Энергия земли для отопления дома. Температура внутри Земли

Температура грунта непрерывно изменяется по глубине и во времени. Она зависит от целого ряда факторов, из которых многие трудно поддаются учету. К последним, например, относится: характер растительности, экспозиция склона по сторонам света, затененность, снеговой покров, характер самих грунтов, наличие надмерзлотных вод и др. Однако температура грунта, как по величине, так и по характеру распределения сохраняется из года в год достаточно устойчиво, и решающее влияние здесь остается за температурой воздуха.

Температура грунта на разных глубинах и в различные периоды года может быть получена непосредственными измерениями в термоскважинах, которые закладываются в процессе изысканий. Но такой способ требует длительных наблюдений и значительных расходов, что не всегда оправдано. Полученные по одной-двум скважинам данные распространяются на большие площади и протяжения, значительно искажая действительность так, что расчетные данные о температуре грунта во многих случаях оказываются более надежными.

Температура грунта вечномерзлой толщи на любой глубине (до 10 м от поверхности) и на любой период года может быть определена по формуле:

tr = mt°, (3.7)

где z – глубина, отсчитываемая от ВГМ, м;

tr – температура грунта на глубине z, в град.

τr– время равное году (8760 ч);

τ - время, отсчитываемое вперед (через 1 января) от момента начала осеннего замерзания грунта до момента, для которого ведется отсчет температуры, в ч;

еxp х – экспонента (показательная функция exp берется по таблицам);

m – коэффициент, зависящий от периода года (для периода октябрь – май m = 1,5-0,05z, а для периода июнь- сентябрь m = 1)

Самая низкая температура на заданной глубине будет тогда, когда косинус в формуле (3.7) станет равным -1, т. е. минимальная температура грунта за год на данной глубине составит

tr мин = (1,5-0,05z) t°, (3.8)

Максимальная температура грунта на глубине z ,будет тогда, когда косинус примет значение, равное единице т.е.

tr макс = t°, (3.9)

Во всех трех формулах значение объемной теплоемкости С м следует рассчитывать для температуры грунта t° по формуле (3.10).

С 1 м = 1/W, (3.10)

Температуру грунта в слое сезонного оттаивания можно также определить расчетом, приняв во внимание, что изменение температуры в этом слое достаточно точно апроксимируется линейной зависимостью при следующих температурных градиентах (табл.3.1).

Рассчитав по одной из формул (3.8) – (3.9) температуру грунта на уровне ВГМ, т.е. положив в формулах Z=0, затем с помощью таблицы 3.1 определяем температуру грунта на заданной глубине в слое сезонного оттаивания. В самых верхних слоях грунта, примерно до 1 м от поверхности, характер температурных колебаний очень сложен.

Таблица 3.1

Температурный градиент в слое сезонного оттаивания на глубине ниже 1 м от поверхности земли

Примечание. Знак градиента показан в направлении к дневной поверхности.

Чтобы получить расчетную температуру грунта в метровом слое от поверхности, можно поступить следующим образом. Вычислить температуру на глубине 1 м и температуру дневной поверхности грунта, а затем путем интерполяции по этим двум значениям определить температуру на заданной глубине.

Температуру на поверхности грунта t п в холодный период года можно принимать равной температуре воздуха. В летний период:

t п = 2+1,15 t в, (3.11)

где t п - температура на поверхности в град.

t в – температура воздуха в град.

Температура грунта при несливающейся криолитозоне рассчитывается иначе, чем при сливающейся. Практически можно считать, что температура на уровне ВГМ будет равна 0°С в течении всего года. Расчетную температуру грунта вечномерзлой толщи на заданной глубине можно определить интерполяцией, считая, что она меняется на глубине по линейному закону от t° на глубине 10 м до 0°С на глубине залегания ВГМ. Температуру в талом слое h т можно принимать от 0,5 до 1,5°С.

