 GW. Jungtinės Tautos aktyviai remia geoterminės energijos plėtrą.

Daugelyje pasaulio šalių sukaupta geoterminių aušinimo skysčių naudojimo patirtis rodo, kad palankiomis sąlygomis jie yra 2-5 kartus pelningesni nei šiluminės ir atominės elektrinės. Skaičiavimai rodo, kad vienas geoterminis gręžinys per metus gali pakeisti 158 tūkstančius tonų anglies.

Taigi Žemės šiluma yra, ko gero, vienintelis didelis atsinaujinantis energijos šaltinis, kurį racionaliai plėtojant žadama sumažinti energijos sąnaudas, lyginant su šiuolaikine kuro energija. Deja, saulės ir termobranduoliniai įrenginiai, turintys tokį pat neišsenkamą energijos potencialą, bus brangesni nei esami kuro įrenginiai.

Nepaisant labai ilgos Žemės šilumos vystymosi istorijos, šiandien geoterminė technologija dar nepasiekė aukšto išsivystymo. Žemės šiluminės energijos vystymasis patiria didelių sunkumų statant giluminius gręžinius, kurie yra kanalas aušinimo skysčiui iškelti į paviršių. Dėl aukštos temperatūros dugne (200-250 °C) tradiciniai uolienų pjovimo įrankiai tokiomis sąlygomis yra netinkami dirbti, keliami specialūs reikalavimai gręžimo ir gaubtinių vamzdžių, cemento srutų parinkimui, gręžimo technologijai, korpusui ir užbaigimui. šulinių. Buitinė matavimo įranga, serijinė eksploatacinė armatūra ir įranga gaminama taip, kad temperatūra būtų ne aukštesnė kaip 150-200 °C. Tradicinis giluminis mechaninis gręžinių gręžimas kartais vėluoja metų metus ir reikalauja didelių finansinių išlaidų. Pagrindiniame gamybiniame turte šulinių savikaina yra nuo 70 iki 90%. Šią problemą galima ir reikia išspręsti tik kuriant pažangią technologiją pagrindinės geoterminių išteklių dalies plėtrai, t.y. energijos išgavimas iš karštų uolienų.

Mūsų Rusijos mokslininkų ir specialistų grupė jau ne vienerius metus sprendžia neišsenkamos, atsinaujinančios karštųjų Žemės uolienų giluminės šiluminės energijos išgavimo ir panaudojimo problemą Rusijos Federacijos teritorijoje. Darbo tikslas – buitinių aukštųjų technologijų pagrindu sukurti technines priemones giliai įsiskverbti į žemės plutos žarnas. Šiuo metu yra sukurti keli gręžimo įrankių (BS) variantai, kurie pasaulinėje praktikoje neturi analogų.

Pirmosios BS versijos veikimas yra susietas su dabartine įprastine gręžinių gręžimo technologija. Kietųjų uolienų gręžimo greitis (vidutinis tankis 2500-3300 kg/m3) iki 30 m/h, skylės skersmuo 200-500 mm. Antrasis BS variantas atlieka gręžinių gręžimą autonominiu ir automatiniu režimu. Paleidimas vykdomas iš specialios paleidimo ir priėmimo platformos, iš kurios kontroliuojamas jo judėjimas. Tūkstantis metrų BS kietose uolienose galės praeiti per kelias valandas. Šulinio skersmuo nuo 500 iki 1000 mm. Daugkartinio naudojimo BS variantai pasižymi dideliu ekonomiškumu ir didele potencialia verte. BS įvedimas į gamybą atvers naują gręžinių statybos etapą ir suteiks prieigą prie neišsenkančių Žemės šiluminės energijos šaltinių.

Šilumos tiekimo poreikiams reikalingas šulinių gylis visoje šalyje yra iki 3-4,5 tūkst. metrų ir neviršija 5-6 tūkst. ne aukštesnė kaip 150 °C. Pramoniniuose objektuose temperatūra, kaip taisyklė, neviršija 180-200 °C.

PĮBT kūrimo tikslas – nuolat, įperkamai, pigiai tiekti šilumą atokiems, sunkiai pasiekiamiems ir neišsivysčiusiems Rusijos Federacijos regionams. GCS veikimo trukmė yra 25-30 metų ar daugiau. Stočių atsipirkimo laikotarpis (atsižvelgiant į naujausias technologijas gręžimas) - 3-4 metai.

Ateinančiais metais Rusijos Federacijoje sukūrus tinkamus geoterminės energijos panaudojimo ne elektros reikmėms pajėgumus, bus galima pakeisti apie 600 mln. tonų kuro ekvivalento. Sutaupyti galima iki 2 trilijonų rublių.

Iki 2030 metų atsiranda galimybė sukurti energetinius pajėgumus ugnies energijai pakeisti iki 30 proc., o iki 2040 metų – beveik visiškai pašalinti organines žaliavas kaip kurą iš Rusijos Federacijos energijos balanso.

