Источники энергии на земной поверхности

Дело все в том, что породы земной коры в своем составе имеют значительно большее количество радиоактивных элементов, по сравнению с мантией. Земная кора очень тонкий слой на поверхности планеты и массовая доля её составляет 0,4% от массы Земли, мантия составляет 2/3, остальное приходится на ядро. Ядро состоит из расплава Fe и Ni с примесью легких элементов: кислорода, кремния и др. Поскольку уран и торий в железо-никелевом расплаве не растворимы, то их количество в ядре ничтожно мало.

Радиоактивные вещества в земной коре представлены в основном ураном, торием, калием (табл. 2.1).

Среднее содержание в горных породах урана, тория в массовых долях и калия а %

Земная кора в среднем состоит из базальта и гранита в соотношении 1:3, мантия по составу близка к перидотиту, который редко встречается на поверхности. Тогда, среднее содержание калия в земной коре = (9 + 0,5)/4 = 2,4%, а в мантии – 0,04 %. Примерно можно прикинуть, что на 1 г U и Th приходится на 100 млн. г породы. Если рассчитать тепловыделение в результате ядерных реакций, то получится 0,000 000 05 кал на 1 г породы за год. Эта величина чрезвычайно малая и не может рассматриваться двигатель геологических процессов на Земле.

Но это современное значение тепловыделения, раньше содержание радиоактивных веществ было значительно больше. Известны в Окло (Габон, Ю. Африка) геохимические следы ядерного взрыва.

Ранее предполагалось, что разогрев горных пород в недрах Земли происходит за счет ядерных реакций, в результате которых выделяется значительное количество энергии. Т.е. можно сказать, что в недрах Земли используется принцип ядерной теплостанции. Так как приблизительно половина ядерного топлива планеты была выработана за 4,5 млрд. лет существования Земли. За это время должно было выделится несколько сот калорий на 1 г вещества.

Удельная теплота плавления (Q) рассчитывается по формуле:

Q = Cp(T-T₀)+DQ,

где Cp – удельная теплоемкость (~0,15 кал.),

T – температура плавления (1500⁰С), T₀ = 0.

Если подставить в формулу значения, то Q ~ 350 кал. Если бы это тепло накапливалось бы внутри Земли, то все породы находились бы в расплавленном состоянии. Но поверхность планеты постоянно излучает тепло. Установлено, что коэффициент теплопроводности горных пород примерно равен 0,01 кал*с*град. С/см². Известно, что на каждый км в глубину температура увеличивается на 30⁰С, тогда 30*0,01/100000 = 0,000 003 кал*с/см², т.е. пропускная способность горных пород поверхности Земли высокая и все тепло должно отводится от реактора. Процессы тепловыделения за счет ядерного распада в ЗК протекают очень медленно, и тепло успевает расходоваться в химических реакциях и на излучение с поверхности в космос.

В 18 веке считалось, что тепло на поверхности Земли обусловлено эндогенными причинами. Фуко рассчитал тепловой баланс Земли и показал, что солнечная энергия, поступающая на Землю, значительно превышает поступающую из недр Земли. Если рассчитать количество энергии солнца, падающей на 1 см² поверхности земли за минуту, то удельная величина за год составит 0,005 кал., что 100 000 раз больше, чем тепло получаемое при радиоактивном распаде радиоактивных веществ земной коры (0,000 000 05 кал/год). Солнечная энергия аккумулируется земной поверхностью и превращается в энергию движения масс в атмосфере, гидросфере и литосфере. Энергию синтеза гелия из водорода некоторые исследователи считают источником энергии звезд, в том числе Солнца. Эта энергия, как известно, очень велика: 1 см² солнечной поверхности излучает в секунду около 1500 кал, причем это излучение идет миллиарды лет без особого, как считают, уменьшения. Поэтому, следует сделать вывод, что биосфера энергетически запитывается от термоядерного источника энергии.