В слое сезонного промерзания h п температуру грунта можно вычислить так же, как для слоя сезонного оттаивания сливающейся криолитозоны, т.е. в слое h п – 1 м по температурному градиенту (табл. 3.1), считая температуру на глубине h п равной 0°С в холодный период года и 1°С в летнее время. В верхнем метровом слое грунта температура определяется по интерполяции между температурой на глубине 1 м и температурой на поверхности.

Чтобы рассчитать, каких значений достигает давление внутри Земли, вызванное весом горных пород, слагающих различные оболочки, нужно знать плотность пород на всех глубинах и величину силы тяжести также на всех глубинах вплоть до центра.

Как мы видели, плотность пород с глубиною растет, хотя и неравномерно. От 2,5 на поверхности она доходит до 3,4 на глубине около 100 км и до 6,0 на уровне 2900 км ниже поверхности. Здесь, на границе ядра, в величине плотности наблюдается скачок: она сразу достигает значения 9,5 (приблизительно), а далее снова растет равномерно, доходя в центре ядра до 12,5 (по М. С. Молоденскому, 1955) (см. рис. 8).

Рис. 8. Изменение плотности внутри Земли.

Что касается силы тяжести, то о ней можно сказать следующее. Сила тяжести - сила, с которой Земля притягивает к себе все тела. Под влиянием этой силы тела, находящиеся в свободном состоянии (например, в воздухе), падают на Землю, т. е. движутся по направлению к центру Земли, постепенно убыстряясь, т. е. получая «ускорение». Величину «ускорения силы тяжести» можно вычислить. На поверхности Земли ускорение силы тяжести равно приблизительно 9,8 м/сек 2 ; в глубине Земли оно сначала немного возрастает, достигая максимума близ поверхности ядра, а затем быстро падает, доходя в центре Земли до нуля (рис. 9). Это понятно: точка, находящаяся в центре земного шара, притягивается всеми окружающими ее частями, с одинаковой силой по всем радиусам, а в итоге равнодействующая будет равна нулю.

Рис. 9. Изменение ускорения силы тяжести внутри Земли.

Обладая указанными сведениями, мы можем вычислить вес столбика пород с поперечным сечением, равным 1 кв. сантиметру, и длиной, равной радиусу Земли или любой его части. Это и будет давление, оказываемое весом вышележащих пород на элементарную площадку (1 кв. см )в глубине Земли. Расчеты приводят к следующим цифрам: у «подошвы» земной коры, т. е. у основания сиалической оболочки (на глубине 50 км ) - около 13 тыс. атмосфер, т. е. около 13 тонн на квадратный сантиметр; на границе ядра - около 1,4 миллиона атмосфер; в центре Земли - около 3 млн. атмосфер (рис. 10). Три миллиона атмосфер - это приблизительно три тысячи тонн на квадратный сантиметр. Это - огромная величина. Ни в одной лаборатории достичь таких давлений пока не удалось.

Рис. 10. Изменения давления внутри Земли.

Перейдем к температуре. По данным измерений в буровых скважинах, а также в шахтах, выяснено, что с глубиной температура растет, поднимаясь приблизительно на 3° на протяжении каждых 100 метров. Подобный темп роста температуры сохраняется всюду, на всех материках, но лишь в наружных частях Земли, близ самой ее поверхности. С глубиной величина «геотермического градиента» (геотермический градиент - изменение температуры в градусах на каждый сантиметр) падает. Вычисления, основанные на учете теплопроводности горных пород, показывают, что геотермический градиент, известный для наружных частей земного шара, сохраняется не далее, чем на протяжении первых 20 км ; ниже рост температуры заметно замедляется. У подошвы сиалической оболочки вряд ли температура будет выше 900°; на глубине 100 км - около 1500°; дальше рост ее еще более замедляется. Что касается центральных частей Земли, в частности ядра, то с достоверностью о них оказать что-либо очень трудно. Специалисты, изучавшие этот вопрос, полагают, что недра Земли нагреты не выше, чем на 2–3 тысячи градусов (рис. 11).

Рис. 11. Изменение температуры внутри Земли.

Может быть, интересно для сравнения напомнить, что в центре Солнца температура оценивается в 1 миллион градусов, на поверхности Солнца - около 6000°. Волосок горящей электрической лампочки накален до 3000°.

