Теплота Земли. Вероятные источники внутренней теплоты


Тепловое поле земной коры формируется в результате процесса теплообмена при наличии источников тепла. Теплообмен в земной коре осуществляется посредством теплопроводности, конвекции и излучения.

В зависимости от природы процессов, приводящих к выделению тепла в недрах Земли, источники тепла можно подразделить на два типа: первичные и вторичные.

К первичным источникам относятся те, которые преобразуют в тепло энергию внеземного происхождения (энергию радиоактивного распада, энергию солнечной радиации, энергию земных приливов, гравитационную энергию). К вторичным источникам относятся те, которые преобразуют в тепло энергию внутриземного происхождения (энергию фазовых переходов и химических превращений, энергию тектонических движений). Первичные источники формируют тепловой режим Земли в целом, а вторичные – тепловые аномалии. Первичные источники длительны по времени – тепловые аномалии. Первичные источники длительны по времени (практически бесконечны) и значительны по мощности, вторичные – относительно кратковременны и маломощны.


Тепло радиоактивного распада называют радиогенным. Количество тепла, образующегося в единицу времени в результате распада одного грамма радиоактивного вещества, называется удельным радиогенным теплом. Оно образуется в результате того, что при распаде происходит излучение α- и β- частиц и γ- фотонов, которые поглощаются окружающими породами и передают им свою энергию. При этом вся энергия превращается в тепло. Все радиоактивные источники выделяют внутри Земли 4∙1020-4∙1021 Дж ежегодно.

Тепло, доставляемое на поверхность Земли солнечным излучением, формирует тепловой режим поверхностного слоя пород, расположенных выше нейтрального слоя. Суточные колебания температуры воздуха оказывают влияние на температурный режим поверхностного слоя Земли толщиной не более 0,5 м, а годовые – не более 20 м. Учитывая, что в году около 3∙107 с, и принимая во внимание, что под воздействием солнечного излучения находится постоянно только половина поверхности Земли, то количество тепла, передаваемое Солнцем верхним слоям атмосферы Земли за год примерно составляет 27∙1023 Дж/год. Примерно половина этого тепла поглощается атмосферой и рассеивается в мировое пространство, а вторая половина поглощается на Земле.

Выделение тепла в Земле в результате земных приливов обусловлено вертикальным смещением ее поверхности под действием притяжения Солнца и луны. Такие смещения возможны вследствие того, что Земля не является абсолютно твердым телом, а земная кора разбита на блоки.


Вертикальные смещения поверхности Земли за счет земных приливов и отливов достигают 0,5 м. Суммарное количество тепла, выделяющееся в Земле за время ее существования за счет приливов и отливов, составляет примерно 36∙1026 Дж.

Гравитационная составляющая первичных источников тепла обусловлена выпадением на Землю мелких частиц и метеоритов и переходом их кинетической энергии в тепловую. Кроме того, под действием сил гравитации в глубь Земли перемещаются более тяжелые вещества, что также сопровождается выделением тепла. Если предположить, что ядро Земли состоит из железа, которое стекалось к центру, то количество тепла, выделенного при этом, составит около 1030 Дж.

Основными вторичным источником тепла является энергия тектонических движений, которая выделяется при землетрясениях в результате трения блоков земной коры друг о друга.

Тепловая энергия, образующаяся в результате фазовых переходов и химических реакций в Земле, вносит свой вклад в формирование теплового режима локальных районов.

Получение тепла от земли

Отопление из земли – это одно из новейших решений по использованию энергии природы. Перспективы развития очевидны, так как это недорогой и стабильный источник энергии.


Даже в самые суровые морозные дни грунт не промерзает полностью, для каждого района этот показатель имеет разное значение. Даже при выполнении строительных работ по монтажу фундаментных блоков отмечается, что тепло из земли находится в это время на уровне 5–7 градусов. Возникает вопрос: а можно ли получить отопление от земли?

Теоретически можно, но для этого нужно установить специальное оборудование и решить некоторые задачи:

Тепло от земли

  • тепловую энергию необходимо аккумулировать для определенной емкости;
  • используемый теплоноситель – антифриз – необходим для передачи тепла по всему помещению;
  • при остывании антифриза необходимо его нагреть вновь.

Геоотопление можно получить с использованием насоса, позволяющего извлечь достаточное количество энергии, для того чтобы осуществить обогрев дома.

Принцип действия

Геотермальное отопление – не миф, а реальность на сегодняшний день. Установки можно приобрести в магазинах и эксплуатировать в любом климатическом районе.

Принцип действия используется следующий:

  1. На основании ранее проведенных исследований теоретически установлено, что некоторые жидкости при попадании на поверхность способствуют ее охлаждению. К примеру, поливая раскаленный солнцем асфальт, можно отметить, что происходит испарение, а сам асфальт – остывает. Такое явление и было взять за основу при разработке холодильного оборудования.