Literatūra

1. Gončarovas S.A. Termodinamika. Maskva: MGTUim. N.E. Bauman, 2002. 440 p.

2. Dyadkin Yu.D. tt Geoterminė šiluminė fizika. Sankt Peterburgas: Nauka, 1993. 255 p.

3. Rusijos kuro ir energetikos komplekso mineralinių išteklių bazė. Būklė ir prognozė / V.K. Branchhugov, E.A. Gavrilovas, V.S. Litvinenka ir kt. Red. V.Z. Garipova, E.A. Kozlovskis. M. 2004. 548 p.

4. Novikovas G. P. ir kt.. Terminių vandenų gręžinių gręžimas. M.: Nedra, 1986. 229 p.

2. Žemės šiluminis režimas

Žemė yra šaltas kosminis kūnas. Paviršiaus temperatūra daugiausia priklauso nuo iš lauko tiekiamos šilumos. 95% viršutinio Žemės sluoksnio šilumos yra išorės (saulės) šilumos ir tik 5% šilumos vidinis , kuris ateina iš Žemės žarnų ir apima keletą energijos šaltinių. Žemės gelmėse temperatūra didėja su gyliu nuo 1300 o C (viršutinėje mantijoje) iki 3700 o C (šerdies centre).

išorinė šiluma. Šiluma į Žemės paviršių patenka daugiausia iš Saulės. Kiekvienas kvadratinis paviršiaus centimetras per minutę gauna apie 2 kalorijas šilumos. Ši vertė vadinama saulės konstanta ir nustato bendrą šilumos kiekį, patenkantį į Žemę iš Saulės. Per metus tai sudaro 2,26 10 21 kaloriją. Saulės šilumos įsiskverbimo į Žemės žarnas gylis daugiausia priklauso nuo šilumos kiekio, patenkančio į paviršiaus ploto vienetą, ir nuo uolienų šilumos laidumo. Didžiausias gylis, į kurį prasiskverbia išorinė šiluma, yra 200 m vandenynuose ir apie 40 m sausumoje.

vidinė šiluma. Didėjant gyliui, kyla temperatūra, kuri įvairiose teritorijose vyksta labai netolygiai. Temperatūros padidėjimas vadovaujasi adiabatiniu dėsniu ir priklauso nuo slėginės medžiagos suspaudimo, kai šilumos mainai su aplinka yra neįmanomi.

Pagrindiniai šilumos šaltiniai Žemėje:

Elementų radioaktyvaus skilimo metu išsiskirianti šiluma.

Liekamoji šiluma, likusi po Žemės susidarymo.

Gravitacinė šiluma, išsiskirianti suspaudžiant Žemę ir pasiskirstant medžiagai tankyje.

Šiluma, susidaranti dėl cheminių reakcijų, vykstančių žemės plutos gelmėse.

Šiluma, išsiskirianti dėl Žemės potvynių trinties.

Yra 3 temperatūros zonos:

aš- kintamos temperatūros zona . Temperatūros kitimą lemia vietovės klimatas. Dienos svyravimai praktiškai išnyksta maždaug 1,5 m gylyje, o metiniai svyravimai 20 ... 30 m gylyje. Ia - užšalimo zona.

II - pastovios temperatūros zona yra 15…40 m gylyje, priklausomai nuo regiono.

III - karštoji zona .

Uolienų temperatūros režimas žemės plutos žarnose dažniausiai išreiškiamas geoterminiu gradientu ir geoterminiu žingsniu.

Temperatūros kilimo dydis kiekvienam 100 m gylio vadinamas geoterminis gradientas. Afrikoje, Witwatersrand lauke, yra 1,5 °С, Japonijoje (Echigo) - 2,9 °С, Pietų Australijoje - 10,9 °С, Kazachstane (Samarinda) - 6,3 °С, Kolos pusiasalyje - 0,65 °С. .

Ryžiai. 3. Temperatūros zonos žemės plutoje: I - kintamų temperatūrų zona, Ia - užšalimo zona; II - pastovių temperatūrų zona; III - temperatūros padidėjimo zona.

Gylis, kuriame temperatūra pakyla 1 laipsniu, vadinamas geoterminis žingsnis. Geoterminio žingsnio skaitinės vertės nėra pastovios ne tik skirtingose ​​platumose, bet ir skirtinguose to paties regiono taško gyliuose. Geoterminio laiptelio vertė svyruoja nuo 1,5 iki 250 m. Archangelske yra 10 m, Maskvoje - 38,4 m, o Piatigorske - 1,5 m. Teoriškai vidutinė šio laiptelio vertė yra 33 m.

Maskvoje iki 1630 m gylio išgręžtame gręžinyje dugno duobės temperatūra siekė 41 °C, o kasykloje, išgręžtoje Donbase iki 1545 m gylio – 56,3 °C. Aukščiausia temperatūra užfiksuota JAV 7136 m gylio šulinyje, kur ji prilygsta 224 °C. Projektuojant giliąsias konstrukcijas reikia atsižvelgti į temperatūros padidėjimą kartu su gyliu Pagal skaičiavimus 400 km gylyje temperatūra turėtų siekti 1400...1700 °C. Aukščiausia temperatūra (apie 5000 °C) buvo gauta Žemės šerdyje.