Интересные данные имеются по вопросу об источниках тепла и тепловом режиме земного шара. Когда-то считалось, что Земля сохраняет в себе «первозданное» тепло, оставленное ей «в наследство» Солнцем, и постепенно теряет его, остывая и сокращаясь в объеме. Открытие радиоактивных элементов изменило прежние представления. Оказалось, что породы, слагающие земную кору, содержат радиоактивные элементы, которые самопроизвольно и непрерывно выделяют тепло. Количество этого тепла оценивается приблизительно в 6 миллионных долей малой калории на 1 кубический сантиметр породы в год, а для того, чтобы покрыть весь расход тепла, излучаемого земной поверхностью в мировое пространство, нужно, чтобы такой же элементарный кубик породы выделял всего лишь три десятимиллионные части малой калории в год. Другими словами, нет никаких оснований полагать, что земной шар остывает. Скорее, наоборот, он может разогреваться. На этом основании в последние годы предложены новые гипотезы развития земной коры и происхождения движений, испытываемых ею.

Учитывая наличие высокой температуры в недрах Земли, мы вправе поставить такой вопрос: в каком же физическом («агрегатном») состоянии находятся внутренние части Земли? В твердом или жидком, или, быть может, газообразном?

Последняя версия, т. е. представление о газообразном состоянии вещества внутри Земли, может быть сразу отклонена. Чтобы превратить в газ минералы, слагающие Землю, нужна гораздо более высокая температура, чем та, которая допустима, судя по изложенным выше данным.

Но в жидком состоянии породы могут оказаться. Известно, например, что «кислые» породы плавятся при 1000°, «основные» - при 1000–1200°, «ультраосновные» - при 1300–1400°. Это значит, что уже на глубине 100–130 км породы должны бы расплавиться. Но там очень высокое давление, а давление повышает температуру плавления. Чье же влияние окажется бóльшим: высокой температуры или высокого давления?

Здесь нужно снова обратиться к помощи сейсмических наблюдений. Продольные и поперечные волны свободно проходят через все оболочки Земли, заключенные между поверхностью Земли и границей ядра; следовательно, всюду здесь вещество ведет себя, как твердое. С таким выводом согласуется заключение астрономов и геофизиков, которые показали, что твердость Земли в целом близка к твердости стали. По вычислениям В. Ф. Бончковского, твердость Земли оценивается в 12 · 10 11 дин на квадратный сантиметр, что в четыре раза больше твердости гранита.

Таким образом, совокупность современных данных говорит о том, что все оболочки Земли (кроме ее ядра!) должны считаться находящимися в твердом состоянии. Жидкое состояние материи можно допустить лишь для совершенно незначительных участков в толще земной коры, с которыми непосредственно связаны вулканы.

В городе Эспоо через два года будет запущена первая в Финляндии геотермальная электростанция. Финские инженеры планируют использовать естественное тепло земных недр для обогрева зданий. И если эксперимент будет успешным, то подобные теплоцентрали можно возводить повсеместно, например, в Ленинградской области. Вопрос в том, насколько это выгодно.

Использование энергии Земли - идея не новая. Естественно, за ее реализацию прежде всего взялись жители тех регионов, где сама природа создала “паровые машины”. Так, например, еще в 1904 году итальянский князь Пьеро Джинори Конти зажег четыре электролампочки, поместив турбинку с электрогенератором вблизи природного выхода разогретого пара из земли, в регионе Лардерелло (Тоскана).

Спустя девять лет, в 1913 году, там же была запущена первая коммерческая геотермальная станция мощностью 250 киловатт. Станция использовала самый выгодный, но, к сожалению, редко встречающийся ресурс — сухой перегретый пар, который можно встретить лишь в недрах вулканических массивов. Но, на самом деле, жар Земли можно найти не только близ огнедышащих гор. Он есть повсеместно, под нашими ногами.