  2. При дальнейшем изучении этого явления возникла мысль: «Имеется ли возможность, используя этот процесс охлаждения, направить тепло в обратную сторону, при этом получая вместо холодного горячий воздух?». Современные технические устройства – кондиционеры – работают не только на охлаждение помещения, но и на его обогрев. Но при этом отмечается одни существенный недостаток – они зависят от температуры окружающего воздуха, которая может довольно часто изменяться. К примеру, при достижении отрицательного показателя 5 градусов, они совсем перестают функционировать. Отопление дома теплом земли за счет применения специального оборудования полностью лишено этой проблемы, потому что температура теплоносителя поддерживается на плюсовой отметке.

Насос с земли качает тепло

Устройство отопления

Отопление за счет тепла земли работает примерно так же, как обычный кондиционер, когда совершается обогрев помещения. Принцип работы геотермального отопления заключается в следующем:

  1. Для начала производится установка коллекторов на глубинной отметке в естественных водоемах. Внутри этих устройств происходит циркуляция антифриза. За счет поглощения температуры с плюсовым показателем происходит выход холода.
  2. Отопление из недр земли происходит по принципу поднятия предварительно нагретого антифриза.
  3. В специальном буферном устройстве производится обмен теплом, то есть нагретый носитель производит нагрев воды или совершает работу по отдаче энергии теплоносителю.
  4. При остывании антифриз направляется вновь в коллектор.

Имеются установки, позволяющие производить геотермальное отопление частного дома большой площади, а есть и такие, которые производят обогрев на ¾ всего объема помещения.

Применяемое оборудование

Энергия земли для отопления дома получается на основании использования специального оборудования, функции которого основаны на следущем:

  • под слоями земной поверхности находится испаритель, работа которого основана на поглощении энергии тепла от грунта;
  • конденсатор доводит антифриз до рабочих показателей температуры;
  • специальный нанос необходим для циркуляции рабочего тепла в системе;
  • в буферный бак производится сбор нагретого антифриза, чтобы передать полученную энергию.

Буферный бак – это емкость с размещенным в нем змеевиком, который, в свою очередь, обеспечивает внутреннее движение антифриза.

Несмотря то, что тепловая энергия земли вырабатывается в достаточном количестве, специалистами рекомендовано все же подключаться к системе «теплый пол».

Монтажные работы


Альтернативная энергия

Отопление дома от земли многим кажется простым делом, которое легко обеспечить самостоятельно. Однако часто при проведении работ по монтажу контура теплообменника возникают трудности. Несмотря на большое количество видеороликов в интернете, многие затрудняются ответить на вопрос, как выполнить отопление энергией земли. Лучше все-таки обратиться в специализированную организацию: только опытные работники все сумеют выполнить по правилам.

Чтобы смонтировать земляное отопление, необходимо выполнить следующие действия:

  1. Оформить вызов специалиста на дом. Для начала следует произвести исследование грунта, определить, в какое место наиболее приемлемо произвести монтаж контура.
  2. Заключение договорных обязательств на отопление теплом земли дома. Стоимость может быть различной: все зависит от сложности планируемых работ.
  3. Тепло земли для отопления дома обеспечивается оборудованием, которое монтируется специальной организацией. Эффективность использования оборудования зависит именно от проведения предварительных работ.
  4. Проведение пробных или пусконаладочных работ.

Отопить жилое помещение сегодня возможно, но затраты могут быть немалыми, хотя они быстро окупаются.

Отопление от тепла земли актуально на Западе. Денежные средства вкладываются на долгосрочной перспективе и быстро оправдываются, количество людей, желающих отапливать дома земной энергией, увеличивается. Тепло земли особенно эффективно использовать для отопления помещений в северных регионах.


Геотермия – наука, изучающая тепловое поле Земли. Средняя температура поверхности Земли имеет общую тенденцию к уменьшению. Три млрд. лет назад средняя температура на поверхности Земли составляла 71о, сейчас – 17о. Источниками теплового (термического) поля Земли являются внутренние и внешние процессы. Теплота Земли вызывается солнечной радиацией и зарождается в недрах планеты. Величины притока тепла от обоих источников количественно крайне неодинаковы и различны их роли в жизни планеты. Солнечный нагрев Земли составляет 99,5% от всей суммы тепла, получаемого ее поверхностью, а на долю внутреннего нагревания приходится 0,5 %. К тому же приток внутреннего тепла очень неравномерно распределен на Земле и сосредоточен в основном в местах проявления вулканизма.

Внешний источник — это солнечная радиация. Половина солнечной энергии поглощается поверхностью, растительностью и приповерхностным слоем земной коры. Другая половина отражается в мировое пространство. Солнечная радиация поддерживает температуру поверхности Земли в среднем около 00 С.