Недра планеты раскалены до нескольких тысяч градусов. Ученые до сих пор не выяснили, вследствие каких процессов наша планета в течение нескольких миллиардов лет хранит в себе гигантское количество тепла, и невозможно оценить, на сколько миллиардов лет его хватит. Достоверно известно, что при погружении на каждые 100 метров вглубь земли температура пород повышается в среднем на 3 градуса. В среднем — это значит, что есть места на планете, где температура повышается на полградуса, а где-то — и на 15 градусов. И это — не зоны активного вулканизма.

Температурный градиент, разумеется, увеличивается неравномерно. Финские специалисты рассчитывают достичь на глубине 7 км зоны, в которой температура пород составит 120 градусов Цельсия, притом что температурный градиент в Эспоо примерно 1,7 градуса на 100 метров, а это даже ниже среднего уровня. И, тем не менее, это уже достаточная температура для запуска геотермальной теплоцентрали.

Суть системы, в принципе, проста. Бурятся две скважины на расстоянии в несколько сот метров друг от друга. Между ними в нижней части нагнетают под давлением воду, чтобы разорвать пласты и создать меж ними систему проницаемых трещин. Технология отработана: подобным способом сейчас добывают сланцевую нефть и газ.

Затем в одну из скважин закачивают воду с поверхности, а из второй — наоборот, откачивают. Вода идет по трещинам среди раскаленных пород, и затем поступает по второй скважине на поверхность, где передает тепло обычной городской теплоцентрали. Такие системы уже были запущены в США, в настоящее время идут разработки в Австралии и странах Европейского союза.

Фото: www.facepla.net (скриншот)

Мало того — тепла хватит, чтобы запустить выработку электроэнергии. Приоритет в разработке низкотемпературной геотермальной энергетики принадлежит советским ученым — именно они более полувека назад решили вопрос использования такой энергии на Камчатке. Ученые предложили использовать в качестве кипящего теплоносителя органическую жидкость — фреон12, у которой точка кипения при нормальном атмосферном давлении — минус 30 градусов. Вода из скважины температурой в 80 градусов Цельсия передавала свое тепло фреону, который вращал турбины. Первой в мире электростанцией, работающей с водой такой температуры, стала Паужетская геотермальная электростанция на Камчатке, построенная в 1967 году.

Достоинства такой схемы очевидны — в любой точке Земли человечество сможет обеспечить себя теплом и электроэнергией, даже если погаснет Солнце. В толще земной коры запасена огромная энергия, более чем в 10 тысяч раз превышающая все топливопотребление современной цивилизации в год. И эта энергия постоянно возобновляется за счет притока тепла из недр планеты. Современные технологии позволяют добывать этот вид энергии.

Интересные места для строительства подобных геотермальных электростанций есть и в Ленинградской области. Выражение "Питер стоит на болоте" применимо лишь с позиции строительства малоэтажных объектов, а с точки зрения "большой геологии" — осадочный чехол в окрестностях Петербурга достаточно тонок, всего десятки метров, а затем берут свое начало, как и в Финляндии, коренные магматические породы. Этот скальный щит неоднороден: он испещрен разломами, по некоторым из которых поднимается наверх тепловой поток.

Первыми на это явление обратили внимание ботаники, которые нашли на Карельском перешейке и на Ижорском плато островки тепла, где произрастают растения либо с высокой скоростью воспроизводства, либо относящиеся к более южным ботаническим подзонам. А под Гатчиной и вовсе обнаружена ботаническая аномалия — растения альпийско-карпатской флоры. Растения существуют благодаря тепловым потокам, идущим из-под земли.

По результатам бурения в районе Пулково на глубине 1000 метров температура кристаллических пород составила плюс 30 градусов, то есть в среднем она повышалась на 3 градуса каждые 100 метров. Это "средний" уровень температурного градиента, но он почти в два раза больше, чем в районе Эспоо, в Финляндии. Это означает, что в Пулково достаточно пробурить скважину на глубину всего лишь до 3500 метров, соответственно, такая теплоцентраль обойдется гораздо дешевле, чем в Эспоо.