лнце прогревает приповерхностный слой Земли на глубину в среднем 8 – 30 м, при средней глубине в 25 м, влияние солнечного тепла прекращается и температура становится постоянной (нейтральный слой). Глубина эта минимальна в зонах с морским климатом и максимальна в Приполярье. Ниже этой границы располагается пояс постоянной температуры, соответствующей средней годовой температуры данной местности. Так, например, в Москве на территории сельхоз. академии им. Тимирязева, на глубине 20 м температура с 1882 г неизменно сохраняется равной 4,2оС. В Париже на глубине 28 м термометр уже более 100 лет неизменно показывает 11,83оС. Слой с постоянной температурой самый глубокий там, где развита многолетняя (вечная) мерзлота. Ниже пояса постоянной температуры следует зона геотермии, для которой свойственно тепло, генерируемое самой Землей.

Внутренними источниками являются недра Земли. Земля излучает в мировое пространство больше тепла, чем она получает от Солнца. К внутренним источникам относят остаточное тепло с того времени, когда планета была расплавлена, тепло термоядерных реакций, протекающих в недрах Земли, тепло гравитационного сжатия Земли под действием силы тяжести, тепло химических реакций и процессов кристаллизации и др. (например приливное трение). Тепло из недр идет в основном из подвижных зон. Увеличение температуры с глубиной связано с существованием внутренних источников тепла – распадом радиоактивных изотопов – U, Th, K, гравитационной дифференциацией вещества, приливным трением, экзотермическими окислительно-восстановительными химическими реакциями, метаморфизмом и фазовыми переходами. Скорость возрастания температуры с глубиной определяется рядом факторов – теплопроводностью, проницаемостью горных пород, близостью вулканических очагов и т.п.


Ниже пояса постоянных температур идет повышение температуры, в среднем 1о на 33 м (геотермическая ступень) или на 3о через каждые 100 м (геотермический градиент). Эти величины являются показателями теплового поля Земли. Понятно, что эти величины средние и разные по величине в различных областях или зонах Земли. Геотермическая ступень в различных точках Земли различна. Например, в Москве – 38,4 м, в Ленинграде 19,6, в Архангельске – 10. Так, при бурении глубокой скважины на Кольском полуострове на глубине в 12 км предполагали температуру 150о, в действительности она оказалась порядка 220 градусов. При бурении скважин в северном Прикаспии на глубине 3000 м предполагали температуру 150о градусов, а она оказалась 108о.

Следует отметить, что климатические особенности местности и среднегодовая температура не влияют на изменение величины геотермической ступени, причины кроются в следующем:

1) в различной теплопроводности горных пород, слагающих тот или иной район. Под мерой теплопроводности понимают количество тепла в калориях, передаваемое в 1 сек. Через сечение в 1 см2 при градиенте температуры в 1оС;


2) в радиоактивности горных пород, чем больше теплопроводность и радиоактивность, тем меньше геотермическая ступень;

3) в различных условиях залегания горных пород и возрасте нарушения их залегания; наблюдения показали, что температура нарастает быстрее в слоях собранных в складки, в них чаще бывают нарушения (трещины), по которым облегчается доступ тепла из глубин;

4) характером подземных вод: потоки горячих подземных вод прогревают горные породы, холодные – охлаждают;

5) удаленностью от океана: около океана за счет охлаждения горных пород массой воды, геотермическая ступень больше, а на контакте – меньше.

Знание конкретной величины геотермической ступени имеет большое практическое значение.

1. Это важно при проектировании шахт. В одних случаях нужно будет принимать меры для искусственного понижения температуры в глубоких выработках (температура – 50оС является предельной для человека при сухом воздухе и 40оС при влажном); в других – можно будет вести работы на больших глубинах.

2. Большое значение имеет оценка температурных условий при проходке туннелей в горных местностях.

3. Изучение геотермических условий недр Земли дает возможность использовать пар и горячие источники, выходящие на поверхность Земли. Подземное тепло используется, например, в Италии, Исландии; в России на природном тепле построена на Камчатке экспериментально-промышленная электростанция.

Используя данные о величине геотермической ступени, можно сделать некоторые предположения о температурных условиях глубоких зон Земли. Если принять среднюю величину геотермической ступени за 33 м и допустить, что увеличение температуры с глубиной происходит равномерно, то на глубине 100 км будет температура 3000оС. Эта температура превышает точки плавления всех веществ известных на Земле, следовательно на этой глубине должны быть расплавленные массы. Но за счет огромного давления 31000 атм. Перегретые массы не имеют признаков, свойственных жидкостей, а наделены признаками твердого тела.

С глубиной геотермическая ступень видимо должна значительно увеличиваться. Если считать, что ступень не меняется с глубиной, то температура в центре Земли должна составлять порядка 200 000о градусов, а по расчетам она не может превышать 5000 — 10 000о.


Использованные источники

  1. poznayka.org/s104792t1.html
  2. ekoenergia.ru/geotermalnaya-energiya/teplo-zemli.html
  3. helpiks.org/3-74917.html

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.