Стоит учесть, что срок окупаемости подобных станций зависит также и от тарифов на теплоснабжение и электроэнергию для потребителей в этой стране или региона. В мае 2015 года тариф для многоквартирных домов без электрического отопления от компании Helsingin Energia составлял 6,19 евроцента за кВт*ч, с электрическим отоплением, соответственно, — 7,12 евроцентра за кВт*ч (в дневное время). По сравнению с тарифами Санкт-Петербурга, разница для тех, кто использует электричество и для отопления, составляет около 40%, при этом еще надо учитывать игры курсов. Столь невысокая цена на электричество в Финляндии связана, в том числе, с тем, что страна имеет собственные атомные генерирующие мощности.

А вот в Латвии, которая вынуждена постоянно закупать электроэнергию и топливо, отпускная цена электроэнергии практически вдвое выше , чем в Финляндии. Однако финны полны решимости построить станцию в Эспоо, в не самом удачном по геотермическому градиенту месте.

Дело в том, что геотермальная энергетика требует долгосрочных инвестиций. В этом смысле она ближе к крупной гидроэнергетике и атомной энергетике. ГеоТЭС гораздо сложнее возвести, чем солнечную или ветростанцию. И нужно быть уверенными, что политики не начнут играть с ценами и правила не будут меняться на ходу.

Поэтому финны и решаются на этот важный промышленный эксперимент. Если им удастся осуществить задуманное, и хотя бы для начала обогреть своих жителей теплом, которое никогда не кончится (даже в масштабах вообще жизни на нашей планете) — это позволит задуматься о будущем геотермальной энергетики и на обширных российских просторах. Сейчас в России греются теплом Земли на Камчатке и в Дагестане, но, возможно, настанет и время Пулково.

Константин Ранкс

Температура внутри Земли. Определение температуры в оболочках Земли основывается на различных, часто косвенных данных. Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами до максимальных глубин- 12 км (Кольская скважина).

Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называют геотермическим градиентом, а глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 1 0 С - геотермической ступенью. Геотермический градиент и соответственно геотермическая ступень изменяются от места к месту в зависимости от геологических условий, эндогенной активности в различных районах, а также неоднородной теплопроводности горных пород. При этом, по данным Б. Гутенберга, пределы колебаний отличаются более чем в 25 раз. Примером тому являются два резко различных градиента: 1) 150 o на 1 км в штате Орегон (США), 2) 6 o на 1 км зарегистрирован в Южной Африке. Соответственно этим геотермическим градиентам изменяется и геотермическая ступень от 6,67 м в первом случае до 167 м - во втором. Наиболее часто встречаемые колебания градиента в пределах 20-50 o , а геотермической ступени -15-45 м. Средний геотермический градиент издавна принимался в 30 o С на 1 км.

По данным В. Н. Жаркова, геотермический градиент близ поверхности Земли оценивается в 20 o С на 1 км. Если исходить из этих двух значений геотермического градиента и его неизменности в глубь Земли, то на глубине 100 км должна была бы быть температура 3000 или 2000 o С. Однако это расходится с фактическими данными. Именно на этих глубинах периодически зарождаются магматические очаги, из которых изливается на поверхность лава, имеющая максимальную температуру 1200-1250 o . Учитывая этот своеобразный "термометр", ряд авторов (В. А. Любимов, В. А. Магницкий) считают, что на глубине 100 км температура не может превышать 1300-1500 o С.

При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн. Таким образом, средний геотермический градиент прослеживается лишь до некоторой относительно небольшой глубины от поверхности (20-30 км), а дальше он должен уменьшаться. Но даже и в этом случае в одном и том же месте изменение температуры с глубиной неравномерно. Это можно видеть на примере изменения температуры с глубиной по Кольской скважине, расположенной в пределах устойчивого кристаллического щита платформы. При заложении этой скважины рассчитывали на геотермический градиент 10 o на 1 км и, следовательно, на проектной глубине (15 км) ожидали температуру порядка 150 o С. Однако такой градиент был только до глубины 3 км, а далее он стал увеличиваться в 1,5-2,0 раза. На глубине 7 км температура была 120 o С, на 10 км -180 o С, на 12 км -220 o С. Предполагается, что на проектной глубине температура будет близка к 280 o С. Вторым примером являются данные по скважине, заложенной в Северном Прикаспии, в районе более активного эндогенного режима. В ней на глубине 500 м температура оказалась равной 42,2 o С, на 1500 м-69,9 o С, на 2000 м-80,4 o С, на 3000 м - 108,3 o С.

Какова же температура в более глубоких зонах мантии и ядра Земли? Более или менее достоверные данные получены о температуре основания слоя В верхней мантии (см. рис. 1.6). По данным В. Н. Жаркова, "детальные исследования фазовой диаграммы Mg 2 SiO 4 - Fe 2 Si0 4 позволили определить реперную температуру на глубине, соответствующей первой зоне фазовых переходов (400 км)" (т.е. перехода оливина в шпинель). Температура здесь в результате указанных исследований около 1600 50 o С.

Вопрос о распределении температур в мантии ниже слоя В и ядре Земли еще не решен, и поэтому высказываются различные представления. Можно только предположить, что температура с глубиной увеличивается при значительном уменьшении геотермического градиента и увеличении геотермической ступени. Предполагают, что температура в ядре Земли находится в пределах 4000-5000 o С.

Средний химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды. К настоящему времени хорошо изучено много выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. По составу выделяют три типа метеоритов: 1)железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90-91% Fe), с небольшой примесью фосфора и кобальта; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) каменные, илиаэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа.

Наибольшее распространение имеют каменные метеориты- около 92,7% всех находок, железокаменные 1,3% и железные 5,6%. Каменные метеориты подразделяют на две группы: а) хондриты с мелкими округлыми зернами - хондрами (90%); б) ахондриты, не содержащие хондр. Состав каменных метеоритов близок к ультраосновным магматическим породам. По данным М. Ботта, в них около 12% железоникелевой фазы.

На основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных, рядом исследователей дается современная оценка валового элементарного состава Земли, представленная в табл. 1.3.

Как видно из данных таблицы, повышенное распространение относится к четырем важнейшим элементам - О, Fe, Si, Mg, составляющим свыше 91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Ca, A1. Остальные элементы периодической системы Менделеева в глобальных масштабах по общему распространению имеют второстепенное значение. Если сравнить приведенные данные с составом земной коры, то отчетливо видно существенное различие, заключающееся в резком уменьшении О, A1, Si и значительном увеличении Fe, Mg и появлении в заметных количествах S и Ni.

Фигуру Земли называют геоидом. О глубинном строении Земли судят по продольным и поперечным сейсмическим волнам, которые, распространяясь внутри Земли, испытывают преломление, отражение и затухание, что свидетельствует о расслоенности Земли. Выделяют три главные области:

земная кора;

мантия: верхняя до глубины 900 км, нижняя до глубины 2900 км;

ядро Земли внешнее до глубины 5120 км, внутреннее до глубины 6371 км.

Внутреннее тепло Земли связано с распадом радиоактивных элементов - урана, тория, калия, рубидия и др. Средняя, величина теплового потока составляет 1,4-1,5 мккал/см 2. с.

1. Каковы форма и размеры Земли?

2. Какие существуют методы изучения внутреннего строения Земли?

3. Каково внутреннее строение Земли?

4. Какие сейсмические разделы первого порядка четко выделяются при анализе строения Земли?

5. Каким границам соответствуют разделы Мохоровичича и Гутенберга?

6. Какая средняя плотность Земли и как она изменяется на границе мантии и ядра?

7. Как изменяется тепловой поток в различных зонах? Как понимается изменение геотермического градиента и геотермической ступени?

8. По каким данным определяется средний химический состав Земли?

Литература

• Войткевич Г.В. Основы теории происхождения Земли. М., 1988.

• Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М., 1978.

• Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М., 1965.

• Очерки сравнительной планетологии. М., 1981.

• Рингвуд А.Е. Состав и происхождение Земли. М., 1981.